手性不对称催化合成苯乙酮配合物

手性不对称催化合成苯乙酮配合物

非对称合成方法是获得光学纯度化合物的重要手段，包括由底物诱导的不对称合成和由催化剂诱导的不对称合成，最迷人的是由手性催化剂诱导的不对称合成，现在是国际聚合物的中心研究热点。不对称催化,一般指利用合理设计的催化量的手性金属配合物(也有一些催化剂体系中不含金属元素,如手性氨基醇、手性硼烷化合物等)来精确地区分左、右手两种进攻方式,从而产生高度对映纯的化合物。它仅用少量的手性催化剂就可以得到大量特定的光学活性产物,既避免了用一般合成方法得到的外消旋体的繁琐拆分又不象化学计量不对称合成那样需要大量的手性物质,因此尤为引人关注。第一个不对称催化反应是1966年日本的Noyori研究小组发现的。它是由手性希夫碱与Cu(Ⅱ)形成的配合物作为催化剂催化环丙烷化反应,实现了约10%e.e.值。1968年Knowles和Homer报道了手性含磷原子上的甲基苯基丙基磷。此后,不对称催化就迅速发展起来,不对称催化反应的类型迅速增加。表1列出了主要的不对称催化反应类型。1手性配体及钛系催化剂氢硅烷与含碳碳或碳杂双键的化合物在手性催化剂催化下发生Si-H键对双键的不对称加成反应,,经进一步水解、氧化等反应可得到手性醇或手性胺。铑、钌过渡金属配合物常作为这类反应的催化体系,茂金属催化剂是目前催化研究最热门的课题,也是我国的重点攻关课题。手性茂金属催化不对称硅氢化的研究分两个阶段。首先是早期的手性二茂铁配合物。它与Rh(Ⅰ),Pd(Ⅱ)的配合物可分别催化酮及烯烃的不对称硅氢化反应,但所得产物的光学收率都非常低,近年来该类配体的研究向着手性平面和手性中心结合的方向发展,并取得了成功。如手性配体DIPOF[2-(4,5-二苯基-2-咪啉基)二茂铁基]可以与Rh(Ⅰ)和Ir(Ⅰ)组成配合物用于催化苯乙酮的不对称硅氢化反应,达到几乎定量的化学产率和91%的e.e.值。其中Ir(Ⅰ)的配合物用于催化这种反应尚属首次。其次是近年来越来越引起重视的手性钛系,包括钛、锆、铪等茂金属催化剂的应用。它们无需贵金属,本身就表现出很高的催化活性及手性诱导效应。但该类催化剂的催化效果不是很理想,一个比较成功的例子是桥联茚基配合物(1,Chart1)。它对芳香酮及α,β-不饱和酮具有良好的催化性能,光学收率通常可达80%e.e.以上。怎样使钛系催化剂具有理想的催化效果正是当前研究的任务。在金属方面,酮的不对称硅氢化反应中,有关Ru配合物作为催化剂与相应的Rh配合物催化剂相比,相关的报道较少。最早研究Ru配合物的Zhang等人研究发现,纯P-P二齿手性膦配体(2,Chart1)或纯N-三齿配体(3,Chart2)与Ru的配合物在催化乙酰苯的不对称硅氢化反应时既没有选择性也没有活性。一个重要的发现是混合的P-N配体对选择性和活性有很大的作用。用配体(4,Chart2)和Ru的配合物催化不对称硅氢化,反应e.e.值达到了54%。所以单单是二膦配体还是二齿N配体催化效果都不好,只有连接起来才可以观察到一些对映选择性。配合物5(Chart2)可应用于各种酮的不对称硅氢化反应,其结果如下:2催化剂的催化氧化反应在过渡金属催化的烯烃环氧化领域,得到广泛应用的、对映选择性高的方法是由Sharpless等发展并完善起来的烯丙醇类的不对称催化环氧化,以烷基过氧化氢作氧源,以手性的酒石酸酯为不对称诱导试剂,在钛试剂催化下得到高e.e.值的环氧化物。近年来,高分子负载手性催化剂一直处于不断发展中,它可以使均相过渡金属配合物催化剂非均相化,因此它集中了均相和多相催化的优点:分离简单,催化剂可以多次循环使用且效果良好,反应时高分子溶胀,反应界面扩大,手性催化剂深入到反应液中,存在特色的高分子效应等。