（无机化学专业论文）手性镧系配合物的合成、表征及不对称催化性质研究.pdf

摘要 本文合成了d 樟脑b 磺酸、l 半胱氨酸两大系列手性s c h i 蹶配体和5 2 个新的手 性镧系s e h i 栅或配合物，通过元素分析、摩尔电导、紫外可见光谱( i r v - v i s ) 、红外光 ( i r ) 、核磁共振波谱f n m r ) 、x 射线光电予能谱( x p s ) 、圆二色光谱( c d ) 、热分析 等分析测试手段对所合成的两大系列配合物进行了结构表征；研究了部分配合物在不 p 令成0 l 芳基丙酸反应中的催化活性。研究表明，所合成的手性配合物在该反应中 表：一定的不对称催化活性。 ( 1 ) 首次由手性d 樟脑b 磺酸盐与四种不同的胺( 羟胺、氨基脲、邻硝基苯肼 及邻甲苯胺) 以一定的摩尔比反应得到了四种n 樟脑b 磺酸手性s e h i 归瞅配体；与 l n c l 3 反应，合成了四大系列3 2 个新的d 樟脑1 3 磺酸手性s c h i f f 碱镧系配合物；通过元 素分析、红外光谱等分析测试手段对所合成的系列配体及其配合物进行了结构表征； 对配体及其配合物提出了可能的键合方式：通过对部分配合物c d 光谱的测定，确定 了配合物的可能构型。 ( 2 ) 首次由手性l 半胱氨酸盐酸盐与三种不同的羰基化合物( 苯乙酮、苯偶姻、 乙酰丙酮) 以一定的摩尔比反应得到了三种新的手性s c h i f f 碱配体；配体与不同的镧 系氯化物反应，得到t 2 0 个新的手性镧系配合物；对所合成的系列配体及其配合物进 行了结构表征；对配合物提出了可能的键合方式；通过对苯乙酮l 半胱氨酸手性 s c h i 蹴稀土配合物c d 谱的测定，得到了与文献报道相同的规律：氨基酸残基的构型 决定手性氨基酸稀土配合物的c d 光谱：残基为l 构型，c d 光谱在长波处表现为正的 c o t t o n 效应，在短波处表现为负的c o t t o n 效应，若为d 。型，则相反。 ( 3 ) 在手性配合物的催化下，以( 6 甲氧基2 萘基) 丙酮为原料，采用1 , 2 芳基“一 锅”重排的不对称合成方法，即缩酮、溴化、重排、水解等多步合一的实验方法，得 到了光学活性与化学收率均较高的光学活性产物芳基丙酸 ( s ) ( + ) 一萘普生 。研究 表明，所合成的手性配合物在此反应中有一定的手性催化作用；与传统的分步法相比， 合成路线短，操作简单，化学收率与光学收率均较高，具有一定的优越性。 关键词：d 樟脑- b 一磺酸、l - 半胱氨酸、手性s c h i 嘲配体、c 【一芳基丙酸、不对称催化 a b s t r a c t t w os e r i e so fl i g a n d sd e r i v e df r o md - c a m p h o r - 1 3 s u l f o n a t ea n d1 - c y s t e i n ea n d5 2n e w c h i r a ls c h i f fb a s el a n t h a n i d ec o m p l e x e sh a v eb e e ns y n t h e s i z e da n dc h a r a c t e r i z e db y e l e m e n t a la n a l y s i s ，t h e r m a la n a l y s i s ，m o l a rc o n d u c t a n c e ，u v - v i s ，i rn m r , x p sa n dc d s p e c 仃a t h ep o s s i b l eb i n d i n g s t r u c t u r eo ft h e s ec o m p l e x e sh a sb e e np r o p o s e d t h e c a t a l y t i cp r o p e r t i e so fc h i r a ll a n t h a n i d ec o m p l e x e si na s y m m e t r i cs y n t h e s i so fi f , - a r y l p r o p a n o i ca c i dh a v ea l s ob e e ns t u d i e d i th a sb e e nf o u n dt h a ts o m eo ft h e s ec o m p l e x e s h a v es h o w ng o o dc a t a l y t i ca c t i v i t y ( 1 ) f o u rn e wc h i r a ld - c a m p h o r - 1 3 - s u l f o n a t es c h i f fb a s el i g a n d sh a v eb e e np r e p a r e d f i r s t l yf r o md - c a m p h o r - 1 3 - s u l f o n a t ea n dd i f f e r e n ta m i n e ( h y d r o x y