（应用化学专业论文）不对称Nlt2gtOlt2gt螯合配体及其手性锆配合物的合成.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 关于手性金属配合物的研究在近2 0 年中得到了迅速发展，不论在基础研究还是开发 手性技术方面都取得了很大的成功，它已成为现在有机化学中最为活跃的研究领域之 一。手性金属配合物的主要用途是作为催化剂在手性催化反应中应用，近年来一些高活 性手性催化剂的开发应用越来越引起人们的重视。本课题组前期的实验结果表明，用所 设计合成的叔丁基取代的不对称n 2 0 2 配体与z r c h 反应可以得到相应的手性双核锆配合 物。为了进一步深入研究这类配合物的结构特征，我们设计合成了六个新型不对称n 2 0 2 配体以及相应的锆配合物，并且通过了1 hn m r 、m s 和元素分析等测试手段对配合物以 及配体的结构进行了表征。通过研究配合物的单晶结构，我们发现叔丁基取代的不对称 n 2 0 2 配体与z r c l 4 反应生成的锆配合物为氧桥和羟基桥连接的双核锆配合物，中间过程 涉及单核锆配合物中氯原子部分水解，并得到氯原子部分水解的双核锆配合物和全部水 解的四核锆配合物的晶体结构，在晶体培养过程中发现双核锆配合物能够以手性自发拆 分结晶析出。 通过进一步对叔丁基取代的不对称n 2 0 2 配位双核锆配合物的晶体培养的方法、溶 剂、以及温度等因素进行优化，成功的缩短了晶体的生长时间，并在不断地尝试中得到 了体积较大的单晶以进行下一步的研究。通过对叔丁基取代的不对称n 2 0 2 配位双核锆配 合物的单晶进行圆二光谱的测试，明确了两种不同宝闻构型的对映异构体的圆二光谱信 号。并且该配合物具有多个活泼的氯原子，有望在碳金属化反应等手性催化反应中进行 应用。如果能够成功拆分，则这类锆配合物则能够在不对称催化反应中具有明显的应用 前景，关于这类手性锆配合物的拆分方法和其在不对称催化反应中的应用都值得继续深 入研究。这种由非手性化合物作为起始原料经过绝对不对称合成、自发拆分结晶并最终 作为催化剂应用到手性催化有机反应中的研究，对手性起源问题的探索有重要的意义。 关键词：；不对称n 2 0 ：配体；手性金属锆配合物；自发拆分结晶；绝对不对称合成 大连理工大学硕士学位论文 t h e i rc h i r a ls y n t h e s i so fs y m m e t r i cn 2 0 2l i g a n d s a n dz r ( i y ) c o m p l e x e s a b s t r a c t t h er e s e a r c ho l lt h ec h i r a lm e t a lc o m p e x e sh a v eb e e nd e v e l o p e dr a p i d e l yi nt h er e c e n t l y2 0 y e a r s ，w h i c hh a v ea l lo b t a i n e dt h eg r e a ts u c c e s si nb e t ht h eb a s i cr e s e a r c ha n dt h e d e v e l o p m e n tc h i r a l t e c h n o l o g y t h ec h i r a lm e t a lc o m p l e x e sa r em a i n l yu s e do nt h ee h i r a l c a t a l y t i cr e a c t i o na sc a t a l y z e r i nr e c e n ty e a r s ，s o m eh i g ha c t i v i t yc h i l 面c a t a l y s t sb r o u g h tm o r e a n dm o r ep e o p l e sa t t e n t i o n p r e v i o u ss t u d i e si no u rg r o u ph a v es h o w e dt h a tt h et e r t - b u t y l s u b s t i t u t e du n s y n u n e t r i c a ln 2 0 2l i g a n da f f o r d sac h i r a ld i n u c l e a rz i r c o n i u mc o m p l e xw h e ni t i sr e a c t e dw i t hz r c h i no r d e rt om a k ef o y t h e ri n v e s t i g a t i o n so i lt h i sp r o m i s i n gs u b j e c t , w e h a v ed e s i g n e da n ds y n t h e s i z e ds i xn e wu n s y m m e t r i c a ln 2 0 2 l i g a n d s a sw