鏈接基團(tuán)對固載手性Salen Mn（Ⅱ）催化不對稱環(huán)氧化反應(yīng)的影響

羅云飛 傅相鍇＊, 鄒曉川,2 王長煒 胡小艷 賈紫永 張懷志

(1西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，應(yīng)用化學(xué)研究所，重慶市應(yīng)用化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715)

(2重慶教育學(xué)院生物化學(xué)工程系，重慶 400067)

鏈接基團(tuán)對固載手性Salen Mn（Ⅱ）催化不對稱環(huán)氧化反應(yīng)的影響

羅云飛1傅相鍇＊,1鄒曉川1,2王長煒1胡小艷1賈紫永1張懷志1

(1西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，應(yīng)用化學(xué)研究所，重慶市應(yīng)用化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400715)

(2重慶教育學(xué)院生物化學(xué)工程系，重慶 400067)

制備了二胺和二酚修飾的晶態(tài)有機(jī)聚合物-無機(jī)雜化載體低聚苯乙烯基膦酸-膦酸氫鋯(LCZSPP)軸向固載手性Salen Mn（Ⅱ）催化劑，將其應(yīng)用于非官能烯烴的多相不對稱環(huán)氧化反應(yīng)。研究了兩類軸向連接基團(tuán)及助催化劑在催化不對稱環(huán)氧化反應(yīng)中的影響。結(jié)果表明，通過二胺為鏈接基團(tuán)固載的催化劑在加入軸向助劑(NMO)的情況下，轉(zhuǎn)化率和對映選擇性都有較大提高。然而，與文獻(xiàn)報(bào)道相反，二酚固載的催化劑在不添加軸向助劑的情況下，轉(zhuǎn)化率和對映選擇性都比添加軸向助劑有明顯提高。此外，制備的固載催化劑可以很容易從反應(yīng)體系中分離出來，并且在重復(fù)使用10次以上后，催化活性和對映選擇性都沒有明顯的降低。

低聚苯乙烯基膦酸-膦酸氫鋯；手性Salen Mn（Ⅱ）；多相催化劑；非官能化烯烴的不對稱環(huán)氧化反應(yīng)；軸向助催化劑

0 引 言

具有光學(xué)活性的環(huán)氧化物是合成許多天然產(chǎn)物、光學(xué)活性材料、光學(xué)活性藥物等重要有機(jī)合成中間體。現(xiàn)已成為當(dāng)今研究的熱門課題之一。手性環(huán)氧化物是合成純的對映體分子的重要模塊，可以通過選擇性開環(huán)和官能團(tuán)轉(zhuǎn)化方便地合成許多醫(yī)藥和精細(xì)化學(xué)品的重要中間體，特別是在合成藥物、生物活性化合物中有重要的應(yīng)用[1-2]。目前制備手性環(huán)氧化物最重要的方法是烯烴的催化環(huán)氧化，而常用的催化劑為過渡金屬卟啉、酞菁以及Salen等的配合物[3-4]。人們發(fā)現(xiàn)手性Salen Mn（Ⅱ）配合物是非官能化烯烴不對稱環(huán)氧化反應(yīng)最有效的催化劑[5-6]，然而，均相催化劑存在著難以分離，容易形成Salen Mn（Ⅱ）的μ-oxo-Mn（Ⅱ）無催化活性二聚體，造成其不能循環(huán)使用，限制了它的廣泛應(yīng)用[7]。為解決這一問題，目前,已成功地將此類配合物負(fù)載到無機(jī)、有機(jī)或者有機(jī)-無機(jī)復(fù)合載體上，并且部分地實(shí)現(xiàn)了催化劑的循環(huán)使用[8～10]。更值得指出的是，在大多數(shù)情況下，固載型Salen Mn（Ⅱ）催化劑均需要在昂貴的助催化劑參與下才能對非功能化烯烴的不對稱環(huán)氧化起到促進(jìn)作用[11-13]，這就使其在工業(yè)化應(yīng)用中失去了意義。因此，研究助催化劑在不對稱環(huán)氧化反應(yīng)中的作用機(jī)理，以及設(shè)計(jì)一類在沒有昂貴助催化劑參與下使環(huán)氧化反應(yīng)順利進(jìn)行的多相催化劑具有非常重要的工業(yè)意義。