l a m i n e ，a m i n o t h i o u r e a ， p - m t r o p h e n y l h y d r a z i n e ，o - m e t h y la n i l i n e ) ；i t sc h i m ll a n t h a n i d ec o m p l e x e sh a v eb e e n s y n t h e s i z e da n dc h a r a c t e r i z e db ye l e m e n t a la n a l y s i s ，t h e r m a la n a l y s i s ，m o l a rc o n d u c t a n c e ， u v - v i s ，i r , n m i lx p sa n dc ds p e c t r a t h ep o s s i b l eb i n d i n gm o d e l so ft h e s ec o m p l e x e s h a v ea l s ob e e nd i s c u s s e d ( 2 ) t h r e en e wc h i r a ll - c y s t e i n es c h i f fb a s el i g a n d sh a v eb e e np r e p a r e df i r s t l yb yt h e r e a c t i o no fl - c y s t e i n eh y d r o c h l o m t ew i t hd i f f e r e n to x oc o m p o u n d ( a c e t y l b e n z e n e ，b e n z o i n a n da c e t y l a c e t o n e ) a n d2 0n e wc h i r a ls c h i f fb a s el a n t h a n i d e c o m p o u n d sh a v eb e e n s y n t h e s i z e df r o m t h el i g a n d sa n dt h em e t a ls a l t s t h e s e c o m p o u n d s h a v eb e e n c h a r a c t e r i z e db ye l e m e n t a la n a l y s i s ，t h e r m a la n a l y s i s ，m o l a rc o n d u c t a n c e ，u v - s ，i r ， n m r ，x p sa n dc ds p e c 仃a t h ep o s s i b l eb i n d i n gm o d e l so ft h e s ec o m p l e x e sh a v eb e e n p r o p o s e d ( 3 ) o p t i c a la c t i v e 一a r y lp r o p a n o i ca c i dh a sb e e ns y n t h e s i z e di nh i 曲y i e l d ss t a r t i n g f r o m ( 6 - m e t h o x y 一2 - n a p h t h y l ) p r o p a n 一1 - o n ec a t a l y z e db yt h ec h i r a ll a n t h a n i d ec o m p l e x e s i n “o n e p o t ”t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e s ec h i r a lc a t a l y s t sp r e p a r e dh a v eh i g hc a t a l y t i c a c t i v i t yo nac e r t a i ne x t e n t m ah o n g z h u ( i n o r g a n i cc h e m i s t r y ) d i r e c t e db ys h iq i z h e n k e y w o r d s ：d - c a m p h o r - 1 3 一s u l f o n a t e ，l - c y s t e i n e ，c h i r a ls c h i f fb a s el i g a n d ，一a r y lp r o p a n o i c a c i d ，a s y m m e t r i cc a t a l y s i s i i 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学 位期间论文丁作的知识产权单位属于西北大学。学校有权保留并向国家有 关部fj 或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。 