CN101176853B - 手性二胺-金属配合物多相催化剂及制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

一种手性二胺-金属配合物多相催化剂及制备方法:(a)利用共沉淀法制备磁性纳米粒子;(b)向步骤a制备的纳米磁性粒子中加入稳定剂;所述的稳定剂为含邻二双酚取代基的芳基化合物、聚乙烯吡咯烷酮、C15-C18烷基或烯烃的羧酸;(c)利用溶胶凝胶方法在步骤b中的磁性纳米粒子表面覆盖载体;所述的载体为无机材料或有机无机杂化孔壁材料;(d)在步骤c的产物表面固载手性二胺配体;(e)将步骤d的产物溶解,加入金属前驱体,得到目标产物。本发明的多相催化剂制法简单,反应操作方便,通过用磁铁吸附很容易回收和循环利用催化剂。催化剂经过多次循环使用仍能保持催化剂活性和手性选择性。

Description

手性二胺-金属配合物多相催化剂及制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种多相催化剂,具体地说,涉及一种通过磁性纳米粒子固载和回收手性二胺-金属配合物的多相催化剂。
本发明还涉及上述多相催化剂的制备方法。
本发明还涉及上述多相催化剂在不对称氢转移反应中的应用。
背景技术
近年来,人们对单一对映体手性化合物的需求巨大并且呈逐年递增的趋势[Chem.& Eng.News.79(2001)79]。而光学活性醇和胺是医药、农药和精细化学品等领域的重要中间体。光学活性醇和胺分别可以通过还原酮和亚胺官能团制备。早期是通过手性膦配体氢化的方法制备[Chem.Rev.103(2003)3029],但是这类配体制备繁琐,操作难度大,对氧气敏感,一般需要较高的压力,在实际的工业应用中受到限制。自从Noyori在1995发现了手性二胺配体还原酮和亚胺的氢转移反应后[J.Am.Chem.Soc.118(1996)2521;J.Am.Chem.Soc.118(1996)4916],这类配体制备简单,反应操作方便,成为近年来制备光学活性醇和光学活性胺的最重要的催化剂之一。但是与其他均相催化反应一样,该反应体系存在产物与催化剂不易分离、产物不易纯化及催化剂难以回收等缺点,其工业应用仍然受到一定的限制。
相对而言,多相不对称催化不但具备产物与催化剂容易分离、产物容易纯化等优点之外,而且还具备催化剂可以回收再利用的优势。因此近年来催化剂的多相化逐渐引起各国科学家的重视。人们针对该体系做了大量的改进工作,其中肖建良等利用PEG固载手性二胺配体取得了良好的效果[Org.Lett.6(2004)3321],但是在催化剂回收时要加入大量的有机溶剂(如乙醚等)结晶出催化剂,对环境不友好且耗费时间。涂永强等利用大孔的二氧化硅固载手性二胺配体[Org.Lett.6(2004)169],也取得了较好的效果,但是由于二氧化硅本身的表面性质和孔的限制,在反应中受到底物扩散的限制。其他一些利用聚合物来固载二胺催化剂也取得了一定效果[J.Org.Chem.69(2004)5405],但是在反应活性和手性诱导能力上不尽如人意,同时存在聚合物自身的一些缺陷(催化剂活性中心与底物难接触,聚合物容易溶胀而使过滤洗涤变得相对繁琐)。同时人们也尝试利用液液两相来回收利用催化剂[WO 2005/075073],但是这些催化剂水溶性太好,与反应底物接触困难,从而会降低反应速率,同时萃取操作不可避免会造成催化剂损失。