近年來，本課題組探索合成了有機(jī)聚合物-無機(jī)雜化磷酸鋯新型催化劑載體系列ZSPP、ZPS-iPPA和ZPS-PVPA，采用側(cè)鏈接枝或軸向配位固載技術(shù)合成了這些載體固載的手性Salen Mn（Ⅱ）多相催化劑，在催化烯烴的不對稱環(huán)氧化反應(yīng)中顯示了優(yōu)良的催化活性、對映選擇性和卓越的重復(fù)使用性[14-22]。但ZSPP、ZPS-iPPA和ZPS-PVPA聚苯乙烯基膦酸-磷酸氫鋯系列載體均為無定型。本工作探索合成了晶態(tài)低聚苯乙烯基膦酸-磷酸氫鋯復(fù)合載體，并分別用有機(jī)二胺和二酚作為連接手臂，與手性Salen Mn（Ⅱ）進(jìn)行軸向配位固載。詳細(xì)考察了兩種不同的連接手臂及助催化劑對非功能化烯烴不對稱環(huán)氧化反應(yīng)催化性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

PK-6000型FTIR紅外光譜儀；DR UV-2550型紫外可見分光光度計(jì)；TAS-986G型原子吸收分光光度計(jì)；KYKY-EM3200型掃描電子顯微鏡；美國vecco公司原子顯微鏡(AFM)；采用日本島津公司GC-2014型氣相色譜儀對反應(yīng)進(jìn)行測定。通過與標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)物比較計(jì)算產(chǎn)率及對映選擇性(ee)值。氫火焰離子化檢測器，N2為載氣。色譜柱為手性毛細(xì)管(HP19091G-B233，30 m×25 μm×0.25 μm)，采用程序升溫程序，其中α-甲基苯乙烯(柱箱溫度：80℃，汽化溫度：230℃，檢測器溫度：250℃，載氣流速：34.0 mL·min-1，分流比：30.0)茚(柱箱溫度：80℃，汽化溫度：230℃，檢測器溫度：230℃，載氣流速：24.0 mL·min-1，分流比：30.0)

壬烷、N-甲基嗎啉氮氧化物 (NMO)、(1R，2R)-環(huán)己二胺(99%)、間氯過氧苯甲酸(m-CPBA)、α-甲基苯乙烯、茚均購自Alfa Aesar。其他試劑和溶劑均為市售分析純。

1.2 載體的制備

低聚苯乙烯基亞膦酸，低聚苯乙烯基膦酸的制備參見文獻(xiàn)[18]。

晶態(tài)層狀低聚苯乙烯基膦酸－磷酸氫鋯的制備是在聚四氟乙烯塑料杯中，將OSPNA(5.2 g，13 mmol)和NaH2PO4·2H2O(4.2 g，27 mmol)和50 mL水的混合液，在攪拌下滴加到 ZrOCl2·8H2O(6.4 g，20 mmol)和10 mL 40%HF(0.20 mol)的100 mL溶液中，75℃攪拌5 d，直到白色沉淀析出，離心過濾，用水洗滌至濾液為pH=5，甲醇洗滌(40 mL×3)，70℃真空干燥24 h。產(chǎn)率約70%。IR(KBr，cm-1)，3027，2 925(CH)，2370(O=P-OH),1603，1494，1453，754 (-C6H5)，1 267(P=O),1 067，1 013)。

氯甲基化晶態(tài)低聚苯乙烯基膦酸－磷酸氫鋯、胺化和酚羥基化載體的制備參照文獻(xiàn)[18-21]。結(jié)構(gòu)如圖1中所示。

1.3 催化劑的制備

均相手性Salen Mn（Ⅱ）的制備參照文獻(xiàn)[23]。分別將0.5 g胺化和酚羥基化載體2a、2b、2c和2d，均相手性Salen Mn（Ⅱ）催化劑 (2.5 g)，適量氫氧化鈉，40 mL四氫呋喃，加入到100 mL三頸瓶中回流反應(yīng)12 h。過濾，分別用甲苯、二氯甲烷及去離子水洗滌濾餅至洗液經(jīng)原子吸收檢測不到錳元素存在，真空干燥24 h得棕色粉末狀固載催化劑，分別記作3a、3b、3c和3d。催化劑3a IR(KBr cm-1)：2930-2870(CH)，1 615，1 495，1 455(-C6H5)，1 624-1 627(C=N)，520 (Mn-N)。DR UV-Vis：251，423 nm；催化劑 3b IR (KBr cm-1)：2 950-2 880 (C-H)，1 625，1 500，1 460 (-C6H5)，1 624-1 635(C=N)，521(Mn-N)。DR UV-Vis：253，425.5 nm。催化劑3c IR(KBr cm-1)：2 935-2 850 (C-H)，1 611，1 492，1 450(-C6H5)，1 620-1 635(C=N)，520(Mn-N)。DR UV-Vis：252，428.5 nm；催化劑 3d IR (KBr cm-1)：2 945-2 850(C-H)，1 615，1 02，1 460 (-C6H5)，1 625-1 645(C=N)，520(Mn-N)。DR UV-Vis：251，428.2 nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑的微觀形貌