学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时，本人保 证，毕业后结合学位沦文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论义作者签名：曼兰兰! !指导教师签名：鉴墨主童 二y 年弓月牛日 a f 年弓月年日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除1 广文中特别加以标注和致谢的地方外，本 论文彳i 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北人 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：马事z t 删r 年弓月年日 第一章手性s c h 衙碱镧系配合物及不对称催化研究进展 p r o g r e s si nc h i r a ll a n t h a n i d ec o m p l e x e sa n da s y m m e t r i cc a t a l y s i s 1 0 引言 自1 9 6 8 年d u t tn k 和n a gk 。发表了第一篇以s c h i f f 碱 双水杨醛缩乙二胺 ( h 2 s a l e n ) 为配体的稀土配合物论文以来，作为配位化学的一个新领域卜7 ，有关稀土 配合物因其潜在的生物、催化活性，可以作为核磁共振的手性位移试剂及在发光塑料 中的特殊用途以及催化不对称合成等研究备受关注8 - 1 5 近2 0 年来，手性合成作为有机化学的前沿领域之一，备受人们青睐1 6 2 0 。而手性 合成中的不对称催化，更是以其独特的魅力，引起世界各国科学家的兴趣2 。2 6 。不对称 催化中的关键步骤是手性中心的形成，一般需要设计合理的手性金属配合物，精确控 制反应的进攻方位，从而产生高旋光纯度的手性化合物。在手性金属配合物的设计中， 主要由金属中心( 目p l e w i s 酸中心) 和手性配体组成手性催化剂。其中，中心金属直接 决定其催化活性，而立体选择性的高低则取决于具有特殊立体结构的手性配体。可见 配体的选择与合成往往直接影响到手性识别的效果，即手性产物的选择性与产率。 经研究发现，在不对称催化方面，手性稀士配合物作为一类新型的手性催化剂， 可以催化d i d s a l d e r 反应、h e t e m d i e l s a l d e r 反应、酮的还原反应、醛的硅氰化反应、 烯酮的环氧化反应、羰基的还原反应等多种不对称反应，并具有十分突出的优势3 。 不对称合成的核心问题是手性中心的产生与控制，因此人们对手性配体的研究较 为深入，已经出现了上千种不同结构的手性配体与手性配合物，用于不对称催化反应。 下面扼要从手性镧系配合物的基本类型、合成及应用，尤其是在不对称合成中的应用 等方面分别加以综述。 1 1 手性镧系配合物的基本类型 由于手性稀土配合物在催化等领域的广泛应用，使这方面的研究备受关注。目前 已出现了上千种不同结构的手性配体。下面根据配体中所含的配位原子一给体的不同 对手性镧系配合物的基本类型予以介绍。 1 1 1 含。给体的手性镧系配合物 含0 配体多为阴离子型与中性化合物。其中常见的阴离子型的配体有：b 一二酮类 配体、二元醇配体、烷氧基配体、联萘酚类配体、膦酸盐配体、樟脑磺酸类配体等； 而中性的配体中聚醚类配体最为常见。 l 。1 1 1 b 一二酮类配体 早在2 0 世纪初，b 一二酮类镧系配合物，如： l n ( t h d ) 3 ( t h d - - t b u c ( o ) c h c ( o ) b u ) 已经被发现并合成，主要用作核磁共振的位移试剂及l e w i s 酸催化剂。这是镧系配合 物在立体选择性反应中应用最早的例子2 7 2 8 。为了考察b 一二酮类配体与稀金属配合 物的结构特点、配位稳定性，特别是配体的结构对位移效果的影响，w h i t e s i d e s 将手 性取代基引入$ 一二酮类化合物形成手性配体，合成了一系列手性p 一二酮类配体及e u 配合物2 9 邯，但这些配合物的单晶都没有得到。 另外，稀土- 与1 3 一二酮类的配合物在新型发光材料、光能转换农膜、有机薄膜电致 发光( o e l ) 、l b 膜、发光二极管、紫外荧光材料及器件、光纤传感器、荧光防伪标记、 免疫荧光分析、痕量元素分析、免疫试剂等方面已有广泛的研究及应用3 1 泓。p 一二酮 与稀土离子配位后增大了共轭体系，能提高配合物的分子内能量传递量子产率，从而 可以得到高效荧光材料。这类荧光体易分散到有机材料中，易与无机或有机分子组装， 且具有光热稳定性好等优点，并受到人们重视。目前，对1 3 一二酮类稀土荧光配合物研 究较多的主要有2 ，2 - 联吡啶( b i p y ) 、邻菲咯啉( p h e n ) 或其氧化产物p h e n 0 2 、p h e n n o 等 形成的三元配合物，开拓了新的荧光体系，一些新型中性协同配体也因此引起了人们 的重视。 1 1 1 2 二元醇配体3 5 。3 6 g u s e i n o v 等人于1 9 7 6 年首次报道了手性薄荷醇和硼的配合物对选择催化环戊二烯 和丙烯酸甲酯加成反应的研究，并获得3 e e 的产物。