焦永华开题报告化学研究生

1、研究意义意义意义意义 碱土金属位于周期表的第二主族，包含有铍、镁、钙、锶、钡、镭六种元素。由于碱土金属原子半径相差大，形成配合物时配位数相差较大，配合物的空间结构变化多，因此在生物化学，催化、材料科学等许多化学及过程等方面有一定的应用。碱土金属在所有的生物有机体中扮演着重要的角色，尤其是镁、钙元素，它们是生物系统中最重要元素，在酶的生物活性、核酸配位、神经传导、肌肉收缩及新陈代谢等方面扮演着至关重要的角色1-2。近年来，由于碱土金属其在生命科学中的重要地位，使得碱土金属及其配合物成为配位化学中活跃的研究领域之一。钙离子在复杂的生命过程中具有多样的配位结构和重要的催化作用,不仅能够调节细胞壁的功

2、能、控制半透膜的渗透能力和神经细胞膜的兴奋,而且还对神经传导、肌肉收缩、激素释放、血液凝结等起调节控制作用,因此被称作“生命”金属1、3-7。 21世纪聚合物的蓬勃发展，给人类带来了文明，但其大量使用产生的塑料废弃物也与日俱增，导致了环境污染的加剧。生物降解聚合物作为一种可自然降解的材料，在环保方面起到了独特的作用，其研究和开发得到了迅速的发展。一般认为，聚酯的可降解性主要源于分子主链上的酯键在酶或微生物作用下的水解断开、分子量逐渐变小，以致最终分解成为单体或代谢成二氧化碳和水。脂肪族聚酯、聚碳酸酯等环内酯都是可生物降解的高分子材料，同时具有良好的生物相溶性，可用于药物的缓释放，因此对它们的研

3、究具有很高的实用价值。已有研究工作表明：由金属有机配合物催化环酯的开环聚合是目前合成聚酯的最方便和有效的方法，这一合成方法的核心技术是催化剂的设计合成。近年来，人们已经开发出很多催化体系可用于环酯的开环聚合，其中可作为单组分催化剂、具有确定结构的金属有机配合物备受关注。这是因为该类催化剂结构清楚，有助于深入研究聚合机理，了解催化剂的结构与其活性、可控性之间的关系，这是发现新型高效催化剂的最有效途径。我们知道大多数金属有机配合物催化环酯开环聚合的机理是配位插入机理，而根据配位插入的聚合反应机理，催化剂中的金属离子会连接在聚合物链末端、并最终或多或少地残留在聚酯中。由于这类聚合物（可生物降解）主要

4、用于生物医学、食品包装等领域，特别是近年来人体组织工程的快速发展，急需可生物降解聚酯以满足其性能的要求，因此，研究和开发无毒、高效、高可控性、反应条件温和的催化剂，一直是这一领域中急待解决的关键问题。考虑到碱土金属-钙离子存在于人体之内、具有良好的生物相容性和价格相 4对低廉的特点，碱土金属催化剂近年来越来越引起人们的关注。其中：1999年，P. Dobrzynski发现利用原位生成的乙酰丙酮基钙配合物可以催化丙交酯的开环聚合8，而利用确定结构的钙有机配合物作为催化剂催化丙交酯聚合是由M. H. Chisholm在2004年首次报道，他发现烷氧基钙、镁金属配合物 (TptBu)M(OC6H3-

5、2,6-iPr2)（M = Ca, Mg）和二胺为辅助配体的钙、镁金属胺化物(BDI)MN(SiMe2)2（M = Ca, Mg ; BDI CHCMeNC6H3-2,6-Pri2）都可以催化丙交酯的开环聚合，但是催化活性均不令人满意9。另外，人们还发现碱土金属配合物能显示出一些特殊的反应性能，如： 2006年，H. Schumann发现在AlEt3作为助催化剂的条件下，二茂基碱土金属配合物（镁、钙、锶）均可以较高活性的催化甲基丙烯酸甲酯（MMA）聚合并具有活性可控特征，值得一提的是它同时还可以催化MMA与甲基丙烯酸丁酯(butyl methacrylate)和甲基丙烯酸乙酯(ethyl me