e l la s t h e c o r r e s p o n d i n gz i r c o n i u mc o m p l e x e s a l lt h el i g a n d sa n dc o m p l e x e sh a v eb e e nc h a r a c t e r i z e d w i t h1 h - n m r , m sa n de a x r a ys i n g l ec r y s t a ld i f f r a c t i o nr e v e a l st h a tz i r c o n i u mc o m p l e xc o n t a i n i n gt h et e r t - b u t y l s u b s t i t u t e dn 2 0 2h g a n di sa l lo x o - a n dh y d r o x y l - b r i d g e dd i n u c l e a rs t r u c t u r e ，w h i c hi sp o s s i b l y f o r m e db yp a r t i a lh y d r o l y s i so fc h l o r i d e sa to n eo ft h ez i r c o n i u mc e n t e r s at e t r a n u c l e a r z i r c o n i u mc o m p l e xh a sb e e no b t a i n e da n de h a c a t e r i z e d , w h i c hi sf o r m e db yc o m p l e t e h y d r o l y s i so ft h ec h l o r i d e sa tt h ez i r c o n i u mc e n t e r s t h ed i n u c l e a rz i r c o n i u mc o m p l e x c r y s t a l l i z e si nac h i r a ls p a c eg r o u pa sc o n g l o m e r a t e s b yc h a n g i n gt h ec r y s t a l l i z a t i o no l ic o n d i t i o n s s u c h 猫m e t h o d , s o l v e n ta n dt e m p e r a t u r eo f t h ed i n u c l e a rz i r c o n i u mc o m p l e x ，w eh a v eo p t i m i z e dt h ew a yf o rc r y s t a lg r o w t ha n d s u c c e s s f u l l yp r e p a r e ds i n g l ec r y s t a l sw i t hp r o p e rs i z e sf o rf n r t h e rs t u d i e s c i r c l u rd i c h r o i s r n a n a l y s i sh a sb e e nm a d eo l lt h ec h i r a ld i n u c l e a rz i r c o n i u mc o m p l e x e st of i n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h es p a t i a lc o n f i g u r a t i o n sa n dt h ec i r c l u rd i c 船o i s ms i g n a l so ft h et w oe n a n t i o m e r c o m p l e x e s i nt h i sc h i r a ld i n u c l e a rz i r c o n i u mc o m p l e xt h e r ea l et h r e ea c t i v ec h l o r i d e sa t o m s 一i i 不对称n 2 0 z 整合配体及其手性锫配合物的合成 w h i c hm a k e si tap r o m i s i n gc a t a l y s ti ns o m ec a t a l y t i ca s y m m e t r i cr e a c t i o n ss u c ha st h e c a r b o m e t a l a t i o nr e a c t i o n , e t c t h i sk i n do fc o m p o u n d sc a nb ee x p e c t e dt of i n da p p l i c a t i o n si n t h ea s y m m e t r i c a ls y n t h e s e si