虽然产物的对映选择性很低，但 这是不对称催化d i e l s a l d e r 反应的开端。1 9 7 9 年，k o g a 等用二氯化薄荷醇合铝催化环 戊二烯和2 一甲基丙烯醛的加成反应并获得7 2 e e 的光学活性产物，这是第一例获得 较高对映选择性的催化体系，所以引起了有关化学工作者的广泛关注。事实证明，手性 二元醇作为配体比一元醇的选择性更好。在手性二元醇中，最令人感兴趣和研究得较 多的是手性1 ，4 - 二醇及其衍生物( t a d 2 d o l s ) ( 图1 1 ) 。 r r 图1 - 1 手性1 ，4 - 二醇及其衍生物( t a d 2 d o l s ) 2 1 , 1 1 3 联萘酚配体3 7 4 2 侈，仁一联蒸酚( 简称联萘酚，b i n o l ) 为白色针状结晶或粉末。化学式为c 2 沮1 4 0 2 ， 学名为2 ，2 二羟基1 ，1 联萘，熔点2 1 8 。g 。溶于醚和碱液，微溶于醇，难溶于氯仿， 不溶于水，在沸点时升华。广泛应用于有机合成、染料制备等领域。 图1 2b i n o l 结构 由于连接两个萘酚单元的c c 单键旋转受阻，d 联萘酚是一种很好的具有光学活 性的手性配体。b 一联萘酚的绝对构型于1 9 6 8 年通过x 一射线衍射才被确定。两个萘酚 环问的二面角具有弹性( 4 5 1 1 0 。) ，可以与许多会属离予发生配位。2 ，2 二羟基- 1 ，1 一 联萘( 联萘酚) 及其衍生物是近年来被研究较多的c 2 轴不对称芳香化合物，这种结构具 有很强的手性诱导作用，可认为是中心手性的延伸。同时由于萘环的存在，在紫外灯 下可以发出很强的荧光，使产物便于观察，因此在有机合成中尤其是在立体选择性反 应中，联萘酚是一个用途很广泛的化合物，它在有机合成、染料、农药尤其是特种医 药等行业有着重要的用途：作为拆分试剂，联萘酚中的两个羟基可与某些化合物以氢 键形成分子络合物，利用形成的一对非对映异构体的分子络合物的性质差异达到拆分 异构体的目的；联萘酚与四氢化铝锂的配合物可作为不对称还原剂：与二乙基锌生成 的配合物作为引发剂可参与取代硫杂环丙烷的立体选择性聚合反应，其作用与酶相 似；作为不对称诱导试剂参与联芳烃的不对称合成，可得到高光纯度的联芳烃化合物； 锌配合物作为不对称催化剂参与不饱和醛的分子内环化反应，可直接由不饱和醛一步 反应合成高光学活性的环醇，为不对称合成化学及天然物的合成研究提供了一条很有 价值的新路线。 1 9 9 7 年，m i k a m i 等用催化量的联萘酚钛配合物和光学纯联萘酚共同使用，催化 不对称合成反应，获得了比单用光学纯联萘酚钛化合物更高的产率和e e 值，这一发 现更扩展了联萘酚的用途。由此可知，该类化合物的确是一种很有前途的配体。 它与金属形成的配合物对d i e t s - a l d e r 反应有较好的对跌选择性催化作用，一般 金属配合物催化d i e l s a l d e r 反应只有在低温下( 通常7 8 ( 2 ) 才有良好的对映选择性。 但联萘酚与稀土形成的配合物，反应温度即使升到2 3 ，如3 ( 2 丁烯酰基) 1 ，3 一嗯唑 烷2 酮与环戊二烯反应的内型产物e e 值仍然可以高达9 0 。 1 1 1 a 磷酸酯类配合物4 3 埘 磷酸酯是一种给电子化合物，可以与多种金属形成配合物，因而被广泛地应用于 硝酸及硝酸盐类化合物的萃取。另外磷酸酯酶模型是近年来在化学模拟生物体系的研 究中比较活跃的领域之一。研究磷酸酯酶模型对深入认识天然酶催化机制与设计新的 高效催化剂具有重要作用。 由手性双萘酚衍生柬的磷酸酯配体由n a b n p 与l n c l 3 ：反应而来，该配合物已成功 地被用作立体选择性的t e w i s i 酸催化剂： 3 n ar b n p 另一个由联萘酚衍生的手性含磷配体是双磷酸( h 4 l ，图1 - 3 ) ：小心地蒸发l n ( n o ；) 3 或l r ( c 1 0 4 ) s 与双磷酸的甲醇溶液，可得到组成为 l n ( h 2 l ) ( h 3 l ) ( h 2 0 ) 4 】1 2 i - 1 2 - 0 的八配 位、双萘基双磷酸根桥联的配合物，分子具有手性框架结构： 图1 - 3 双磷酸h 4 l 结构 1 1 1 5 大环冠醚配合物4 5 1 9 8 0 年代，曾兴起研究稀土冠醚类配合物的热潮，一般是合成稀土无机配合物。 1 5 - 冠一5 硝酸铈的晶体分子中，金属铈离子与1 5 冠5 的5 个氧原子配位，但它们并不共 面，而是构成“伞”型，金属铈离子位于“伞”顶。同时，研究表明，当冠醚种类、 溶剂、会属离子价态一定时，冠醚与金属离子的配位主要取决于冠醚分子孔穴和金属 离子直径的大小。1 9 9 0 年代，冠醚类稀土金属有机配合物的合成成为研究热点，但至 今报道的主要是以含氮冠醚为配体的稀土会属有机配合物，而以全氧冠醚为配体的 稀土金属有机化合物未见报道。由于含氮冠醚与金属离子间配位有共价键存在，而含 氧冠醚与金属离子的配位键属离子偶极型，同时冠醚空间位阻较大，这就给全氧冠 醚的配位带来了一定的困难。 