聚酒石酸担载的Ti(OPri)4催化剂在Sharpless反应条件下可以催化烯丙醇的不对称环氧化反应。其结果以及与均相酒石酸体系催化的结果列于表2,其e.e.值和产率都高于均相酒石酸体系。1985年KochiJ.K.等合成了席夫碱过渡金属配合物(6,Chart3),以PhIO作氧源,室温下用于催化不同非官能性烯烃的环氧化反应。1986年Kochi又报道了中心金属离子是Mn(Ⅲ)的Salen型配合物(7,Chart3),以PhIO为氧源,室温下催化烯烃环氧化反应。用手性金属卟啉配合物也可实现非官能性烯烃的不对称环氧化,其催化活性也较高,但其合成收率低,其应用受到很大限制。这种N,N,O,O-四配位席夫碱过渡金属配合物催化烯烃环氧化反应扩大了不对称环氧化反应的底物范围。我国的奚祖威等研制得出的中心金属离子为Fe和Ni的席夫碱过渡金属配合物具有温和条件下催化烯烃环氧化的功能,二者相比,Ni好于Fe,但催化性能远较Mn席夫碱配合物差。JacobsenE.N.和KatsukiT两个小组报道了以手性席夫碱Mn配合物为催化剂催化烯烃不对称环氧化反应。最近,有关聚合物担载的席夫碱Mn配合物催化的烯烃环氧化反应的研究也有报道。例如,用合适交联剂高聚化可使Mn(Ⅱ)-Salen配合物非均相化。它们也用于催化烯烃的不对称环氧化,但发现手性催化剂易从高分子载体上脱落,而且载体也被破坏了。3其他普通型聚羧酸料配体不对称氢化是不对称催化反应在工业生产上的首例应用,也是目前研究最深入、最广泛的不对称催化课题之一。1968年Kmowles和Horner成功地合成了手性膦配体并将其铑络合物Rh(PPh3)3Cl应用于催化不对称氢化反应,在其后的30多年中不对称催化氢化反应的研究得到了长足的发展。用手性膦配体与金属Rh和Ru的配合物催化不对称氢化反应已取得了满意的结果,对反应活性及对映选择性起决定性作用。在这当中,BINAP(2,2′-二苯膦基-1,1′-联二萘)是Noyori于1980年开发的一类新型的具有C2对称性的阻转异构体配体。BINAP与金属Ru的配合物被广泛用作许多均相不对称反应的催化剂。特别是,它们可以成功的应用于催化烯丙醇,酮酯,不饱和羧酸,酰氨基丙烯酸的不对称氢化反应。但是单独的BINAP与金属Ru的配合物不能催化非官能性酮。1995年,Noyori等把手性二胺{主要是DPEDA[(S,S)-1,2-二苯基乙二胺]}作为添加的配体和BINAP-Ru一起用来催化各种前手性酮的不对称氢化,在这当中二胺起了协同作用。近几年,高分子负载的含手性膦配体的体系应用于非均相不对称催化越来越引起人们的兴趣。最近,Bayston等成功地将BINAP负载在高分子化合物上制得配体8(Chart4),用于作均相反应在进行β-酮酸的氢化时,当n(底物)∶n(催化剂)为500时,反应转化率80%～100%,e.e.值达90%;用于丙烯酸氢化时,转化率达90%而e.e.值大约60%。Chan等将BINAP包含在聚合物的主链上制得配体9(Chart5),在进行丙烯酸氢化反应时,当n(底物)∶n(催化剂)为200时,转化率65%～100%,e.e.值88%～95%。这种聚合物同样也可以在DPEDA的协同作用下来催化苯乙酮的不对称氢化。Lemaire等合成的poly-NAP(10,Chart5)在DEPDA存在下催化不对称氢化,转化率可达100%,e.e.值也有68%。在这个反应中,催化剂被过滤重复使用了4次,发现只损失少量e.e.值(从68%到61%)。