6、thacrylate)的共聚10。最近的研究还表明碱土金属有机配合物能高选择性地催化一些有机反应，如： M. S. Hill和S. Harder均发现以-二酮亚胺为辅助配体的钙金属配合物HC-(C(Me)2N-2,6-iPr2C6H3)2Ca-N(SiMe3)2(THF)是高效的氢胺化和氢膦化反应的催化剂11；镁金属有机配合物Mg(NTf2)2 可以高活性催化醛、酮乙酰化反应12；并且S. Kobayashi还发现利用钙金属烷氧化物和手性配体原位生成的催化剂可以高立体选择型的催化类Michael加成反应-氨基酸衍生物与,-不饱和羰基化合物的加成反应13。同时，最近每年都有新型的碱土金属配合物被

7、合成出来，这也表明了碱土金属近年来的关注度日益提升14-16。但是相比较过渡金属和稀土金属催化剂而言，碱土金属环酯开环聚合催化剂的研究还仅处于起步阶段，特别是我们国内目前对碱土金属催化剂的研究还没有引起相应的关注（最近华东理工大学的马海燕教授已开始这方面的课题研究） ，因此碱土金属催化剂的研究具有很大的开发空间，有很多科学问题急待解决，如：催化剂的种类和适用性需要大大的拓展；催化剂结构和其催化活性、可控性及选择性间的关系还不清楚；特别是更有应用价值的高活性催化剂的研究还几乎是空白等等。 由于由于碱土金属元素的特殊性，人们对其配合物的研究越来越多。利用大的有机配体的空间位阻来提高配合物的稳定性，

8、并对其进行表征，确定其结构组成、晶体结构和有关性质，寻找配合物的空间结构特征、电荷分布、生物活性、催化活性与金属和配体强度的关系，进而筛选出新的有催化活性配合物，对碱土金属配合物的开发研究有非常重要的意义。 二二二二、 近年来近年来近年来近年来碱土金属碱土金属碱土金属碱土金属钙钙钙钙有机有机有机有机配合物配合物配合物配合物的发展趋势的发展趋势的发展趋势的发展趋势 5碱土金属配合物在金属有机方面早期主要集中在茂金属领域1，通过改变环戊二烯基上取代基德种类和取代基的体积可以改变配合物的种类和空间效应，同时电子效应、空间效应也可以通过取代基来加以调控，其合成方法主要是交换法，如下： 另外通过改变反应

9、物的比例还可以得到单茂的碱土金属配合物，David J. Burkey, R. Allen Williams等人通过改变比例得到了单茂的钙的配合物， 6 KCp3i + 3 CaI2THF2(Cp3i)2Ca(THF) + 5KI+ (Cp3i)CaI(THF)2+(Cp3i)K 通过改变溶剂又可以得到一系列络合不同溶剂的钙金属配合物。在钙的茂金属配合物合成出来后很多工作者又利用得到的钙的配合物合成过渡金属配合物2例如； Cp*2Ca + YbI2THFCp*2Yb(THF) + CaI2(THF)2 Cp*2Ca + (dppe)NiCl2tolueneCp*2Ni + CaCl2 + Ph

10、2PCH2PPh3 David Ming 3等人用类似的方法得到了一种桥联的茂金属配合物，Michael G. Gardiner等人也得到了类似的钙金属配合物，如下图： 在利用上述交换方法S. Craig Sockweii, Pamela S. Tanner等人得到两种含有混金属钙的配合物Cp*2HfC1(p-C1)CaCp*2和Cp*,Ca(p-oC),(OC)Cr(mens)2 6 在早期科学工作者主要侧重在钙的有机配合物的合成及其结构的研究，或者通过钙的有机金属配合物的合成来制备其他的有机金属配合物。 其次钙的配合物还集中在卡宾，-二酮亚胺、氨基，烷氧基、芳基等一些配合物当中。其合成方法

11、如下主要有下面两种： Ca(N(SiMe3)2)(THF ) + HLTHFTM HL丁基锂CaI2TM 近几年来, 以-二酮亚胺作为配体合成的钙配合物的比较常见，如2006年Christian Ruspic,Sharanappa Nembenna等人合成了下图几个-二酮亚胺在钙的配合物并得到了其晶体结构，研究了不同溶剂中的晶体结构和其催化活性18。 2007年Christian Ruspic and Sjoerd Harder合成了酮二亚胺钙配合物，也研究了其不同溶剂中的晶体结构19。 7 2008年Dirk F.-J. Piesik, Sven Range, and Sjoerd Hard

