甲酸鹽不對稱還原法制備(S)-α-乙基苯甲醇

郭慶君

(濟寧學院化學化工與材料學院，山東 曲阜 273155)

具有手性的(S)-α-乙基苯甲醇是一種香料，也是一種利膽藥[1]，手性仲醇是一類重要的有機化合物，廣泛地存在于許多天然產物[2]、藥物分子[3]以及一些液晶材料中[4]，通常用生物酶催化法、化學合成法[5]，化學法根據底物的不同，將潛手性羰基做不對稱還原或加成，依據催化劑中配位中心離子的不同有各種金屬試劑[6-14]，若以配體分類，有含氮、氧、磷和硫原子基團的立體配位方式的試劑[15-16]，在豐富繁多的研究中，以易得苯丙酮為潛性手性底物，使用相轉移劑，在水溶性的銥配合物催化下，被水溶性的甲酸鹽還原為手性仲醇的反應里，其條件相對溫和、對映選擇性高，作為一個基礎手性合成反應，值得再探索。

1 實 驗

1.1 試劑、儀器

主要器材：恒壓滴液漏斗(100 mL)；三口圓底燒瓶(125 mL)；磁力加熱攪拌器；RE-52A型旋轉蒸發儀；核磁共振儀(Bruker公司，Bruker Advance 400 MHz，CDCl3為氘代溶劑，TMS作為內標)；傅里葉變換紅外光譜儀(島津，FT-IRTracer)；高效液相色譜儀(LC-10AT，島津，檢測器為SPD-10AvpPlus, UV-visDetector)；手性毛細管柱(Daicel Chiralpak OD-H column 250 mm×4.6 mm)，JascoP1020型數字旋光儀。

主要試劑：1-苯丙酮；6 mol·L-1甲酸鈉；(Ph3P)2NCl[二(三苯基磷酰亞胺)氯化銨]、自制銥催化劑(R,R)-IrCl(1,5-C8H12){C6H10[NHCH2Ph(PPh2)]2(SO3Na)4}[按文獻[17-18]制備]；乙醚。

1.2 合成方法

將水溶性催化劑(R,R)-IrCl(1,5-C8H12){C6H10[NHCH2Ph(PPh2)]2(SO3Na)4}0.74g(0.5 m mol)和相轉移劑(Ph3P)2NCl[二(三苯基磷酰亞胺)氯化銨]1.15 g(2 mmol)加入125 mL三口燒瓶中，攪拌后，加入67 mL 6.0 mol·L-1HCOONa(0.4 mol)，持續攪拌并通N2置換去除溶解空氣，約3 min后，加入底物13.4 g 1-苯基丙酮(0.1 mol)，加熱到60 ℃攪拌至所需反應時間，用薄層色譜法(TLC)跟蹤催化反應的進程。待實驗結束后，用乙醚 10×3 萃取有機物，合并萃取液，旋干濃縮，得到目標產物(S)-α-乙基苯甲醇。高效液相色譜儀分析，測定反應物的轉化率和產物的對映選擇性e.e.值。

圖1 (S)-α-乙基苯甲醇不對稱催化合成原理

2 結果討論

實驗從催化劑，相轉移表面活性試劑，溫度，時間方面，優選反應條件。

2.1 催化劑用量對反應的影響

在不對稱有機合成反應中，催化劑的種類和用量直接影響反應的路徑及進程，當然影響產物的對映體過量值e.e.(產物的對映體|R%-S%|)與轉化率conversion，固定其它反應條件，只變換催化劑的用量[19]，得圖2。當催化劑的用量超過0.004 eq時，產物的e.e.值的增長趨勢變小，0.005 equiva時轉化率和e.e.綜合性能最好。因此，催化劑的最佳用量為0.005 eq[20-21]。

