CN101270113A - 多手性催化剂制备及在高光学活性环碳酸酯合成的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高光学活性环碳酸酯的制备方法和这种方法所用的主催化剂，以及这种催化剂的制备方法。本发明的方法是用外消旋环氧烷烃和二氧化碳经手性双组分催化剂催化环加成反应制备光学活性环状碳酸酯，所用的主催化剂是双手性的四齿配位席夫碱金属配合物；所用的助催化剂为四取代三溴鎓盐或季铵盐。

Description

多手性催化剂制备及在高光学活性环碳酸酯合成的应用

技术领域

本发明涉及一种高光学活性环碳酸酯的制备方法和这种方法所用的主催化剂，以及这种催化剂的制备方法。本发明的方法是用外消旋环氧烷烃和二氧化碳经手性双组分催化剂催化环加成反应制备光学活性环状碳酸酯。

背景技术

环状碳酸酯是性能优良的高沸点高极性有机溶剂，在有机合成、化妆品、气体分离、电池介电质及金属萃取等领域有广泛应用。光学活性环碳酸酯作为手性开始原料，可用于合成光学活性二醇类化合物等。现有技术中制备光学活性环状碳酸酯主要有以下几种方法：(1)由手性的环氧烷烃和二氧化碳通过环加成反应得到相应的手性环状碳酸酯，参见H.Kisch，R.Millini，I..J.Wang，Chem.Ber.，1986，119，1090；B.M.Trost，S.R.Angle，J.Am.Chem.Soc.，1985，107，6123.；(2)将外消旋环状碳酸酯通过酶催化水解动力学拆分方法制得，光学纯度在50-80％，参见K.Matsumoto，S.Fuwa，H.Kitajima，Tetrahedron Lett.1995，36，6499；M.Shimojo，K.Matsumoto，M.Hatanaka，Tetrahedron，2000，56，9281.；(3)用炔醇与二氧化碳反应制得亚甲基环状碳酸酯，然后用手性钌催化剂对其不对称加氢获得光学活性环状碳酸酯，e.e.值在80-95％，参见P.L.Gendre，T.Braun，C.Bruneau，P.H.Dixneuf，J.Org.Chem.，1996，61，8453；(4)从外消旋的环氧烷烃出发，与二氧化碳反应，通过动力学拆分，分别得到光学活性的环状碳酸酯和光学活性的环氧烷烃，这种制备方法e.e.值在0℃时为60％左右，参见X.-B.Lu，B.Liang，Y.-J.Zhang，Y.-Z.Tian，Y.-M.Wang，C.-X Bai，.H.Wang，R.Zhang，J.Am.Chem.Soc.2004，126，3732；B.Albrecht，B.Marc，Org.Lett.2006，8，4401)。

尽管通过上述几种方法均能获得较高光学纯度的环状碳酸酯，但大多存在催化剂活性低、反应时间长，需要有毒的有机溶剂；反应底物价格昂贵，且难以获得；产物分离和催化剂回收困难等问题。

中国发明专利申请200310114079.2公开了一种由外消旋环氧烷烃和二氧化碳经手性双组分催化剂催化环加成反应制备光学活性环状碳酸酯的方法。其双组分催化剂由主催化剂和助催化剂组成，主催化剂为手性四齿席夫碱金属配合物(R₁)(R₂)SalenMX，助催化剂为R¹R² ₃YX¹的盐，其中R₁、R₂为H、C₁～C₆烷基、烷氧基、Cl、Br或NO₂；M是三价金属正离子；X是一价负离子。R¹、R²为烃基，Y是氮、磷、砷，X¹是一价负离子。助、主催化剂的摩尔比为0.2～5∶1。催化剂与环氧烷烃摩尔比为1∶100～10000，CO₂的初始压力为0.1～4.0Mpa，0～60℃，反应1～20小时。据其公开文件披露，该专利申请具有催化剂活性高，反应条件温和，操作简便，手性催化剂易合成并可重复使用等特点。但从该专利申请发明人发表的相关文章也可看出，尽管采用了相同的方法，但其e.e.值却并没有那么高。例如：该专利申请的实施例1采用Jacobsen催化剂[(1R，2R)-tertBu₂SalenCo(CH₃CO₂)]、四丁基碘化铵为助催化剂进行反应得到44％产率，55％ee。但是，发明人正式发表在美国化学会会志(Journal of American ChemicalSociety 2004，126，3732-3733)的文章中报道的数据中所得到48％产率，37.3％ee。又如、该专利申请实施例2种报道用四丁基溴化铵为助催化剂反应，得到42％产率，61％ee。但是，发明人正式发表在美国化学会会志的文章中报道的数据为52％产率，42.9％ee。该专利申请实施例3披露用四丁基氯化铵为助催化剂反应，得到48％产率，65％ee。但是，发明人正式发表在美国化学会会志的文章中报道的数据为49％产率，50.5％ee。另外，该专利申请的发明在前述文章中披露用四丁基氯化铵为助催化剂，25℃下，得到46.8％产率，57.2％ee。而德国化学家在2006年在美国化学会有机化学快报(Organic Letters，2006，8(20)，4401-4404)中报道采用相同条件进行反应，在-20℃的结果为产率为36％，ee值为65％。产率为15％，ee值为73％。重要的是他们同时报道了温度对ee值的影响，参见附图1。从附图1中可以看出：当-20℃时的ee值为73％，但温度在25℃时其ee值为30％！从这些数据的差别可见其催化剂的效能疑似被夸大了。