ft h ec o n g l o m e r a t e sc o u l db er e s o l v e d t h e r e f o r e ，r e s o l u t i o n m e t h o d sa n dt h ep o s s i b l ea p p l i c a t i o n so ft h e s ec h i r a ld i n u c l e a rz i r c o n i u mc o m p l e x e si n c a t a l y t i ca s y m m e t r i cr e a c t i o n sa r ew o r t hf u r t h e rs t u d y i n g s y n t h e s i so fe h i r a lo r g a n o m e t a l l i c c o m p o u n d sf r o ma c h i r a lm a t e r i a l s 。a n dt h e i rp o t e n t i a lu s e i na s y m m e t r i co r g a n i cr e a c t i o n sa r e o fs i g n i f i c a n c ea n dw i l lp r o v i d eu s e f u li n f o r m a t i o nf o rt h er e s e a r c ho nt h eo r i g i no ft h e c h i r a l i t y k e yw o r d s ：；u n s y m m e t r i en z o zl i g a n d s ；c h i r a lz r ( i v ) c o m p l e x e s ；s p o n t a n e o u s r e s o l u t i o n ；c o n g l o m e r a t e ；a b s o l u t ea s y m m e t r i cs y n t h e s i s 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名： 强醛日期：2 塑 6 ：苍 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学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，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 缎逛 导师签名：曼超 业 年月j 篮日 大连理工大学硕士学位论文 引言 手性是一切生命的基本特征。构成生命体系的大多数生物大分子的重要构件仅以单 一的对映体形态存在。随着人们对手性识别过程和对映体在手性环境中性质认识的深 入，对参与生命活动过程的手性化合物，如医药、农药、香料等精细化学品的商品化提 出了越来越严格的要求。许多手性化舍物不允许再以消旋体形式上市，再加上手性化合 物显著的高附加值，手性化合物的合成已经成为制药与精细化工业关注的焦点。因此， 获得光学纯物质已经成为当代化学家所面临的最具挑战性的任务之一。 关于手性起源方面的研究一直困扰着科学界，成为化学、物理学、生物学等多领域 研究的热点。自从发现第一例通过光照结晶由非手性分子出发获得了手性产物的反应， 人们对绝对不对称合成( 由非手性原料通过化学、物理作用最终得到手性产物的合成方 法) 的研究日趋关注。在近4 0 年的研究过程中，人们不断的尝试用光照结晶、化学合 成、圆偏振光和强磁场等方法来完成绝对不对称合成反应。每一种新的方法和绝对不对 称合成反应的的发现都为人们理解和认识手性起源问题积累了科学依据。 在本课题组前期工作基础上，我们设计合成了一系列的n 2 0 2 配体和相应的锆配合 物，并对配体和锆配合物结构进行了表征。单晶结构研究表明，叔丁基取代的不对称 n 2 0 2 配体与z r c h 反应生成的锆配合物为氧桥和羟基桥连接的双核锆配合物，并且该配 合物在结晶过程中发生了自发拆分结晶，使两种不同空间构型的锆配合物在结晶的过程 中分别形成单一构型的晶粒。经过进一步对晶体培养条件的优化，有效的缩短了晶体的 生长时间，并成功的得到颗粒较大的晶体用于圆二光谱的测试。在随后的固体粉末圆二 光谱测试中将两种不同空间构型的配合物同圆二光谱的信号相关联，由于该配合物有多 个活性点可用于手性催化反应，所以关于这类手性锆配合物的拆分及催化方面的研究是 非常有意义的。 不对称n 2 0 2 螯合配体及其手性锆配合物的合成 1 文献综述 光学活性生物分子的形成是世界进化历史中的一个重要过程，所以由此所引发的关 于手性起源问题的讨论是科学界广泛关注的一个课题。由非手性物质出发最终合成手性 产物的绝对不对称合成为前生物时期天然手性的成因提供了可能的解释【l l 。手性分子的 自发拆分结晶形成右手或左手晶体从而使外消旋晶体得以拆分。首例通过光照条件下固 态结晶方法进行的绝对不对称合成是1 9 6 9 年以色列的w e i z m a r t r l 学院报道的。