4烯烃环烯反应不对称羰基化反应的研究近年来发展迅速,它是合成多种手性分子的有效途径。而这些手性分子是合成药物和农业化学品非常有价值的前体。不对称羰基化反应包括不对称氢甲酰化反应、氢酯基化反应和氢羧基化反应,其中人们研究最广泛的是不对称氢甲酰化反应,而对氢酯基化反应的研究较少。Botteghi等首次报道了用PdCl2-(-)DIOP催化烯烃的氢酯基化反应。此后,人们对不对称氢酯基化反应做了很多尝试,企图得到高的光学收率。Apler等用PdCl2-BNPPA(1,1′-联萘-2,2′-二烷基磷酸)催化剂体系研究了6-甲氧基萘乙烯的氢羧基化反应,得到了91%e.e.的光学产率,并且有较高的化学产率。对环烯的不对称羰基化反应的研究主要集中在氢甲酰化反应,但是所得的光学产率都较低,最高不超过30%。最近中国科学院兰州化学物理所周宏英等用Pd(OAc)2-手性膦-p-TsOH催化剂体系对降冰片烯进行不对称氢酯基化反应,得到了高的光学产率和较好的化学产率。5第一次的混合氢化反应氢转移还原反应由于避免了用氢气还原时存在氢气压力的问题而成为一种引人注意的方法。目前,均相和非均相催化剂都已成功地催化不同底物的不对称氢转移反应。这种反应一般包括氢接受体,如酮,α,β-不饱和烯烃,α,β-不饱和酸和酯,亚胺,硝基化合物;以及氢的供体,如醇(主要是i-PrOH)和甲酸/三乙胺体系。手性配体第一次应用于不对称氢转移反应是手性膦配体{DIOP[2,3-邻-异亚丙基-2,3-二羟基-1,4-双(二苯膦基)丁烷],CHZRPHOS[1,2-双(二苯膦基)丙烷],NORPHOS(双二苯膦基降冰片烯),BINAP}。从1990年开始,主要用手性二齿氮配体。二胺配体配合物均相催化剂用于催化前手性酮的不对称氢转移反应已取得了令人满意的结果。而源于二胺得到的二种类型的配体也成功地被使用:一种是像双脲和二硫代脲等具有C2对称性的配体;另一种是像氨基氨磺酸没有C2对称性的配体。非均相催化剂可以通过有机高聚物负载来合成。没有C2轴对称的配体可以将配体的一部分作为聚苯乙烯的侧基,而另一种高聚物负载配体可以将手性和配体都包含在高聚物的主链上。(1)其他化合物配体1995年,Noyori等报道了(1S,2S)-N-(对磺酰甲苯)-1,2-二苯甲基二胺和Ru的配合物用于催化苯乙酮的不对称氢转移反应,得到很高的e.e.值97%。Knochel等用N-甲苯磺酸基-1,2-二氨基环己烷衍生物得到92%e.e.值。Lemaire等将Noyori单体包含在高聚物基体上合成了一系列配体,这些配体随后与Ir(Ⅰ)和Ru(Ⅱ)络合用来催化苯乙酮的不对称氢转移反应。聚合物11(Chart6)作为配体催化苯乙酮的不对称氢转移反应的结果见表3。最近,Bayston等合成了聚合物12(Chart6),它与Ru的络合物用作催化剂,得到了88%的转化率和91%的e.e.值。(2)手性二胺lemaicavir的转化率双脲可以作为不对称氢转移反应中催化剂的配体,最好的结果是13(Chart6),可以得到87%的转化率和80%的e.e.值。Lemaire等将手性二胺包含进高分子主链使其非均相化。如,聚脲14(Chart6),[Rh(COD)C]2作为前体,i-PrOH为氢供体,用于催化苯乙酮的不对称氢转移反应,转化率100%,e.e.值60%。6环丙烷化反应中催化剂的多样性实现催化不对称反应的高效率、高对映选择性,其关键在于选择合适的手性催化剂和反应条件。手性金属催化剂包含手性配体和中心离子,所以这两者的选择是反应立体选择性优劣的关键。如在不对称环丙烷化反应中,近年来的研究表明,除了铜作为中心