圖2為載體的粉末衍射圖，從圖中可知樣品在2θ=8.23°，19.48°，24.54°存在3個(gè)很強(qiáng)的吸收峰，對應(yīng)的內(nèi)層間距分別為1.065、0.443和0.336 nm。和α-ZrP相比，最大的不同是在2θ=8.23°出現(xiàn)了1個(gè)新的吸收峰，其層間距(1.065 nm)比α-ZrP的層間距(0.764 nm)大0.301 nm。表明，樣品的層間距為1.065 nm。層間距增大是由于樣品中存在大量剛性的苯環(huán)和無機(jī)基團(tuán)所致。

固載催化劑3d的SEM、TEM及AFM照片如圖3、4、5。SEM和TEM圖顯示固載催化劑的顆粒的粒徑大小在幾十到100 nm范圍，結(jié)構(gòu)疏松，擁有大量的納米通道、孔洞和空腔。從圖5a，5b可以看出固載催化劑中存在大量的孔洞，其大小為 13.0～15.2 nm。 因此催化劑可以為不對稱環(huán)氧化反應(yīng)提供足夠的空間，這可能是固載化均相催化劑具有優(yōu)良的催化活性和對映選擇性最主要的因素之一。

2.2 催化烯烴環(huán)氧化性能研究

以間氯過氧苯甲酸(m-CPBA)為氧化體系催化烯烴的不對稱環(huán)氧化反應(yīng)，考察了反應(yīng)時(shí)間、溫度、助催化劑等因素對催化結(jié)果的影響，并且與均相Jacobsen催化劑進(jìn)行對比。

表1 m-CPBA體系中催化劑3a-3d催化烯烴不對稱環(huán)氧化反應(yīng)[a] Table 1 Asymmetric epoxidation of alkenes catalyzed by 3a-3d with m-CPBA as oxidants[a]

續(xù)表1

從表1中可以看出固載催化劑3a～3d表現(xiàn)出了與均相Jacobsen催化劑相近甚至更高的對映選擇性。尤其對于α-甲基苯乙烯，對映選擇性從53.5%增加到73.8%，對映選擇性的增加主要?dú)w因于軸向連接基團(tuán)與載體(LCZSPP)所組成的微環(huán)境以及載體納米孔道的限閾效應(yīng)。

2.3 助催化劑效應(yīng)

大量的文獻(xiàn)報(bào)道軸向添加劑對催化劑的活性和對映選擇性起到促進(jìn)作用。本文中，對于有機(jī)二胺固載的催化劑(3a～3b)，當(dāng)加入助催化劑NMO，轉(zhuǎn)化率和對映選擇性都有較大的提高，這與文獻(xiàn)報(bào)道相一致。當(dāng)加入助催化劑NMO，尤其對于α-甲基苯乙烯轉(zhuǎn)化率從42.5%增加到98.5%(表1)，對映選擇性24.8%增加到73.1%。但是對于有機(jī)二酚手柄固載的催化劑(3c，3d)卻出現(xiàn)了截然相反的結(jié)果，即不加入比加入助催化劑，轉(zhuǎn)化率和對映選擇性不但沒有降低，反而大大提高，這與絕大多數(shù)先前報(bào)道的文獻(xiàn)相矛盾。尤其對于 α-甲基苯乙烯 (轉(zhuǎn)化率從 99.9%降低到32.8%；ee：從73.8%降低到14.9%；entries 6 and 7)，相似的結(jié)果對于茚也同樣可以得到(entries 13 and 14)。原因可能是Mn-O化學(xué)鍵比Mn-N化學(xué)鍵具有更多離子性；另一個(gè)原因可能是酚氧基比脂肪族胺基具有更大的剛性和空間位阻。最近List小組[24]采用大位阻的手性聯(lián)二萘酚剛性配體的Salen Mn（Ⅱ）催化色素烯及其衍生物的不對稱環(huán)氧化反應(yīng)有相似實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的報(bào)道，但未給出具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