s c h m i d t 对 固态不饱和酮类化合物进行溴化加成反应 2 1 ，并最终成功的得到了具有旋光性的手性晶 体。在s c h m i d t 开创性的工作的指引下，近4 0 年中越来越多的科学家将目光聚焦到绝对 不对称合成这个领域中来。 1 1 手性起源的探讨及手性化合物合成概述 1 。1 1 手性分子的起源理论 生命起源中的对称性破缺生物分子的不对称均一性，是生命科学中的长期未 解之谜。不对称分子是生命的物质基础。1 9 5 3 年，米勒把还原性大气的主要成分氢、 甲烷、水、氨等四种气体，封闭在一个石英管中，通过真空放电，发现在管内生成了甘 氨酸、丙氨酸、谷氨酸、天冬氨酸，模拟了由小分子生成氨基酸的自然过程1 4 5 1 。但这 些氨基酸产物都是外消旋的，而在这以后所有试图由非手性无机化合物合成手性生命物 质的实验也都以失败告终。但这并没有阻止科学家对于光学活性起源的研究【6 】。 手性分子起源的理论从总体上可分为两类： ( 1 ) 生命学说。该学说认为，手性选择和手性均一性是生命进化的必然结果。也 就是说手性分子的产生是生命起源的过程中或起其稍后阶段。代表观点为活力论。w a l d 认为生命体是高度不对称的组织体，在这种组织体中，不对称分子完全是由有立体选择 性的酶反应产生的，认为不经活体是不可能合成不对称分子的。 ( 2 ) 非生命学说该学说认为，分子手性均一性发生在生命起源之前。它又分为两 类理论； ( i ) 随机理论认为手性分予产生原因有以下几种可能：a 液固相化学反应导致光学 活性；b 统计学波动的结果，原始地球上某种分子的左旋体和右旋体相等，由于偶然的 统计波动，使对映体中的某一种浓度增加，一旦多了，就在不断进化中越来越多，产生 了光学活性：c 耗散结构理论：在宏观世界中，除通常的处于平衡条件下的稳定有序结 构外，还有一种远离平衡条件下的稳定有序的结构，即耗散结构。生物体系就是一种比 2 大连理工大学硕士学位论文 较复杂的、由化学反应导致的耗散结构。h e g s t r o m 认为：不对称状态是指其中一种形态 占优势，自发对称破坏在热力学平衡态不能发生，只有处于非平衡态才有效，才能将该 系统抛到数量不等的对映体的手性不对称状态，对映体的一部分结构被破坏，形成熵流， 流到外界，从而降低体系的熵。随机理论的弱点是不能说明手性在全球是均一的。 ( i i ) 确定性理论假设非随机的物理力自身有自然的手性性质，与消旋的或原手性的 有机底物相互作用，通过绝对的不对称合成或降解过程产生手性。代表理论有：a 、圆 偏振光( c p l ) 引起光学活性。太阳光的光线受空气中微小尘埃或分子的影响，发生散射， 部分散射光会变成平面偏振光，由于受地磁场影响反射，可使其部分变为富含右圆偏振 的圆偏振光，圆偏振光是有手性的自然力，有可能与手性或潜手性分子形成立体选择性 相互作用( 光合成或光分解) 。b 、宇称不守恒( p n c ) 导致光学活性基本粒子相互作 用中字称不守恒，基本粒子之间的弱相互作用导致手性的产生。关于字称不守恒导致对 称性破缺的理论较为成功地解释了生命分子对称性破缺的普遍性，但其缺陷也是很明显 的，主要弊病在无法说明如此小的不对称是如何发展到我们今天生命物质世界如此的手 性均一性，而不被淹没在外消旋的汪洋大海之中的1 7 j 。 总之，生物分子光学活性起源的各种学说目前都不能提供一个圆满的解释。手性分 子光学活性起源仍是一个难解的谜。 1 1 2 手性化合物的合成方法概述 合成光学活性的手性化合物的方法有许多，大致可分为5 种：1 旋光拆分；2 用光学 活性化合物作为合成起始物；3 使用手性辅助剂；4 使用手性催化剂；5 绝对不对称合 成射。其中尤以绝对不对称合成最为重要，因为前4 种方法都是需要在合成过程中引入 手性源。而绝对不对称合成是由非手性原料去合成手性产物的过程，它对探讨手性起源 问题有着至关重要的指导意义。 分子手性起源的研究是化学研究中一个十分引人入胜的领域，并且现在这方面的研 究已经超越了纯粹的化学领域，成为连接化学、生物学、物理学的一个交叉领域。手性 对称性破缺可被用来描述某体系的手性“无中生有”或手性放大的现象，它包括绝对不 对称合成( 指在非手性环境下的不对称合成) 和不对称自催化( 由不对称反应生成的手 性产物自身作为本反应的催化剂的反应过程，即手性产物的自我复制过程) 1 9 1 绝对不 对称合成是通过外部自然作用使外消旋体系中产生某种对映体过量的现象。 不对称n 2 0 2 螫合配体及其手性锆配合物的合成 1 2 绝对不对称合成概述 绝对不对称合成指在没有任何外界手性诱导试剂作用下或在圆偏振光等物理条件 下的封闭体系中的不对称合成。对前一种情况而言，它是一种固态下所独有的过程，首 先非手性分子自发结晶成手性晶体，然后手性晶体的固相反应( 通常是光反应) ，将反 应物转变为具有分子手性的产物，这种情况下的不对称诱导完全是由晶体的手性引起的 【10 1 。 1 2 1 手性有机化合物绝对不对称合成研究进展 在大部分情况下由于手性环境的缺失，非手性化合物在结晶过程中是以非手性空间 群的形式结晶析出的。