圖2 催化劑用量對反應的影響

2.2 相轉移劑對反應的影響

水溶性手性金屬絡合物具有很好的溶解性，而芳香酮的水溶解性則很小，各在一相，反應難以進行，因此有必要在反應體系中加入表面活性劑，使反應物能夠接觸，然后發生反應。

圖3 相轉移劑對反應的影響

本組實驗只考慮相轉移添加劑，即在60 ℃下，固定n苯丙酮:n甲酸鈉:n催化劑=1:4:0.005，考察反應相轉移添加劑PPNCl{[二(三苯基磷酰亞胺)氯化銨](Ph3P)2NCl}用量對反應的影響，得圖3，相轉移表面活性試劑的添加量w值(PPNCl與催化劑的摩爾比)為4時，催化體系的活性較好，分別為轉化率 96%和用時為21 h。隨著w(相轉移劑:催化劑之比)值的增加，轉化率有緩慢降低，反應時間基本不變[13],綜合考慮轉化率及反應時間用量PPNCl為1.15 g 0.002 摩爾(以底物為0.1 mol計)，W值為4 時時最佳。

2.3 HCOONa用量對反應的影響

如上實驗，固定n苯丙酮:n催化劑:n相轉移劑=1:0.005:0.02，只變化還原劑的用量，得圖4，隨還原劑HCOONa增加，轉化率增加，e.e.降低，超過4當量時則化學轉化率處在較高狀態、e.e.值降低幅度較大，考慮轉化率及e.e.值，HCOONa的最佳用量為4 eq[22](計算按1-苯基丙酮為基礎，得出轉換率及e.e.值)。

圖4 HCOONa用量對反應的影響

2.4 溫度對反應的影響

同樣，固定n苯丙酮:n甲酸鈉:n催化劑:n相轉移劑=1:4:0.005:0.02，以溫度為變量，范圍在20～80 ℃，情況如圖5，很明顯，低溫有利于獲得單一光學活性物質，對映體過量值e.e.較高，但反應速率緩慢，化學轉化率低；高溫不利于獲得產物的高e.e.值，但所得產率高，因此，選取60 ℃為最適反應溫度。

圖5 溫度對反應的影響

2.5 催化反應途徑推測

根據Noyori[23]和Cortez[24]提出的催化的機理，我們提出如圖6所示的不對稱催化反應途徑：還原劑HCOO-根與催化劑作用，使用富電子的氧原子親核過渡金屬原子Ir(Nu)加成，同時離去氯離子Cl-，仍是Ir的18電子狀態，形成了催化劑的Ir原子鍵連甲酸根的氫及甲酸的氧碳四環過渡態，然后甲酸中的雙氧協同斷裂消去CO2，甲酸的氫協同鍵合催化劑中的Ir原子，則成雙氫結合Ir原子，從而變得具有還原性，遇底物芳香酮中的羰基碳作為親核中心，結合催化劑中的IrNH鍵的氫，羰基氧則鍵合IrH原子鍵連的H原子，結果是羰基只能一個方向結合催化劑的HNIrH原子形成HIrNHCO六原子形成過渡態，然后IrH的斷裂，NHC連鍵中NH斷裂，形成特定空間結構的產物，氮元素則有空孤電子對結合水溶液中的氫離子，下一個循環是HCOO-根的富電子的氧原子親核過渡金屬原子Ir(Nu)加成，形成了催化劑的Ir原子鍵連甲酸根的氫及甲酸的氧碳四環過渡態，然后羧基中的雙氧協同斷裂消去CO2，甲酸根的氫H結合催化劑中心原子鍵連IrH，完成一個循環，以催化劑為中心，一個羧基加成解離，一個羰基加成解離，催化劑都是反應的核心關鍵，量的多寡一定影響反應進程。催化劑空間結構一定會影響酮氫結合順序及方位，即決定構型。因此催化劑即決定反應速度，也決定 (R，S)構型，當逐漸加大催化劑時，反應速度加快，對映選擇性反應比例升高，e.e.值也逐漸變大。

圖6 催化反應途徑推測

2.6 反應影響因素總結

有以上實驗結果可以總結出最佳反應條件為：n1-苯丙酮:n甲酸鈉:n催化劑:n相轉移劑=1:4:0.005:0.02，反應的溫度60 ℃，反應時間約21小時(不固定，用TLC監測)，在最佳反應條件下，產物轉化率為98%，選擇性(產物對映體過量值e.e.)為87%。

3 產物檢測

上述各個實驗的目標產物，用IR、1HNMR、13C NMR鑒定，結構構型用旋光儀測定后和文獻比較確定，轉化率及e.e.值用液相色譜檢測，結果及分析如下：

3.1 α-乙基苯甲醇紅外光譜

采用傅里葉變換紅外光譜儀(島津，FT-IR Tracer)測定，樣品涂抹KBr壓片后測定紅外吸收，得右圖7，目標物的特征吸收峰IR(KBr)ν:3366 cm-1，3030 cm-1，1019 cm-1，700 cm-1，2965 cm-1，2932 cm-1，2877 cm-1，1453 cm-1，1493 cm-1，1379 cm-1，743 cm-1。