實(shí)際上，作為連接手臂的酚氧基團(tuán)具有和助催化劑NMO具有相似的電子結(jié)構(gòu)和配位性質(zhì)。不存在NMO的情況，催化劑3c與3d已經(jīng)表現(xiàn)出來相當(dāng)滿意的效果(entries 5 and 6,entries 12 and 13)，因?yàn)樵谶@里酚氧基團(tuán)扮演了軸向連接基團(tuán)和軸向助劑例如(NMO)的雙重作用。此時(shí)加入NMO后，NMO可能干擾不對稱環(huán)氧化反應(yīng)中已經(jīng)形成的較好的中間體或者過渡態(tài)的幾何構(gòu)型與構(gòu)象，從而影響手性誘導(dǎo)和催化效果。對于這些固載催化劑表現(xiàn)出反常現(xiàn)象的機(jī)理的研究正在進(jìn)一步進(jìn)行中。

2.4 不同溶劑與溫度的影響

表2 固載催化劑3d在不同的溶劑和溫度條件下催化茚的環(huán)氧化反應(yīng)[a]Table 2 Epoxidation of indene catalyzed by immobiled catalyst 3d in different solvents and temperature[a]

表2中概括了催化劑3d在不同溶劑和溫度條件下催化茚的不對稱環(huán)氧化結(jié)果。從表中可以看出，當(dāng)用二氯甲烷做溶劑時(shí)，不論是轉(zhuǎn)化率還是對映選擇性都是最好的。同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)隨著溫度的降低，對映選擇性在增加，而轉(zhuǎn)化率略微降低。可能的原因是隨著溫度的降低，底物分子的有效碰撞減少，因此轉(zhuǎn)化率有所降低。同時(shí)可能隨著溫度的降低，更有利于環(huán)氧化產(chǎn)物中C-O鍵的形成和抑制過渡態(tài)的反轉(zhuǎn)造成更高的對映選擇性。

2.5 催化劑的循環(huán)使用

表3為固載化均相催化劑對α-甲基苯乙烯的循環(huán)使用情況。從表3中可以看出，和均相Jacobsen催化劑相比，固載催化劑3d在循環(huán)使用10次后仍然具有較高的催化活性。這主要?dú)w因于載體的結(jié)構(gòu)是由疏水的聚苯乙烯片段和具有親水性的以及具有納米層狀自組裝結(jié)構(gòu)的無機(jī)磷酸鋯部分以及構(gòu)成載體LCZSPP中的有機(jī)聚苯乙烯部分相互重疊、扭曲、平行、交叉、甚至纏繞以及層狀磷酸鋯部分形成了不同分子尺寸大小的孔徑、空洞、以及二級(jí)通道一起構(gòu)成的微環(huán)境，使得固載催化劑表現(xiàn)出如此優(yōu)異的循環(huán)性能。

表3 固載催化劑3d催化α-甲基苯乙烯環(huán)氧化反應(yīng)的循環(huán)使用性能[a]Table 3 Recycling of immobilized catalyst in the asymmetric epoxidation of α-methylstyrene with m-CPBA as the oxidant[a]

3 結(jié) 論

(1)用氫氟酸絡(luò)合法合成出了新型層狀晶態(tài)有機(jī)聚合物無機(jī)雜化低聚苯乙烯基膦酸-磷酸氫鋯載體材料。并將其用于固載手性Salen Mn（Ⅱ）催化不對稱環(huán)氧化反應(yīng)中。

(2)制備的固載催化劑表現(xiàn)出了和均相催化劑相當(dāng)或更高的催化活性，并且具有較好的重復(fù)使用性。

(3)對兩類不同鏈接手臂進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，二酚類鏈接手臂固載的手性Salen Mn（Ⅱ）催化劑在不加入昂貴的助催化劑情況下，就表現(xiàn)出了很好的對映選擇性和催化活性。

[1]Schurig V,Betschiner F.Chem.Rev.,1992,92:873-888

[2]Rukhsana I K,Noor-ul H K,Sayed H R A,et al.J.Catal., 2004,224:229-235

[3]GUO Feng(郭鋒),ZHANG Hong-Qi(張洪起),FENG Lei (馮磊),et al.Chem.J.Chinese Universities(Gaodeng Huaxue Xuebao),2008,22:972-977

[4]ZHAO Dong-Min(趙東敏),ZHAO Ji-Quan(趙繼全),ZHAO Shan-Shan(趙姍姍).Chinese Sci.Bull.(Kexue Tongbao), 2007,52:886-892