但是有一些特殊的化合物在结晶过程中是以手性空间群结晶或在 结晶过程中发生了化学变化生成了手性分子并结晶析出。大部分这样的反应都是在光照 条件下进行的。这可能是由于不同对映异构体对于对于自然光中的不同圆偏振光成分的 反应不同造成的。 首例通过光照条件下固态结晶方法进行的绝对不对称合成于1 9 6 9 年诞生予以色列 的w e i z m a n n 学院。s e h m i d t 对固态不饱和酮类化合物进行溴化加成反应，他将一粒大 约2 0 0 m g 的原料晶体切割成等大的两部分，分别在溴蒸汽和溴水进行溴化加成反应。产 物在玻璃容器壁上结晶析出。s c h m i d t 发现：反应用溴蒸汽和溴水分别进行的时候产物 是不同的，加成反应后产物有两个手性中心生成，产物的值为6 ( 图1 1 ) 5 1 。 图1 1 绝对不对称合成2 , 3 二溴- l ，3 二苯甲基酮 f i g 1 1a b s o l u t ea s y m m e l r i es y n t h e s i so f 2 ，3 - d i b r o m o - 3 - m c t h y p h e n y l - 1 - p - t o l y p r o p a n 一1 - o n e 4 q c d b 峭 端 v 拶 。 鲥 大连理工大学硕士学位论文 w e i z m a n n 学院的研究工作者们对绝对不对称合成进行了广泛的研究。b e r n a r d s g r c e n 将两个分子的烯烃衍生物的单晶通过光照反应合成了手性的二聚物，并在此基 础上通过r a n e y - n i 催化反应得到了一系列该产物的衍生物( 图1 2 ) 【n l 。 吣八办p 矗 “ a r 八给 1 1 f 2 噻吩基a r 宅。6 二氯苯t h 图1 2 烯烃环加成引发的绝对不对称合成 f i g 1 2a b s o l u t ea s y m m e u i cs y n t h e s i sb yc y c l o a d d i t i o no f o l e f i n 在随后的时间里，w c i z m a n n 学院在绝对不对称合成领域做了颇多的研究工作。l i a a d d a d i 和m c i rl a h a v 合作完成了一个很有趣的实验。他们用对二烯苯衍生物的晶体在 光照条件下完成了分子间的加成反应，合成了含有手性中心的高聚物。原料中的取代基 可以是多种酯基、烷基、氰基、羧基等。这种结构使人们很容易联想到氨基酸通过肽键 相连生成蛋白质的反应，为人们对生命起源的研究又迈进了一步。在更近一步的研究中， 在取代基x 上引入了手性基团，外消旋混合物在成环反应中生成了光学纯度为 8 4 - 1 0 0 e e 的聚合物( 图1 3 ) “。 x 矿。工zl 图1 3 烯烃高聚引发的绝对不对称合成 f i g 1 3a b s o l u t ea s y n u n c t r i cs y n t h e s i sb yp o l 删i o n o f o l e f i n 在s c h m i d t 开创性的研究的指引下，近二十年中世界各国的化学家对绝对不对称合 成进行了深入的研究，但是这类手性从无到有的反应有时是需要勤奋和运气的共同作用 不对称n 2 0 2 螯合配体及其手性锆配合物的合成 的。所以每一个成功的范例都十分的来之不易。h a s e g a w a 等人对烯烃衍生物分子间成 环聚合反应这一经典的绝对不对称合成反应的研究，考察了原料的晶体分子和反应产物 的晶体分子在晶胞中的排布，并做了反应动力学方面的研究后光照聚合反应中聚合反应 和解聚反应之间的关系。这也是首例关于在光照聚合反应的局部化学中同时存在着聚合 和解聚反应的报道( 图1 4 ) 【1 卦。 8 9 1 0 + c 0 0 j l p t 、= m p r 龟多 图1 4 环丁烷衍生物的绝对不对称合成 f i g 1 4a b s o l u t ea s y m m e t r i cs y n t h e s i so f c y c l o b u t a n er a m i i i c a t i o n s 1 2 1 9 9 7 年，美国的c h e e r 小组在研究中发现4 苄氧基2 吡啶酮在结晶过程中可生成 含有两个手性中心的b 一内酰胺。经过对不同的取代基、不同的取代位置进行考察发现 取代基x 在苯环间位( x = g r c l ，x = m - m e ，x = m - - o m e ) 时反应的效果是最好的( 图1 5 ) t 1 4 l 。 6 e争一 大连理工大学硕士学位论文 xx 1 31 图1 5 固态光致绝对不对称合成 f i g 1 5a b s o l u t ea s y m m e t r i cs y n t h e s i sb ys o l i d - s t a t ep h o t o r c a c t i o n 表1 1 固态光致绝对不对称合成数据 t a b 1 1s o l i d - s t a t ep h o t o r e a c t i o nr e s u l t s 几个日本研究小组对单分子的绝对不对称合成也进行了广泛的研究。