12、er合成了一系列的钙的酮二亚胺配合物并探究了其对二氧化碳的催化聚合20； 在大家研究酮二亚胺钙配合物时都发现其对己内酯，丙交酯，碳酸酯有很好的催化聚合作用，2002年开始N. Nomura等人就对其催化进行了研究，发现此类催化剂具有高效、室温、无毒等特点。2002年N. Nomura课题组对下面几类酮二亚胺钙配合物的催化活性进行了系统的研究21： 在大家都致力研究酮二亚胺钙配合物的同时另一类辅助配体已经悄然升起-桥联双酚类配体，并且在过渡金属的有机配合物中得到广泛的应用，大家在研究这类双酚配合物时发现此类配合物都具有比较良好的催化活性，因此近年来得到了广泛的应用，特别是在稀土金属配合物中应用比

13、较广泛，究其原因，一方面是由于这类配体制备简便，收率较高；另一方面，可以在氮原子上引入不同的基团，从而可以极大得调节中心金属的配位环境,改善其化学性能。已经报道合成了大量的主族、过渡金属以及三价稀土金属配合物4。其中，一些三价稀土金属配合物具有很高的活性。 8例如：Carpentier等利用侧臂含氧的双酚作为配体，合成了一系列的三价价稀土化合物，反应方程式如下： 研究发现，这类化合物能够高活性地催化丙交酯的聚合，得到规整度很高的聚合物。2005年沈琪课题组首次合成了一系列的辅助配体的碳桥联双酚基作为二价稀土金属配合物： 从以上综述可知：茂基、桥连茂基、取代茂基酮二亚胺钙化合物的研究已很深入，也

14、具有很高的应用前景。桥连双酚在过渡金属中应用也很广泛并且得到深入研究，特别是在稀土元素中研究就更为深入，而且这类配体在稀土配合物中显示了高效的催化活性，但是桥连双酚钙化合物能不能像稀土一样显示很好的催化活性还不为人知。为此，我们在原有桥连双酚稀土化合物的合成基础上，提出了本课题。 三三三三、 研究的主要内容研究的主要内容研究的主要内容研究的主要内容 1.具有特定结构的桥联双齿配体的设计合成 9根据过渡金属、稀土金属催化剂的研究成果，我们了解到催化剂的催化性能（活性、可控性、选择性等）取决于中心金属及中心金属的配位环境，即配体的类型、电子和空间结构。因此，碱土金属催化剂的研究核心同样应是配体的设

15、计。桥联双齿配体目前是公认的有效配体，它可以使相应金属有机配合物中的中心金属具有更开放的配位环境，反应底物更易与金属配位，从而显示更高的催化活性。令人惊讶的是，桥联双齿配体碱土金属配合物的合成及反应性能却未见报道。由此，我们设计合成以下几类具有适当空间位阻和电子效应的配体。 2.具有特定配体环境的碱土金属有机配合物的合成 利用上述合成的配体，通过两种途径：复分解反应即碱土金属卤化钙与相应碱金属化的桥联双齿配体反应；或配体交换反应合成相应的碱土金属有机配合物（具体合成步骤见研究方案与可行性分析）。配合物的结构表征：采用元素分析、核磁、X-衍射等技术。 3. 催化环酯聚合反应 环酯类的聚合物都具有

16、特殊的应用价值，首先选择典型的环酯单体，如-己内酯、rac-丙交酯、三亚甲基环碳酸酯等，系统考察催化剂结构变化对不同单体聚合的催化活性、可控性、立构选择性（如rac-丙交酯）的影响；比较其不同空间位阻碱土金属配合物催化聚合规律的异同点，总结其中的规律性，为进一步的催化剂设计提供依据。 本课题研究的内容主要分为以下几个部分： 四四四四、研究思路研究思路研究思路研究思路与方法与方法与方法与方法 (一) 研究思路 1、基于以上的认识，本实验主要致力于具有明确结构的碱土金属催化剂的设计合成。通过分子设计，合成具有功能新型的碱土金属配合物，考察对催化活性的影响，了解催化剂结构与其催化性能之间的关系。我们

17、期望这一设计理念的实施能为碱土金属配合物的设计提供一种新的模式，以期开发具有自主知识产权的、有良好生物相容性的、具有工业应用前景的环酯可控开环聚合的催化剂，开发新的聚合反应和新型的生物降解型聚酯材料。另外，进一步考察这些催化剂在有机合成中的应用，以期进一步发展碱土金属化学，促进新的有机催化反应，拓宽碱土金属有机化合物在高分子聚合及有机合成中的应用范围。 102、这主要是考虑：1）碱土金属在自然界中分布广泛，价格低廉，并且自身也具有生物相容性，毒性小；2）重碱土金属的电子结构、反应性能和稀土金属基本相似。而且稀土金属的桥联双酚配合物的合成思路和方法已经很成熟，对其催化性能的研究也很清楚。 3、桥