1 9 7 6 年以来出现了不少双氮杂冠醚配合物的报道，而单氮杂冠醚镧系离予配合物 直到1 9 9 1 年才见报道，至今这方面的工作仍然很少。由于配体中引入不对称原子，镧 系离子手性氮杂冠醚配合物便具有独特的手性光谱学性质。镧系配合物的手性光谱对 配合物的电子能态结构、配体的几何构型及配合物与环境之间的相互作用极其敏感， 故镧系手性冠醚配合物可作为手性光谱探针，用于镧系配合物的结构研究。 1 1 2 含n 给体的手性镧系配合物- - s c h i f f 碱形成的手性镧系配合物 s c k i 御峨是s c h i f f h 于1 9 6 4 年首先发现而得名，它是指含有碳氮双键的亚甲胺基团 ( r c = n ) 特性的一类配合物，通常是由伯胺与活泼羰基化合物所形成。早期的研究一 般为缩胺类s c h i 仃碱。s c h i 蹴类化合物具有抑菌、杀菌、抗肿瘤、抗病毒的生物活性， 且其生物活性与金属配合物有关。一直是引人注目的研究对象。目前，s c h i 行嘁类化 合物及其配合物在医学、催化、分析化学、腐蚀以及光致变色领域有着重要的应用。 s c h i f f 碱是一种较为理想的螯合剂，比较稳定，并能与多种金属离子形成稳定的、 性质各异的配合物。作为含氮化合物，s c h i f 蹴的某些大环或多齿配位体在结构上与 卟啉环及酞菁环十分相似。后者的某些金属配合物模拟细胞色素p 4 5 0 的催化活性已 得到了充分证实，而s c h i f f 碱的某些金属配合物( 女f l s a l e n ) 模拟细胞色素p 4 5 0 的催化活 性也已有报道。由于某些稀土s c h i 册b 合物具有抗肿瘤活性和仿酶催化活性，引起了人 们对这类化合物的浓厚兴趣，有关报道越来越多。 s c h i 御藏的合成相对容易。灵活选择各种胺类与带有羰基的不同醛和酮进行反应， 改变连接的取代基，改变给予体原子本性及位置，可开拓出许多从链状到环合、从单 齿到多齿，性能不同、结构多变的配体。由于易与大部分金属离子形成配合物，所以 s c h i f 碱在配位化学中也占据重要的地位。 手性是人类赖以生存的自然界的本质属性之一。随着不对称合成的研究的不断深 入，手性催化剂的研究越来越受到人们的重视。手性s c h i 蹴及其配合物在合成上具 有极大的灵活性和良好的络合作用，以此类配体合成的配合物具有优秀的磁学性质， 可用于开发新型材料；其特殊的催化行为，可用做氧载体和氧化反应催化剂，备受人 们关注，利用其杀菌抗癌等生物活性，可作为临床用金属螫合剂及生物模拟过程的模 拟分子。m e u n i e r b4 6 总结了1 9 9 1 年以来j a c o b e n 课题组的研究成果，在次氯酸钠锰手 性s c h i 卿盛配合物体系中单烯烃的环氧化催化对映选择性的进展情况；o g u n i 4 7 则总结 了手性氨基酸s c h i f f - t i ( i v ) 催化剂催化的各种醛的硅氰化反应以及烯与醛反应的对映 选择性。h a y a s h im4 8 对钛的手性s c h i f f 碱配合物催化剂的设计进行了总结；v a nd e v e l d ef r e d 4 9 等则对钒手性s c h i f f 碱配合物的磺化氧化催化反应对映选择性进行了系 统总结；1 9 9 8 年，i s h i d a h 5 0 对s c h i f 两我进行了总结，手性s c h i 御或将成为合成氨基酸 的中间体，在不对称合成的分子设计中也将具有较为广阔的应用前景；o g u n in 5 1 系 统总结了手性s c h i f f 喊金属配合物在不对称化学中的应用；r o b e r t a 和m e u n i e r b5 2 等 总结了手性s c h i 御减金属配合物在生物催化和仿生催化氧化的进展情况；2 0 0 2 年 a s p i n a l l 3 总结了手性镧系配合物的配位化学及其应用。 1 1 2 1 双( 嚼唑啉) 类配体纷5 8 c 2 型轴对称手性双曝唑啉，由于其结构特殊性，作为手性催化剂时，反应物从 正反两面进攻均处于相同的手性环境中，故通常能得到良好的不对称催化效果。近年 来，作为手性催化剂，手性双嗯唑啉被证明在许多不对称反应中都是很好的手性配体， 它可与c u 、m g 、n i 、p d 、z n 、r h 等多种金属配位，人们已经合成多种结构类型的手 性双嗯唑啉( 图1 4 ) ，并将这些配体应用于不对称烯丙基取代反应、烯丙基氧化反应、 烯烃及亚胺的不对称环丙化反应、d i e l s a l d e r 反应、羟醛缩合、自由基加成反应、亚 胺及醛的亲核加成反应以及硅氰化还原反应等，只需很少量便能获得很高的e e 值。 由于双嚼唑啉配体的优良的不对称催化活性，最近有关双嗯唑啉的固载及其在不 对称合成中的应用已有报道。除了不对称合成方面的应用，双嗯唑啉p y b o x $ 口t h i o b o x 也发现具有手性位移功能。 ab c 图1 4 双嚼唑啉配体及其衍生物的结构 6 双噫哗啉配体是将两个噫唑啉单元修饰在碳链或碳( 杂) 环上而形成的( 图1 - 4 a ) ， 也可将两个嗯唑修饰在二苯呋喃上的新配体d b f o x p h ( 图1 - 4 b ) ，后者是一种反式三 齿螫合配体，可与p d 、n i 、c u 、m n 等多种金属配位，其金属配合物具有极高的稳定 性和催化活性1 可抵抗各种亲核试剂如醚、水、醇、酸、胺的进攻，可敞口置于空气 中数月都不失其催化活性。