t o d a 等报道 了一系列非手性n ，n - - - - - 异丙基芳酰甲酰胺所形成的手性晶体的n o r r i s ht y p ei i 光环化 反应旧，发现均以较高的化学收率( 5 4 - 9 7 ) 和光学收率( 5 4 1 0 0 ) 生成手性b 一内 酰胺。他们还讨论了底物1 4 中芳环取代基对形成手性晶体的影响，当a r 为苯基或间位 取代基时，均生成手性晶体，当a r 为对位取代苯基时，则生成非手性晶体；另外，当 a r 为2 一m e 或3 ，4 - ( m e ) 。取代苯基时，也形成手性晶体，但当2 - c 1 、2 一b r 或3 ，5 一( m e ) ： 取代时，则形成非手性晶体。该反应的研究被认为对地球上手性氨基酸的产生提供了某 些解释【1 6 l ，因为1 6 在太阳光下能有效的发生固态光环化反应生成手性的b 一内酰胺，而 9 一内酰胺则进一步水解可生成手性b 一氨基酸( 图1 6 1u 7 1 。 不对称n 2 0 ：螯合配体及其手性锆配合物的合成 h v - - - - - c h l t a lc r y s t a l 1 5 1 6 图1 6b 一内酰胺的绝对不对称合成 f i g 1 6a b s o l u t ea s y n m e w i cs y n t h e s i so f1 3 - l a c t a m s a k a m o t o 等也报道了几种酰亚胺的固相绝对不对称合成反应。非手性分子n - 异丙 基2 ，3 二甲丙烯酰基苯酰甲酰胺1 7 在环己烷氯仿中结晶形成手性晶体( p 2 l 空间群) ， 在0o c 光照发生分子内【2 + 2 】环加成反应，以高化学收率和中等光学收率生成了手性环 氧烷1 7 ，如果反应在一7 8o c 下进行，可得到更高光学收率( e e 值大于9 5 ) 的产物1 8 。 他们还发现1 7 1 0 和1 7 c 也能形成手性晶体，固态下光照分别生成光学活性产物，并且在 后者的反应中，还有手性b 一内酰胺1 9 生成( 图1 7 ) 【1 剐。 h v - c h i r a lc r y s t a l 越 1 8 1 7 ar i f f i r 2 = m er 3 - - i p r 1 7 o r l = r 2 f f i m er 3 = b n 1 7 cr i = m er 2 - = hr 3 = b n m 图1 7 几种酰亚胺的固态光致合成 f i g 1 7s o l i d - s t a t ep h o t o r e a c t i o no f i m i d e s 不久，s a k a m o t o 在此基础上也有了更进一步的发现，他通过光照结晶反应成功的制 得了b 一硫内酰胺。他将原料n ，n - z 苄基一卜环己烯硫酰胺研磨成粉末，均匀的覆盖在 耐热玻璃片上，做成三明治形状的反应装置。然后在5 0 0 w 的汞灯，o o c 下光照2 小时， 即得到了8 1 9 7 e c 的产物b 一硫内酰胺，反应产率为9 6 。并且他还研究并阐述了反应 的机理：在光照条件下，与硫相连的环己烯碳与苄基碳均被活化，同时生成了两个孤对 电子。这两个孤对电子在成键过程中自然的向远离硫原子的一方结合，从而生成了单一 大连理工大学硕士学位论文 手性的产物b 一硫内酰胺。这是首例从烯烃碳上脱氢的光致绝对不对称合成反应( 图1 8 ) 1 9 1 。 h v s o l i ds t a t e 图1 8 烯烃脱氢固态光致手性合成 f i g 1 8a s y m m e t r i cs o l i d - s t a t ep h o t o r e a c l i o nb yd e h y d r o g e n i z a t i o no f o l e f i n 潜手性的盐类化合物在光照结晶过程中同样有类似的现象发生。2 0 0 5 年，h i d e k o k o s h i m a 和他的合作者们发现了盐类化合物2 , 5 一二异丙基安息香酸的2 ，4 二氯苯乙胺盐 的晶体在光照下反应发生绝对不对称合成反应，安息香酸的羰基双键同相邻的异丙基碳 发生分子内的加成反应，生成了一种单手性中心的四元环和一个一个含有双手性中心的 五元环的混合物，并用x 光单晶衍射和固相圆二光谱对手性产物进行了表征( 图1 9 ) 。 经过进一步的研究，对反应的机理进行了详细的阐述( 图1 9 ) 【冽。 孙；拳茹举一 器一炎芡 图1 9 盐类化合物固态光致反应机理 f i g 1 9t h em e c h a n i s mo f a s y m m e a i cs o l i d - s t a t ep h o t o r e a c t i o no f s a l t s 另一种化学家常用的绝对不对称合成方法就是引入一些物理手段，例如圆偏振光、 强磁场等。虽然某些反应的机理未能得到明确，但是他们成功的得到了高e c 值的产物。 不对称n 2 0 2 螯合配体及其手性锆配合物的合成 日本的s h i m i z u 成功的在高强度的圆偏振光照射的条件下使用完成了酒石酸的手性 拆分工作，并在不久报道了用不同的偏振光源得到不同手性酒石酸的工作( 图l 。