而纳米磁性材料具有超磁性质,具有体积小,比表面大。表面性质易于调控等优点,利用磁场可以方便的控制磁性纳米粒子,所以磁性纳米粒子在固载酶、生物传感器、靶向药物释放等方面得到了广泛的应用[Angew.Chem.Int.Ed.43(2004)6042],国内也在利用磁性纳米粒子缓释药物[CN200410002030.2]提取DNA[CN02139818.6]等方面进行了有益的研究。而利用磁性纳米粒子回收和循环利用手性金属配合物催化剂最近三年也在国外开始发展起来[J.Am.Chem.Soc.127(2005)12486;J.Am.Soc.Chem.128(2006)5279],而国内还没有这方面的工作。
综上所述,利用磁性纳米粒子回收金属配合物催化剂是一种简便易行的方法,同时磁性纳米粒子表面性质易于调控,可以满足不同的反应条件,相对以前的方法,具有自身独特的优势:
发明内容
本发明的目的在于提供一种手性二胺-金属配合物多相催化剂。
本发明的又一目的在于提供制备上述多相催化剂的方法。
为实现上述目的,本发明提供的手性二胺-金属配合物多相催化剂,组成为:磁性纳米粒子表面覆盖一层载体,载体表面固载手性二胺-金属配合物,其结构如下式:
Figure GSB00000203342900031
式中R1、R2和R3相互独立;
R1=H、C1-C10的烷基或芳基;
R2=直接连接硫原子与载体的单键或含C1-C16和杂原子的有机基团;
R3=C1-C10的烷基或芳基;
手性二胺为1R、2R或1S、2S构型;
L=芳基或含C1-C3烷基取代基的芳基;
X=卤素原子;
M=Rh、Ru或Ir;
磁性纳米粒子结构式为Fe3O4或γ-Fe2O3
载体为无机材料或有机无机杂化孔壁材料。
本发明提供的制备上述多相催化剂的方法,其步骤为:
(a)利用共沉淀法制备磁性纳米粒子;
(b)向步骤a制备的纳米磁性粒子中加入稳定剂;所述的稳定剂为含邻二双酚取代基的芳基化合物、聚乙烯吡咯烷酮、C15-C18烷基羧酸;
(c)利用溶胶凝胶方法在步骤b中的磁性纳米粒子表面覆盖载体;所述的载体为无机材料或有机无机杂化孔壁材料;
(d)将步骤c的产物在有机溶剂中回流固载手性二胺配体;
(e)将步骤d的产物溶解,加入金属前驱体,得到目标产物;所述的金属前驱体结构式为
[MXmLn]p
其中,M=Rh、Ru或Ir;X=卤素原子;L=芳基或含C1-C3烷基取代基的芳基;m=2或3;n=0或1;p=1或2。
所述的制备方法,其中,步骤a制备的磁性纳米粒子结构式为Fe3O4或γ-Fe2O3,平均粒径为5~20nm。
所述的制备方法,其中,步骤c中的载体为无机二氧化硅材料、有机-无机杂化孔壁的含硅材料、有机基团修饰过的无机二氧化硅载体、有机不溶性和可溶性聚合物。
所述的制备方法,其中,步骤d中的有机溶剂为甲苯或三氯甲烷。
所述的制备方法,其中,步骤e中金属前驱体L所表示的芳基或含C1-C3烷基取代基的芳基,分子式如下:
Figure GSB00000203342900051
本发明提供的手性二胺-金属配合物多相催化剂用于酮或亚胺不对称氢转移反应中,其中,适用的反应底物的酮的分子式为:
Figure GSB00000203342900052
其中R4与R5相互独立,为C1-C10和含杂原子的烷基或芳基。
适用的反应底物的亚胺的分子式为:
Figure GSB00000203342900053
其中R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12和R13相互独立,为C1-C10和含杂原子的烷基或芳基。
与现有的技术相比,本发明具有以下优点:
1、本发明提供的手性二胺-金属配合物多相催化剂容易制备,反应后处理操作简单,只需要利用磁铁吸附,倾析出产物即可分离催化剂与产物。
2、该手性二胺-金属配合物多相催化剂应用于不对氢转移还原酮和亚胺,可以得到与均相相当的活性和光学活性