圖7 α-乙基苯甲醇的紅外光譜

使用Omnic軟件解析圖譜，分析預測化合物的官能團如下：

3366 cm-1醇氫-OH伸縮振動峰；3030 cm-1苯環Ph-氫伸縮振動峰，1019 cm-1苯環氫面內彎曲振動峰，700 cm-1苯環氫面外彎曲振動峰，推斷為Ph-基；2965、2932、2877 cm-1可能是甲基、亞甲基、次亞甲基-C-H伸縮振動峰，1453、1493 cm-1則是-C-H面內彎曲振動峰，1379 cm-1峰則是甲基的特征峰，確定有甲基，由上分析確定有-OH、Ph-、-CH3，-CH2-、-CH<(次亞甲基)不能確定。

人員、人才、人力資源是企業生產與管理的重要因素，是企業實現綠色發展和低碳經濟建設目標的根本前提。當前企業應該從人事制度、用人機制和人力資源管理等層面持續創新和系統完善，建立起適于低碳經濟的企業管理制度體系，進一步規范市場化運行、結構性管理、功能化操作等相關環節，構建起符合低碳經濟的企業人事管理新系統。

3.2 1-苯丙醇NMR譜

3.2.1 產物的1H-NMR結構分析

用科研合作平臺外測獲得數據，用于確定產物分子的結構及結構中的特殊官能團。他們用瑞士bruker公司Avance400型核磁共振儀，采集產物的1H NMR13C NMR信息得圖8、圖9。

δ7.32～7.21(m，5H)歸屬芳環上的氫，δ4.41(t， 1H)為與羥基相連接的次甲基上的氫，δ4.72(br，1H)歸屬羥基氫，δ1.81(m，2H)歸屬亞甲基上的兩個氫，δ0.89(t，3H)歸屬甲基氫。五者的積分面積為5:1:1:2:3，結合紅外譜可以確定有Ph-、-CH(OH)-、-OH-、-CH2-、-CH3基團，考慮反應的底物是1-苯丙酮，推測產物結構應為PhCH(OH)CH2CH3。

圖8 α-乙基苯甲醇的1H NMR譜

3.2.2 產物的13C NMR結構分析

圖9 α-乙基苯甲醇的13C NMR譜

對產物的13C NMR分析(圖9)，δ144.6、128.8、128.1、126.0歸屬苯環碳；δ76.5歸屬羥基相連接的次甲基碳；δ31.7歸屬亞甲基碳；δ10.0為甲基碳。則再次佐證了Ph-、-CH(OH)-、-CH2-、-CH3基團。

以上可以判定α-乙基苯甲醇。

3.3 旋光測定

3.4 產物的液相色譜分析

產物的對應異構體含量通過HPLC測定，使用美國安捷倫公司A1260型高效液相色譜儀(手性柱Chiralpak OD-Hcolumn(250 mm×4.6 mm)，測試溫度為35 ℃，流動相[(V正己烷:V異丙醇=98:2)，流速為1.0 mL·min-1]，分析測定苯丙醇的對映異構體R、S型的含量，并計算對映異構體過量率e.e.值[20]，e.e.=R%-S%。圖10的HPLC圖是在最佳條件下(水溶液體系，60 ℃下，n苯丙酮:n甲酸鈉:n催化劑:n相轉移劑=1:4:0.005:0.02)，不對稱催化產物的選擇性e.e.值達到87%。

圖10 產物α-乙基苯甲醇的HPLC譜

4 結 論

在水溶液體系中，60 ℃下，n苯丙酮:n甲酸鈉:n催化劑:n相轉移劑=1:4:0.005:0.02，底物1-苯丙酮轉化率為98%，e.e.值87%；產物結構經IR、1HNMR和13CNMR確證，分子構型通過旋光儀進行旋光度的測試并與文獻報道相對比得出為(S)-α-乙基苯甲醇，如可能做一下目標產物的X-ray晶體衍射，以得到權威確信的構型。本實驗優點反應條件溫和，水溶液環境，易于實現。