1 0 ) 2 ”。 h o h 。f o c 竺u s e d 竺r o c p l i ：- 4 o h 6 0 2 c h h o h c _ 一 o n u n l c o z h + c 0 2 ，c o ，h 2 ，毗 图1 1 0 高强度圆偏振光引起的绝对不对称合成 f i g 1 1 0a b s o l u t ea s y m m e ：n i cs y n t h e s i sb yh i g l l l yi n t e n s ec i r c u l a r l yp o l a r i z e dl i g h t 1 9 7 2 年，s t o h e r c 研究组在强磁场的条件下进行g r i n a r d 反应，得到了e e 值高达 9 8 的手性仲醇，但是产物的构型是随机出现的1 2 2 。 a r c r o + l i a l h 4 + a r c h r ( o h ) - 一r m g x + a r c h o 1 9 9 4 年，b r e i t m a i e r 同样在强磁场的作用下，在不同的底物条件下完成了由潜手性 芳基醛还原为手性仲醇的催化反应，并用h - n m r 进行了表征。使人们对于强磁场作用 条件下的绝对不对称合成反应有了更深一步的了解( 图1 1 1 ) 1 2 3 。 h 、纱鱼娑旦r c 删 a r c a2 0 。c1 5 h a r 但对于在强磁场下进行的绝对不对称合成有科学家提出了异议。早在1 9 0 4 年， “c h i r a l i t y ”概念的提出者l o r dk e l v i n 就曾经指出“磁性没有左手和右手之分，也就是 l o 吣膏 c l 一 洲州 詈i 声_ o 才 俎p o c l c 大连理工大学硕士学位论文 说它不存在手性”。他的后继者l a u r e n c ed b a r t o n 和g e r d k a u p p 纷纷对在强磁场下 进行的绝对不对称合成反应进行了质疑，并在此方面做了反应动力学方面的理论研究。 所以，此领域的研究还有待深化 2 4 5 1 。 1 2 2 手性金属有机化合物绝对不对称合成研究进展 近几年来，随着金属有机化学同自发拆分结晶领域研究的发展，人们发现在金属同 有机分子的配合过程中也有可能涉及到手性的诞生【2 6 1 。在这方面的研究中，需要介绍两 个概念：c h i r a l a t m e t a l 意为在金属配合物中的手性，与传统意义上的手性配体的手性不 同。它是由于配体本身具有一定的不对称性以及配位键的刚性作用所导致的手性；自发 拆分结晶是外消旋化合物在结晶的过程中发生了自发拆分，具有相同手性的分子集结在 一起结晶析出，所得到的晶体是由两种对映异构体所分别形成的晶体的机械混合物 ( m e c h a n i cm i x t u r e ) ，也叫凝聚结晶( c o n g l o m e r a t ec r y s t a l l i z a t i o n ) 。这就为绝对不对称合 成的发展又开辟了一条新的途径，并且该类手性化合物有望作为金属催化剂参与到手性 催化反应中去。 手性金属有机化合物的绝对不对称合成往往伴随着自发拆分结晶这种特殊的结晶 现象。经典的配合物c i s 。 c o c i ( n h 3 ) ( e n ) 2 c h 的对映异构体的成功拆分曾在2 0 世纪初奠 定配位化学理论时起了决定性的作用。时隔一个世纪后，这一明星化合物又一次的激起 了科学家对绝对不对称合成的进行深入研究的极大兴趣。a s a k u r a 等偶然发现了 c i s c o b r ( n h 3 ) ( e n ) 2 c h 的制备过程中存在着晶体的自发拆分过程，在外消旋的 c i s c o b r ( n h 3 “) 2 c h 中加入过量的n h 4 b f 使之结晶析出可得到互为对映异构体的 一c i s c o b r ( n h 3 ) ( e r t ) 2 c 1 2 和a c i s 一 c o b r ( n h 3 ) ( e n ) 2 c 1 2 【2 7 j ( 图1 1 2 ) 。随后，厦门大学的 章慧老师改进了这种合成方法，并用固体圆二光谱分别对两种不同空问构型的配合物进 行了表征【9 1 。 胁蚓。 = 矧。= 矧一幽一岗 图1 1 2 手性c i s 一 c o b r ( n h 3 ) ( e n ) 2 c 1 2 的合成 f i g 1 1 2s y n t h e s i so f c h i r a lc i s 一 c o b r ( n h 3 ) ( e n ) z c 1 2 不对称n 2 0 2 螯合配体及其手性锆配合物的合成 j o h a n s s o n 课题组将图1 1 2 中的两种简单的乙二胺型配体和不同的金属( c o 、c u 、 n i 、z n ) 等金属配位，通过配位键的刚性作用使配体的氮原子的孤对电子得到固定，从 而使配体显现出手性，并由此引发中心金属周围电子排布的不均匀，使中心金属带有手 性( 图1 1 3 ) 。