3、该手性二胺-金属配合物多相催化剂表现出较高的稳定性,在酮的不对称氢转移反应中,经5次循环使用仍可保持较高的活性和手性选择性。在亚胺的不对称氢转移反应中,经8次循环使用催化剂活性和手性选择性没有明显降低。
4、利用磁性纳米粒子回收催化剂的方法具有普适性,很容易运用到其他反应体系中。
附图说明
图1为盐酸多巴胺稳定的四氧化三铁(dopamine@Fe3O4)纳米磁性粒子的电子显微镜(TEM)图。
图2为油酸稳定的四氧化三铁(oleic acid@Fe3O4)纳米磁性粒子的TEM图片。
图3为正硅酸乙酯包裹盐酸多巴胺稳定的四氧化三铁纳米磁性粒子的X射线衍射(XRD)图。
图4为利用磁铁回收催化剂的过程示意图。
具体实施方式
本发明的具体实施步骤如下:
(1)制备均一的磁性纳米粒子
将铁盐(或三价铁盐和二价铁盐按物质的量比为2∶1)溶解在去离子水中置于惰气保护的烧瓶中,在适当的温度加入适量的碱溶液,并保持20-30min,用去离子水洗涤至中性。
(2)磁性纳米粒子的改性
(a)亲水性磁性纳米制备:将步骤1中磁性纳米粒子超声30min,加入水溶性分子继续超声30min。
(b)亲油性磁性纳米粒子制备:将步骤1中磁性纳米粒子超声30min,加入油溶性分子继续超声30min。
(3)包裹磁性纳米粒子
(a)将步骤2a或b制备的磁性纳米粒子分散在去离子水中,加入浓氨水,将含有硅酯的乙醇溶液缓慢的滴加到其中。
(4)在一定温度的有机溶剂中将手性二胺嫁接到步骤3中处理过的磁性纳米粒子上。
(5)将步骤4的产物溶解在有机溶剂中,加入金属前驱体,超声30min,得到本发明的手性二胺-金属配合物多相催化剂。
上述方法中:
步骤1中的三价铁盐是指Fe2(SO4)3·xH2O、FeCl3.xH2O、Fe(NO3).xH2O,二价铁盐是指FeCl2·xH2O,惰气是指氮气或氩气,优选氩气。所述的温度是指20-80℃,所述的碱性溶液是指28%浓氨水或10%氢氧化钠溶液,优选28%浓氨水,制备得磁性纳米粒子的平均粒径为5~20nm。
步骤2中的水溶性分子是指柠檬酸钠、多巴胺、四甲基氢氧化铵,优选多巴胺;油溶性分子是指C10-C18烷基羧酸或烯烃羧酸、聚乙烯吡咯烷酮,优选油酸。
步骤3中的硅酯为硅酸钠、正硅酸甲酯和正硅酸乙酯,优选正硅酸乙酯。
步骤4中的一定温度指的是在回流条件,有机溶剂是指甲苯或三氯甲烷,优选甲苯。
步骤5中的金属前驱体结构式为
[MXmLn]p
其中,M=Rh、Ru或Ir;X=卤素原子;L=芳基或含C1-C3烷基取代基的芳基基团;m=2或3;n=0或1;p=1或2。
步骤5制备得手性二胺-金属配合物的结构如下式所示:
Figure GSB00000203342900081
其中,R1、R2和R3相互独立,R1=H、C1-C10的烷基或芳基,R2=直接连接硫原子与载体的单键或含C1-C16和杂原子的有机基团,R3=C1-C10的烷基或芳基,手性二胺为1R、2R或1S、2S构型,X=卤素原子,L=芳基或含C1-C3烷基取代基的芳基,分子式如下:
Figure GSB00000203342900082
M=Rh、Ru、Ir,优选Rh、Ru;载体为无机材料(二氧化硅、活性碳等)或有机无机杂化孔壁材料,也包括有机基团修饰过的无机载体。所得的多相催化剂经过元素分析检测嫁接到载体上的金属M的含量为60~80μmol·g-1之间。
为了进一步说明本发明,采用(S,S)-1,2-二苯基乙二胺为手性二胺,[RuCl2L]2(L=对甲基异丙基苯)为金属前驱体作为不对称氢转移反应实施例,但它并不限制各附加权利要求所定义的发明范围。
实施例1:制备手性二胺-金属配合物多相催化剂
1)水溶性磁流体的制备