18、联双酚的合成简单而且原料价格低廉，其空间位阻可以通过芳基上的取代基进行调控，电荷效应可以通过桥上的杂原子以及芳基上的取代基进行调控，因此，桥联双芳氧基应该是一类研究碱土金属配合物的结构与反应性能之间的关系的理想配体。已有的研究发现，碳桥联双芳氧基稀土烷氧化合物可以在相对温和的条件下催化己内酯的可控聚合，而氨基桥联双芳氧基稀土胺化物在室温条件对己内酯聚合显示了非常高的活性。因此可以把此思想运用到碱土金属的合成和研究上来。 （二）合成方法和线路 1氮桥联双酚配体的合成 （1）L1的合成方法： （2）L2的合成方法： （3）L3的合成方法： 2 目标产物的制备及其可能结构 （1）硅胺钙的合成 11

19、（2）L1钙配合物的合成： （3）L2钙配合物的合成： （3）L2钙配合物的合成： 五五五五 可行性分析可行性分析可行性分析可行性分析 1. 该课题是在检索大量文献的基础上提出的，理论上具有合理性。并且已有相关的碱土金属配合物的文献报道，这些都表明合成路线是可行的。 2. 所需的大部分反应原料可以直接购买或参考文献方法合成，研究中所需的仪器设备条件，安徽大学基本齐备，大部分分析测试（如红外、紫外、核磁、HPLC、GPC等）可在本院完成。 3. 已经合成了三个目标配体并对其进行了表征，验证了配体是所需的目标配体。同时也 12探索了配合物的合成方法和条件。 六六六六 时间安排时间安排时间安排时间安

20、排 10年9月-11年1月 ：配体的制备及结构表征 11年3月-11年12月：配合物的合成及其催化性能测试 12年1月-12年5月：撰写论文及毕业论文答辩 参考文献参考文献参考文献参考文献： 1. 计亮年;莫庭焕.生物无机化学导论M.Vol.第一版.中山大学出版社: 1992 : 39-61, 84-85, 258-295. 2. 谈芸;唐智萍.为健康加镁M.华东师范大学出版社:上海:2005:17-18. 3. Glasner,M.E.;Bergman,N.H.;Bartel,D.P.Metal Ion Requirements for Structure and Catalysis of

21、an RNA Ligase Ribozyme.BiochemistryJ2002,41:8103-8112. 4. Glasner,M.E.;Bergman,N.H.;Bartel,D.P.Metal Ion Requirements for Structure and Catalysis of an RNA Ligase Ribozyme.BiochemistryJ2002,41:8103-8112. 5. Kluge,S.;Weston,J.Can a Hydroxide Ligand Trigger a Change in the Coordination Number of Magne

22、sium Ions in Biological Systems?BiochemistryJ2005,44:4877-4885. 6. Cowan,J.A.Metal Activation of Enzymes in Nucleic Acid Biochemistry.Chem.Rev.J1998, 98:1067-1087. 7. Ellis-Davies,G.C.R.Neurobiology with Caged Calcium.Chem.Rev.J2008,108:1603-1613. 8. M. H. Chisholm, J. C. Gallucci, K. Phomphrai, Ino

23、rg. Chem. 2004, 43, 6717. 9. P. Dobrzynski, J. Kasperczyk, M. Bero, Macromolecules 1999, 32, 4735. 10. A. Steffens, H. Schumann, Macromol. Symp. 2006, 236, 203. 11. (a) M. R. Crimmin, A. G. M. Barrett, M. S. Hill, P. B. Hitchcock, P. A. Procopiou, Organometallics 2007, 26, 2953; (b) M. R. Crimmin, I

24、. J. Casely, M. S. Hill, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 2042; (c) F. Buch, J. Brettar, S. Harder, Angew. Chem., Int. Ed. 2006, 45, 2741. 12. K. Chakraborti, H. Shivani, J. Org. Chem. 2006, 71, 5785. 13. S. Kobayashi, S. Saito, T. Tsubogo, J. Am. Chem. Soc.2007, 129, 5364. 14. C. Ruspic, J. Spielmann,