在结晶的过程中，金属铜配合物发生了自发拆分结晶。虽然其余的几种 配合物在结晶的过程未能自发拆分结晶，但是它们通过分子问的氢键作用或弱的c h - c 1 键作用形成了同手性分子层。这种同手性的分子层的形成应该是自发拆分结晶的必要条 件【2 引。 m e t r l m e d a2 9 i 血l l e d a 3 0 冀m e , n n ，h 粪嚣篡v a , n m e ：a 瞻凳凳a aa a 图1 1 3 乙二胺型配体及其金属配合物 f i 9 1 1 31 , 2 - d i a m i n e - e t h a n e t y p e l i g a n d sa n d t h e i r m e t a lc o m p l e x e s h a k a n s s o n 在对g r i g n a r d 试剂的应用中发现主族金属同样能够通过与有机化合物配 位产生手性。乙二醇二甲醚在同中心金属镁的配位过程中有两中不同的配位方式，在乙 二醇二甲醚做溶剂时以a 构型的产物为主，在其他的溶剂则以构型产物为主( 图 1 1 4 ) 。并且h a k a n s s o n 将这种特殊的现象应用到了g r i g n a r d 反应中用以制备手性的脂 肪醇类化合物，在用乙二醇二甲醚做溶剂时，得到了( s ) 1 ( 4 甲基苯基) - 1 - 丁酵； 用甲基取代g r i g n a r d 试剂中的苯基，正己烷做溶剂时，得到了俾) 一2 - 戊醇四】。 1 2 大连理工大学硕士学位论文 图1 1 4 手性g r i n a r d 试剂结构 f i g 1 1 4t h es t r u c t u r eo f c h i r a lg r i n a r d r e a g e n t 段春迎教授在研究中发现：潜手性配体3 l 、3 2 同金属银发生配合反应时，生成了 带有金属手性的配合物，并且该类配合物能通过自发拆分结晶的方式结晶析出，可得到 光学纯度的螺旋状双核银配合物，而且配合物通过x 光单晶衍射和固相圆二光谱的测试 ( 图1 1 5 ) 。 扩7 磬，n w 伊，磬，n 。 图1 1 5 由金属配位作用引起的绝对不对称合成 f i g 1 1 5a b s o l u t ea s y i l l m e 仃i cs y n t h e s i sb yc o o r d i n a t i o no f m e t a l 不对称n 2 0 2 螯合配体及其手性锆配合物的合成 目前己发表的关于固态绝对不对称合成方面的工作，大部分属偶然发现。要实现绝 对不对称合成，通常必须同时具备下列条件：即非手性分子能够形成手性晶体，手性晶 体在固态下具有某种反应活性，生成的产物要求含有手性中心。目前我们还不能有目的 地去设计手性有机晶体，解决这个问题的重要一步就是要取得大量的底物结构与手性之 间关系的信息。为了保证有机分子能够形成手性晶体，s e h e f f e r 等几个研究小组提出了 所谓“远程可拆除手性柄方法”( r e m o v a b l er e m o t ec h i r a lh a n d l ea p p r o a c h ) ，即让底物 与另一手性柄分子形成手性分子晶体，然后进行固相固反应，生成手性产物，反应完毕 后再除去手性柄分子。这里手性柄分子应距离反应中心足够远，以保证反应在溶液中进 行时手性分子不会产生不对称诱导，这样固态下反应产物的光学活性就完全来自于手性 晶体环境f 1 0 1 。 1 2 3 有机金属锆配合物在手性催化反应中的应用 过渡金属在有机不对称合成中的应用一直是个很吸引人的领域。大量的手性过渡金 属配合物被应用在各种不同的手性催化反应中以得到光学纯的有机化合物。许多种类的 有机锆配合物可作为重要的制备光学纯化合物和高聚物的重要试剂或催化剂。近2 0 年 中，许多有机锆配合物被开发应用于手性催化反应中。在大多数时候，科学家往往是先 使用钛催化体系在得到一定的催化结果后再将其拓展到锆催化体系中去，以提高反应的 适用性和选择性。 常见的手性有机锆催化剂有以下几种类型：手性b i n o l 锆配合物、手性茂环锆配 合物、手性s a l e n 锆配合物、c 3 对称的手性锆配合物。x 基团为不同的负离子，如：氯离 子、异丙氧基等( 图1 1 6 ) 。 3 3 厂_ “ = n 、x ，n = 、 r 人妒r 3 43 5 图1 1 6 各种常用的手性有机锆催化剂 f i g 1 1 6d i f f e r e n tt y p e so f c h i r a l7 _ xc o m p l e x e s 基于有机锆配合物的不对称催化反应大致可概括为：m a n n i c h 反应、不对称加成反 应、不对称开环反应、碳金属化反应以及其他的使用有机锆配合物作为主催化剂或助催 化剂的手性反应。 1 4 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 有机金属锆配合物催化的m a n n i c h 反应 经典的m a n n i c h 反应是一种重要的生成廖氨基一羰基化合物及其衍生物