1.25g FeCl3·6H2O和0.46FeCl2·4H2O溶解在75ml脱气的去离子水中,在氩气保护下升温到80℃,在剧烈的机械搅拌下,迅速注入浓度为28%氨水19ml,保持20min。降到室温,用去离子水洗涤到中性,加入0.45g盐酸多巴胺,超声30min,得到水溶性磁流体,平均粒径为10~15nm(见图1)。
2)油溶性磁流体的制备
同步骤1:1.25g FeCl3·6H2O和0.46FeCl2·4H2O溶解在75ml脱气的去离子水中,在氩气保护下升温到80℃,在剧烈的机械搅拌下,迅速注入浓度为28%氨水19ml,保持20min。然后加入3ml油酸,继续保持温度30min,降到室温,加入丙酮120ml沉降纳米磁铁粒子,用去粒子水洗涤三次,加入60ml CHCl3并超声30min,得到油溶性磁流体,平均粒径为15~20nm(见图2)。
3)将步骤1或2制备的磁流体溶解在250ml乙醇和水3∶1溶液中,在剧烈搅拌下,4h内将6ml正硅酸乙酯的100ml乙醇溶液缓慢滴加入其中,在40℃保持3h。磁铁吸附,用乙醇洗涤三次,真空干燥24h(该步骤产物的XRD见图3)。
4)将0.21g(S,S)-1,2-二苯基乙二胺和0.3ml三乙胺溶解在10ml干燥的CH2Cl2,在0℃缓慢滴加入含0.29g(CH3O)3CH2CH2PhSO2Cl硅酯的10ml CH2Cl2,滴加完毕后,升温到室温继续反应10h,旋干CH2Cl2。过柱纯化得到米黄色固体(硅胶柱淋洗液:Et3N∶CH3OH∶CH2Cl2=1∶10∶100)。
1H NMR(300MHz,CDCl3)δ0.89-0.95(m,2H),1.50(s,2H,NH2),2.65-2.70(m,2H),3.59(s,9H),4.12(d,J=5.4Hz,1H),4.37(d,J=5.4Hz,lH),6.99-7.34(m,14H);13C NMR(75MHz,CDCl3)δ11.0,28.5,50.6,60.4,63.2,126.5,126.9,127.3,127.4,127.8,128.2,128.3,137.3,139.1,141.3,148.8;IR 3352,3296,3171,3060,3028,2941,2841,1902,1691,1600,1495,1454,1410,1343,1322,1265,1191,1157,1088,1013cm-1
5)将步骤3中的载体1g与步骤4合成硅酯0.08g溶解在200ml干燥甲苯中,超声30min,于120回流24h,用CH2Cl2和CH3OH洗涤,真空干燥。
6)将步骤5制备的含有5μmol手性二胺配体的多相催化剂和[RuCl2L]2(L=对甲基异丙基苯)2.5μmol溶于2ml H2O,超声30min并搅拌30min,生成本发明的多相催化剂:手性二胺-金属催化剂。
实施例2:多相催化剂用于不对称氢转移反应
在实施例1步骤6制备的多相催化剂中加入0.5mmol苯乙酮、340mgNaCOOH于40℃反应,反应结束后用磁铁吸附除去固体催化剂(见图3),滤液柱层析纯化后以气相色谱仪分析转化率和对映体选择性(全甲基化的β-环糊精手性毛细管色谱柱),结果见表1。
实施例3:多相手性催化剂用于苯乙酮不对称氢转移反应
实施例1制备的多相催化剂,加入0.5mmol苯乙酮、0.13ml HCOOH,0.37ml Et3N于40℃反应,结果见表1。
实施例4:多相手性催化剂用于苯乙酮不对称氢转移反应
实施例1制备的多相催化剂,加入0.5mmol苯乙酮,340mgNaCOOH,80μmol三甲基十六烷基溴化铵于40℃反应,结果见表1。
实施例5:多相手性催化剂用于6,7-二甲氧基-1-甲基-3,4-二氢异喹啉不对称氢转移反应