由于其性质稳定，催化性能优良，在很多不对称合成中得 到了应用。h i d e l i k o 等将双嚷畔啉单元修饰在1 ，1 联二萘酚上，形成了b i n o l b o x 配 体( 图卜4 c ) ，这种配体的金属配合物在催化二乙基锌对醛的不对称亲核加成反应中显 示了很高的对映选择性。 可见，随着一系列新型配体的出现，不仅扩展了手性双嚼哗啉金属配合物在催化 不对称反应中的应用，其手性配体的合成也将成为各国科研工作者关注的一个焦点。 1 1 2 2 多毗啶配体5 9 “ 过渡金属多吡啶配合物不仅能够识别核酸的结构，用于d n a 结构探针、d n a 分 子光开关、d n a 介导的电子转移、d n a 足迹试剂和光裂解试剂，还可以作为非放射 性发光或电化学发光的标记物，而且在研究药物作用机制、d n a 控制的基因表达、 抗癌药及特殊的化学治疗药物等方面都具有十分重要的应用价值。 1 9 8 0 年代，美国科学家b a r t o n 在研究配合物与d n a 的作用时发现，由平面多 吡啶配体配位的过渡金属r u 2 + 和c 0 3 + 八面体手性配合物，具有识别二级结构的能力， 从而发展了一种能够识别b 型和z 型d n a 的手性配合物结构探针。 q b p yp h e nt a t p ( b y p ：2 , 2 - 联吡啶；p h e n ：1 ，1 0 邻菲咯啉；t a t p 1 , 4 ，8 ，9 四氮三联苯) 图1 5 多吡啶类配体结构 1 1 2 3 大环s e h i 厕城配体6 1 。6 2 大环s c h i 册或及其配合物是大环化合物研究中最为活跃的领域之一。合成方法主 要是在会属离子存在下，利用二羰基化合物和手性的二胺反应，生成大环s c h i 圩喊， 这种反应通常被称为模板反应，稀土离子是合成大环的有效模板试剂。如利用反式的 环己基二胺与2 ，6 二甲酰吡啶在镧赫存在的条件下缩合，即可得到大环配合物 一，n h 2 l n x 3 + 2 l + 2 。n h 矿铋船 若将冠醚环与s c h i f f 碱键联，可构筑一类含两个或两个以上不同客体分子识别部 位的新配体，并借此研究其异多核配位反应、金属核间的相互作用、电子转移、金属 酶模拟、可逆载氧和仿生催化氧化性能等，这无疑具有重要的理论意义和应用价值。 这类化合物中冠醚单元和s c h i f f 碱单元以一个或两个原子相连，其性质既不同于冠醚， 也不同于s c h i 用喊，但更被人们关注的是键联的冠醚环可能赋予s c h i f f 碱的新特点、新 功能。 另外，如卟啉类、酞菁类、螺环类或茚基等大环结构的配体，在其分子中引入手 性基团，也可以形成手性的s c h i f r 碱大坏配合物。 1 1 3 含o 、n 混合给体的手性镧系配合物 日本k a b a y a s h i 报道利用杂化的o ，n - 给体大环配体在手性催化剂l n c o t f ) 3 存在下 合成了p r 的手性配合物 p r ( l ) ( n 0 3 ) 2 i n 0 3 】，并确定了其晶体结构”。常见的有s a l e n 类金属s c h i f f 碱配合物和氨基酸型s c h i f f 碱配体所形成的配合物6 4 - 6 6 。 1 1 3 1s a w n 类金属s c h i f f 碱配合物5 5 s a l e n 是n ，n 一b i s 一( s a l i y l a l d e h y d e ) e t h y l e n d i a m i n e 化合物的缩写，s a l e n 化合物是在 水杨醛与乙二胺形成的四齿s c h i f f 碱的基础上发展起来的。c o m b e s 在1 8 8 9 年研究二酮 与二胺作用时发现并合成了第一个s a l e n 类化合物，随后各类s a l e n 衍生物及其金属配 合物被合成并表征。 近年来s a l e n 类金属s c h i f f 碱配合物得到了广泛的发展和应用。它在不对称催化 方面显示了极高的应用价值。作为不对称催化剂，s a l e n l 驼, 合物以其结构简单、配合 物种类多样化、合成路线简单、催化剂易于回收利用等优点，越来越受到科学家的青 睐，被广泛应用于烯烃的不对称环氧化、酯化、不对称氮杂环丙烷化、硫氧化、不对 称氨基酸的合成、内消旋环氧化物不对称开环、外消旋化合物的水解动力学拆分等各 类反应。 s a l e n 配合物中氦、氧同时与会属离子配位，与生物环境比较接近，在分子识别 领域也引起人们的兴趣。手性s a l e n 金属配合物作为构建分子识别体系的一类新型的 主体骨架，具有以下几个方面的优势：( 1 ) 许多手性骨架可从工业的手性二胺制各得 到；( 2 ) 与客体配位后，在可见或紫外区域能够检测到：( 3 ) 主体骨架的空间和立体大 小可以控制；( 4 ) 可以通过中心金属的几何构型调节识别位点之间的距离。目前，对 手性s a l e n 配合物的分子识别研究工作尚未深入，仅局限于对糖类、核酸类的分子识 别研究。 