[5]Zhang W,Jacobsen E N.J.Org.Chem.,1991,56:2296-2298

[6]Katsuki T.Adv.Synth.Catal.,2002,344:131-147

[7]Jacobsen E N,Deng L,Furukawa Y.Tetrahedron,1994,50: 4323-4334

[8]McGarrigle E M,Gilheany D G.Chem.Rev.,2005,105:1563-1602

[9]Baleizo C,Garcia H.Chem.Rev.,2006,106:3987-4043

[10]Fraile J M,Garci J I,Mayoral J A.Chem.Rev.,2009,109: 360-417

[11]Palucki M,Pospisil P J,Zhang W.J.Am.Chem.Soc.,1994, 116:9333-9334

[12]Palucki M,Mccormick G J,Jacobsen E N.Tetrahedron Lett., 1995,36:5457-5460

[13]Wang D P,Wang M,Wang X N.J.Catal.,2006,237:248-254

[14]Ma X B,Fu X K.J.Mol.Catal.A:Chem.,2003,195:47-53

[15]Sui Y,Fu X K,Zeng R Q,et al.J.Mol.Catal.A:Chem., 2004,217:133-138

[16]Wu X J,Ma X B,Ji Y L,et al.J.Mol.Catal.A.Chem., 2007,265:316-322

[17]BAO He-Bin(包河彬),FU Xiang-Kai(傅相鍇),BAI Ruo-Fei (白若飛),et al.Chem.J.Chinese Universities(GaodengHuaxue Xuebao),2008,25:927-931

[18]Bai R F,Fu X K,Bao H B,et al.Catal.Comm.,2008,9: 1588-1594

[19]TU X B,Fu X K,Hu X Y,et al.Inorg.Chem.Commun.,2010, 13:404-407

[20]Gong B W,Fu X K,Chen J X,et al.J.Catal.,2009,262:9-17

[21]Ren W S,Fu X K,Bao H B,et al.Catal.Commun.,2009, 10:788-793

[22]Zou X C,Fu X K,Li Y D,et al.Adv.Synth.Catal.,2010, 352:163-170

[23]Zhang W,Loebach J L,Wilson S R,et al.J.Am.Chem. Soc.,1990,112:2801-2803

[24]Saihu L,Benjamin L.Angew.Chem.Int.Ed.,2010,49:628-631

[25]Zhang H D,Xiang S,Xiao J L,et al.J.Mol.Catal.A,2005, 238:175-184

[26]Kureshy R I,Ahamd I,Khan N H,et al.J.Catal.,2005, 235:28-34

Effect of Axial Linker Group on Heterogeneous Chiral Salen Mn（Ⅱ）Catalyzed Enantioselective Epoxidation of Unfunctionalized Olefins

LUO Yun-Fei1FU Xiang-Kai＊,1ZOU Xiao-Chuan1,2WANG Chang-Wei1HU Xiao-Yan1JIA Zi-Yong1ZHANG Huai-Zhi1

(1College of Chemistry and Chemical Engineering,Research Institute of Applied Chemistry Southwest University, The Key Laboratory of Applied Chemistry of Chongqing Municipality,The Key Laboratory of Eco-environments in Three Gorges Reservoir Region(Ministry of Education),Chongqing 400715,China)

(2Department of Biological&Chemical Engineering,Chongqing Education College,Chongqing 400067,China)

The chiral Salen Mn（Ⅱ）was axially immobilized onto a diamine or diphenoxyl linker modified layered crystalline hybrid material-zirconium oligostyrenylphosphonate-phosphate (LCZSPP)synthesized in this lab.The influence of the two types of linkers and axial additives on the catalytic performance of the heterogeneous Salen Mn（Ⅱ）was investigated.The results demonstrate that the conversion and enantioselectivity(ee)value increase in the presence of axial additive such as NMO for the Salen Mn（Ⅱ） immobilized onto LCZSPP via diamine linkers while the opposite is true for the immobilized Salen Mn（Ⅱ） via diphenoxyl.In addition,the prepared catalysts could be conveniently separated from the reaction system by simple precipitation in hexane,and could be reused at least ten times without significant loss of activity and enantioselectivity.

zirconium oligostyrenylphosphonate-phosphate;chiral Salen Mn（Ⅱ）;heterogeneous catalysts;enantioselective epoxidation of unfunctionalized olefins;axial additive

O614.3;TQ426.65

A

1001-4861(2011)07-1302-07

2011-01-15。收修改稿日期：2011-03-21。

國家科技部科技中小型企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金(No.09C26215112399)和國家人力資源和社會(huì)保障部留學(xué)人員回國創(chuàng)業(yè)啟動(dòng)支持計(jì)劃(人社廳發(fā)2009(143號(hào)))資助項(xiàng)目。

＊通訊聯(lián)系人。E-mail：fxk@swu.edu.cn