将含有5μmol手性二胺配体的多相催化剂和[RuCl2L]2(L=对甲基异丙基苯)2.5μmol溶于1ml CH2Cl2,超声30min并搅拌30min,加入0.5mmol6,7-二甲氧基-1-甲基-3,4-二氢异喹啉,0.10ml HCOOH,0.15ml Et3N于40℃反应,反应结束后用磁铁吸附除去固体催化剂,产率以核磁分析,滤液硅胶柱纯化后用液相色谱仪分析对映体选择性(Chiralcel OD-H色谱柱),结果见表3。
实施例6:苯乙酮循环使用性能示例。
实施例1制备的多相催化剂,加入0.5mmol苯乙酮、80μmol三甲基十六烷基溴化铵,340mg NaCOOH于40℃反应。反应结束后用磁铁吸附催化剂,用CH2Cl2洗涤固体催化剂后再用于下一次反应,结果见表2。
实施例7:6,7-二甲氧基-1-甲基-3,4-二氢异喹啉循环使用性能示例
实施例1制备的多相催化剂,加入0.5mmol 6,7-二甲氧基-1-甲基-3,4-二氢异喹啉、0.10ml HCOOH,0.15ml Et3N于40℃反应,反应结束后用磁铁吸附催化剂,用CH2Cl2洗涤固体催化剂后再用于下一次反应,结果见表3。

Claims (6)

1.一种手性二胺-金属配合物多相催化剂,组成为:磁性纳米粒子表面覆盖一层载体,载体表面固载手性二胺-金属配合物,其结构如下式:
Figure FSB00000007453000011
式中R1、R2和R3相互独立;
R1=H、C1-C10的烷基或芳基;
R2=直接连接硫原子与载体的单键或含C1-C16和杂原子的有机基团;
R3=C1-C10的烷基或芳基;
手性二胺为1R、2R或1S、2S构型;
L=芳基或含C1-C3烷基取代基的芳基;
X=卤素原子;
M=Rh、Ru或Ir;
磁性纳米粒子结构式为Fe3O4或γ-Fe2O3
载体为无机材料或有机无机杂化孔壁材料。
2.制备权利要求1所述手性二胺-金属配合物多相催化剂的方法,其步骤为:
(a)利用共沉淀法制备磁性纳米粒子;
(b)向步骤a制备的纳米磁性粒子中加入稳定剂;所述的稳定剂为含邻二双酚取代基的芳基化合物、聚乙烯吡咯烷酮、C15-C18烷基羧酸;
(c)利用溶胶凝胶方法在步骤b中的磁性纳米粒子表面覆盖载体;所述的载体为无机材料或有机无机杂化孔壁材料;
(d)将步骤c的产物在有机溶剂中回流固载手性二胺配体;
(e)将步骤d的产物溶解,加入金属前驱体,得到目标产物;所述的金属前驱体结构式为
[MXmLn]p
其中,M=Rh、Ru或Ir;X=卤素原子;L=芳基或含C1-C3烷基取代基的芳基;m=2或3;n=0或1;p=1或2。
3.如权利要求2所述的制备方法,其中,步骤a制备的磁性纳米粒子结构式为Fe3O4或γ-Fe2O3,平均粒径为5~20nm。
4.如权利要求2所述的制备方法,其中,步骤c中的载体为无机二氧化硅材料、有机-无机杂化孔壁的含硅材料、有机基团修饰过的无机二氧化硅载体。
5.如权利要求2所述的制备方法,其中,步骤d中的有机溶剂为甲苯或三氯甲烷。
6.权利要求1所述的多相催化剂在酮或亚胺不对称氢转移反应中的应用。
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EP1127889A2 (en) * 2000-02-21 2001-08-29 Okazaki National Research Institutes Chiral molecular magnet and manufacturing method of the same

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