1 1 3 2 氨基酸型s e h i f 缄配体 氨基取代酸有、p 、y 等类型，当氨基酸s c h i 蹴与稀土发生配位时，配体通过亚 甲胺上的氮、羧基上的氧与稀土形成五、六或七元螯合环，由于六元螯合环的张力最 小、最稳定。报道较多的，如邻氨基苯甲酸s c h i 卿戎稀土配合物( 图1 - 6 ) ，配体通过酚 羟基上的氧、亚甲胺基的氮及羧基氧与稀土离子l n 3 + 发生配位，形成了两个六元螯合 环，使配合物的结构更加稳定。 图1 - 6 氨基酸s c h i 蹴稀土配合物的结构 氨基酸s c h i f f 碱同时含有氮、氧等多个配位原子，氨基酸s c h i 册盛及金属配合物， 广泛用作金属离子测定的络合剂、稳定剂、金属防腐、抗菌、抗癌药物、维生素b 6 转氨催化剂、0 2 或n 2 载体生物模型、氧化反应催化剂、氨基酸拆分、氨基酸不对称合 成及非蛋白质类氨基酸的制各等许多应用研究领域。所以氨基酸s c h i f f 碱是一类很有 意义的生物配体，研究此类配体形成的配合物，有助于了解生物体内金属离子与蛋白 质问的键合作用，从而进行生物模拟。 1 1 4 含s 给体的s e h 埘碱手性镧系配合物6 7 舶 含s 给体的多为含硫s c h i f 蹴配体，这是一类很好的螫合剂，而且几乎所有的含硫 s c h i f 珊戋都具有抑菌和杀菌活性，因此有关报道也较多。在含硫s c h i f f 碱稀土配合物中， 根据配体含硫基团的不同，分为以下几类：含有疏基( s h ) 的s c h i 蹴；磺酰基( 一s 0 2 。) 的s c h i f f 碱；含噻唑环或噻吩环的s c h i f f 碱；缩氨基硫脲型s c h i f f 碱等。 1 1 5 含p 给体的手性镧系配合物一双膦配体形成的手性镧系配合物 过渡金属离子与2 ，2 双( 二苯基膦基) 1 ，1 联萘( b i n a p ，图1 7 ) 形成的配合物催 化烯烃、羰基化合物均相不对称氢化方面的研究，在过去二十年取得了很大的进展。 n o y o r i 等合成的配体手性诱导能力最强。使用其与钉( r u ) 或铑( r h ) 形成的配合物 作催化剂，能使不对称反应产物( 主要指烯烃和羰基化合物的不对称氢化及烯烃异构 化产物) 的光学纯度接近1 0 0 。这类配合物具有良好的不对称催化性能，这与配体所 具有特殊空间结构有关。首先，配体中磷原子上的取代基都是芳香取代基，取代基能 对与中心金属离子配位的其它配体产生很强的空间影响( 立体化学影响) ，并且有利于 增强金属配合物的l e w i s 酸酸性，同时提高了配合物的稳定性；其次，配体具有c 2 对称轴，其构象还具有柔韧性，在不带来明显扭转张力的情况下，萘环可绕联萘轴转 动，从而可以与多种大小不同的金属离子配位。 图1 7 ( r ) b i n a p 结构 1 1 6 具有手性轴的手性镧系配合物一手性二茂铁类配体7 0 。7 1 自从u g i 等人在1 9 7 0 年完成了制备和拆分n ，n 二甲基一1 - 二茂铁基乙胺( f a ) 的里 程碑式的工作以来，以手性二茂铁为配体的不对称催化反应的研究得到了蓬勃的发 展。二茂铁具有良好的电子效应和独特的刚性骨架结构，是手性催化剂的理想原料。 设计并合成高效手性二茂铁类配体是当前研究热点课题之一。 手性二茂铁配体大致可分为三类：中心手性二茂铁、平面手性二茂铁和少量的轴 手性二茂铁。中心手性是指茂环的取代基中含有碳、氮、磷等手性原子；平面手性是 指二茂铁同一茂环上连有两个不同官能团的取代基；轴手性是指含有手性轴的二茂铁 配体，这类化合物的例子相对较少。 实现不对称催化的关键在于要有与底物立体构型相匹配的催化剂。其中，如何设 计对特定反应有高效立体选择性的手性配体是设计该催化剂的关键。 近年来的研究表明，含膦、氮的二茂铁配体在许多种类的不对称催化中有较高的 立体选择性，是未来有机合成的重要研究领域，有广泛的应用i 景。从1 9 8 0 年代初开 始，手性二茂铁膦配体以其特殊的刚性骨架结构和良好的电子效应从众多的手性配体 中脱颖而出( 图1 _ 8 ) 。其优异的催化活性和对映选择性引起了许多化学工作者的关注。 手性二茂铁膦配体可以用于各种不对称催化反应：c = c 键的加成反应、羰基化合物的 硅氰化反应、酮的加氢还原与不对称氢转移反应、烯丙酯的亲核取代、烯丙基的不对 称胺化、环氧化反应、交叉偶联反应、不对称环加成反应等。可以预见，手性二茂铁 类膦配体作为一类很有前途的催化剂，随着对其膦配体结构的不断修饰、改进，将在 不对称合成手性药物、天然产物以及非线性材料等许多领域发挥出更大的作用。 图1 - 8 含吡唑的二茂铁单膦配体 随着不对称合成研究的不断深入，手性催化剂的研究越来越受到人们的重视。手 性s c h i f f 碱形成的金属配合物作为手性催化剂在不对称烯烃的环氧化、氮杂环丙烷 化、环丙烷化和其它催化反应中的研究备受人们关注；但这类催化剂往往存在合成成 本高，或不易大量合成等缺点，使其应用受到极大限制。 1 2 手性镧系配合物的合成 手性配合物的合成发展于1 9 8 0 年代，其中以b e l o k o n 等人的研究工作最具代表 性7 2 。