25、S. Harder, Inorg. Chem. 2007, 46, 5320. 1315. L. Orzechowski, S. Harder, Organometallics 2007, 26, 2144. 16. C. Ruspic, S. Nembenna, A. Hofmeister, J. Magull, S. Harder, H. W. Roesky, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 15000. 17. (a) S. Singh, H. W. Roesky, Dalton Trans. 2007, 1360; (b) R. E. Mulvey, Orga

26、nometallics 2006, 25, 1060; (c) G. B. Nikiforov, H. W. Roesky, P.G. Jones, R. B. Oswald, M. Noltemeyer, Dalton Trans. 2007, 4149; (d) P. M. Gurubasavaraj, H. W. Roesky, P. M. V. Sharma, R. B. Oswald, V. Dolle, R. H. Irmer, Organometallics 2007, 26, 3346; (e) Z. M. Hou, Y. Zhang, H. Tezuka, P. Xie, O

27、liver. Tardif, T. Koizumi, H. Yamazaki, Y. Wakatsuki, J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 10533; (f) T. J. Woodman, M. Schormann, D. L. Hughes, M. Bochmann, Organometallics 2003, 22, 3028; (g) C. K. Simpson, R. E. White, C. N. Carlson, D. A. Wrobleski, C. J. Kuehl, T. P. Hanusa, A. P. Sattelberger, K. D. J

28、ohn, Organometallics 2005, 24, 3685; (h) L. Y. Zhou, Y. M. Yao, C. Li, Y. Zhang, Q. Shen, Organometallic 2006, 25, 2880. 18. (a) M. Shibasaki, N. Yoshikawa, Chem. Rev. 2002, 102, 2187. (b) M. Shibasaki, J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 4418. (c) M. Shibasaki, Tetrahedron 2001, 57, 2569. (d) E. Tokaoka,

29、N. Yoshikawa, Y. M. A. Yamada, H. Sasai, M. Shibasaki, Heterocycles 1997, 46, 157. (g) H. Sasai, M. Hiroi, Y. M. A. Yamada, M Shibasaki, Tetrahedron Lett 1997, 38, 6031. 19. H. T, Sheng, F. Xu, Y. M. Yao, Y. Zhang, Q. Shen, Inorg. Chem. 2007, 46, 7722. 20. H. T, Sheng, L. Y. Zhou, Y. Zhang, Y. M. Ya

30、o, Q. Shen J. Polymer. Sci. Part A. 2007, 45, 1210. (a) A. R. Kennedy, R. E. Mulvey, R. B. Rowlings, J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 7816; (b) G. C. Forbes, A. R. Kennedy, R. E. Mulvey, P. J. A. Rodger, R. B. Rowlings, J. Chem. Soc., Dalton Trans. 2001, 1477; (c) G. C. Forbes, A. R. Kennedy, R. E. Mulv

31、ey, P. J. A. Rodger, Chem. Commun. 2001, 1400. 七七七七、论文论文论文论文（设计设计设计设计）的创新点及特色的创新点及特色的创新点及特色的创新点及特色： 1. 将桥联双齿配体应用于碱土金属催化剂的设计合成具有明确结构的碱土金属有机配合物，发挥它们在聚合反应及有机反应中的催化效应，特别是应用于环酯单体的可控开环聚合，这到目前为止报道还少。 2. 与其它金属催化剂相比较，碱土金属催化剂由于其突出的生物相容性和一些特殊的反应性能而极俱竞争力，但相关的研究还很少，特别是具有明确结构的催化剂的研究还处于起步阶段。如何提高碱土金属催化剂在聚合反应及有机反应中应用，即如何提高它们的催化性能，这是碱土金属配合物化学中的尚待解决富挑战性的问题，本课题研究催化剂 14结构与催化性能的内在联系，为新型碱土金属催化剂的开发提供理论依据。 学位论文学位论文学位论文学位论文（毕业设计毕业设计毕业设计毕业设计）开题报告会记录开题报告会记录开题报告会记录开题报告会记录 导师导师导师导师1姓名姓名姓名姓名 盛鸿婷 学学学学 号号号号 C200902034 研究研究研究研究 方向方向方向方向 金属有机化学 导师导师导师导师2姓名姓名姓名姓名 研究生姓名研究生姓名研究生姓名研究生姓名 焦永华 论文题目论文题目论文题目