众所周知，分子中的潜手性基团或手性面的手性识别是重要的生化现象之一， 其中吡哆醛磷酸辅酶最为典型。在此基础上，将l m o l c o c h 与2 m o l 水杨醛与2 t o o l 氨基酸反应，合成了具有手性轴的配合物： a ，树 3 a 3 b3 c3 d3 e3 f x h c h 3 h c h 3c h 3 h y hh c i - i ( c h 3 ) 2c h ( c h 3 ) 2c h ( c h 3 ) o hc h ( c h 3 ) o h 单晶衍射实验证实，氨基酸与水杨醛形成的s c h i f f 碱为平面三齿配体，两分子 s c h i f f 碱配体相互垂直，同时与金属配位，形成八面体。分子中只存在c 2 轴，因此具 有手性。按照配体相对于c 2 轴的左右手排列方式，其构型被定义为a 或。其中 3 a 的a 和为对映体关系，其他3 b 3 f 的a 和为非对映体关系。 相对于合成容易且结构稳定的过渡金属螯合物，手性镧系配合物就非常不稳定， 具有不稳定的立体结构，在溶液中要得到立体构型的配合物几乎都要求使用手性的配 体，合成非常不易。常见手性配体的合成方法综述如下。 1 2 1 联萘酚( b i n o l ) 类配合物的合成7 3 。7 4 由于l ，1 - 联萘酚( b i n o l ) 可作为手性配体或手性催化剂的前体，在不对称合成反 应中具有广泛的应用，所以如何得到光学纯的b i n o l 的研究吸引了许多化学家的注 意。制备光学活性的b i n o l 的方法较多，但一般效果较好的是用拆分的方法。通过2 萘酚不对称氧化偶联直接得到b i n o l 的方法也有许多报道，但结果都不理想。近来， k o c o v s k y 等用鹰爪金碱作为手性诱导试剂，在c u c l r 2 h 2 0 存在下，2 萘酚偶联得 b 1 n o l ，其e e 值为1 0 0 ，但产率只有1 4 ，由于鹰爪金碱价格昂贵，限制了该法的 应用。王锐等用廉价易得的苯乙胺作为手性诱导试剂，用无水c u c l 2 代替c u c l 2 - 2 h 2 0 ， 在无水条件下反应，以6 2 的产率和8 0 6 e e 值制得b i n o l ，使通过不对称偶联制备 光活性b i n o l 的方法更具应用价值。 1 2 2 手性双嚼唑啉配体的合成7 5 。6 关于手性双嗯唑啉配体的合成，国内外文献报道了许多方法，总结起来一般有两 种方法：一是由二元羧酸衍生物与6 氨基醇通过加成、环化两步反应制得：也可由经 过一定处理的二元腈与b 氨基醇反应制备。对于具有联芳烃特殊结构的双嗯唑啉配体 还可以通过一些特殊方法来合成。无论哪种方法，b 氨基醇的制各是一个合成的关键 步骤。 最早合成的手性双嗯唑啉是1 9 7 6 年b u i u l a s n k a r l o v i c 从草酸二乙酯出发，经过与 氨基醇缩合、二氯亚砜的氯代、碱催化关环等步骤，以较高的产率得到了手性双嗯唑 啉。自1 9 8 0 年代后期以来，由于催化不对称合成的迅速发展，化学家们发现手性嗯唑 啉具有优良的不对称催化效果，因而合成出了多种结构的手性双嗯唑啉，合成方法也 得到发展。主要有以下两种： 一是从二元腈出发，在h c i 气体存在下先与乙醇反应，制得中间体烯胺盐，再将 其与手性氨基醇缩合，反应得到双嗯唑啉，也可用二元腈与手性二元醇在三氟甲磺酸 作用下得到双嗫唑啉，反应式如下： n 、+ e t 0 h r = h ，t b s 二是以二元酸、酰卤或酯为起始物，将二元酸、酰卤或酯与氨基醇缩合成二元酸 的酰胺醇中间体，经过活化剂活化直接或者再环化得到目标物，主要的活化剂有 s o c l 2 、二乙氨基三氟磺酸( d a s t ) 、三氟甲磺酸和b f 3 o e t 2 、m e 2 s n c l 2 、b u 2 s n c l 2 、 甲磺酸酰、z n c h 等。其中较为普遍的还是s o c h ；n n 碱环化的方法。t o t l e b e n 等在2 0 0 1 年发现使用v i l s m e i e r 试剂用第二种方法，能较大量制备p y b o x 配体。 1 2 3 大环s c h i f f 碱稀土配合物的合成7 7 合成大环s c h i 蹴稀土配合物多采用模板合成法。它是将金属离子作为“模板剂”， 促使小分子有机物定向缩合成较大分子的有机配体并形成配合物。利用模板反应合成 配合物，成功的关键在于金属离子对配位原子的亲合力。过渡金属及稀土离子对n 、 o 、s 等原子有较强的亲合力，比较适合s c h i f 躐配合物的模扳合成。 在模板合成法中，稀土的离子半径在模板效应中起着重要的作用。当稀土离子半 径与大环半径不匹配时，稀土离子为无效模板。随着原子序数的增加，稀土离子半径 逐渐减小，稀土离予与配体物质的量之比逐渐增大。 通常，只要将金属离子、羰基化合物与胺类按一定的顺序在一定的条件下混合反 应，便可获得预期的产物，方法简便易行。所以通过模板反应合成大环s c h i f 嘲稀土 配合物的突出优点是产率高、选择性好、操作简便、反应时间短。 由于小的有机分子更易进入某些固体材料的内部，利用模板合成法可能很易将 s c h i f f 碱配合物固载于某些载体(