发明内容

本发明提供一种可克服现有技术不足，在较温和条件下直接由外消旋的环氧烷烃和二氧化碳通过催化不对称环加成反应，更高效率制得相应的高光学活性环状碳酸酯的方法，并预期这种方法可有高于现有技术的e.e.值；同时本发明还提供前述方法所使用的催化剂以及这类催化剂的制备方法。

本发明同样是以外消旋环氧烷烃与二氧化碳在双组分催化剂催化环加成反应制备光学活性环碳酸酯，但本发明所使用的主催化剂是双手性的四齿配位席夫碱金属配合物；所用的助催化剂是四取代三溴鎓盐或季铵盐；助催化剂与主催化剂的比例在0.2～5∶1；主催化剂与环氧烷烃的比例在1∶100～2000；二氧化碳压力在常压～2Mpa范围内。其制备反应式如式1所示。

式1

制备光学活性环状碳酸酯所用的反应物外消旋环氧烷烃的结构通式见式2：

式2

其中R是CH₃，CH₂Cl，Ph，PhOCH₂，CH₃(CH₂)_n，n＝1-12。

本发明所述的光学活性环碳酸酯制备方法中使用的主催化剂双手性的四齿配位席夫碱金属配合物具有如式3所示的a结构，或者b结构：

式3

式中：R为H、CH₃、CH₂Ph、Bu、Ph、Mg或Cs；X位为CH₃CO₂ ^-、CF₃CO₂ ^-、CCl₃CO₂ ^-、NO₂PhCO₂ ^-或TsO^-一价负离子；M是Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Ir、Cr或Al中的任一元素。

本发明所述的光学活性环碳酸酯制备方法中使用的主催化剂双手性的四齿配位席夫碱金属配合物还可具有如式4所示的c结构，或者d结构：

式4

式中X位为CH₃CO₂ ^-、CF₃CO₂ ^-、CCl₃CO₂ ^-、O₂NPhCO₂ ^-或TsO^-一价负离子；M是Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Ir、Cr或Al中的任一元素。

本发明的双手性的四齿配位席夫碱金属配合物的制备方法是：

1)取如式5所示配体a`或b`或c`或d`

式5

与等摩尔的金属盐一起加入到反应容器内，所用的金属盐是Fe或Co或Ni或Ru或Rh或Ir或Cr或Al的二价或三价的醋酸盐或卤盐盐，氩气保护下，加入甲醇回流，待充分反应1-5小时后将反应体系冷却到室温，经抽滤，得到固体配合物，得到的三价金属配合物催化剂直接用于催化反应，得到的二价金属配合物进行下一步反应；

2)称取前述的固体配合物(二价金属配合物)溶于二氯甲烷，加入相应的酸(HX，X＝CH₃CO₂ ^-、CF₃CO₂ ^-、CCl₃CO₂ ^-、NO₂PhCO₂ ^-或TsO^-)在室温搅拌反应，待反应充分后，减压蒸馏出二氯甲烷，得到手性四齿配位席夫碱三价金属配合物。

3)称取2)步骤得到的手性四齿配位席夫碱三价金属催化剂溶解于四氢呋喃里，氩气保护下，将固体碳酸铯(CsCO₃)(和三价金属催化剂的摩尔比为1∶1)加入到上述体系中，室温搅拌反应4小时，减压蒸出四氢呋喃，得到的固体催化剂(1b)直接应用于催化反应；或者

4)再称取0.1mmol由3)步骤得到的手性四齿配位席夫碱三价金属催化剂溶于四氢呋喃中，氩气保护下，将二乙基镁(MgEt₂)的乙醚溶液加入到上述体系中，室温搅拌4小时，减压蒸出四氢呋喃，得到的固体催化剂(1c)直接应用于催化反应。

由一本发明采用了双手性的的四齿配位席夫碱金属配合物为主催化剂，将两个手性引入到催化剂配体中，形成了加和效应，结果在将其用于催化手性环碳酸酯的制备中，取得了显著的效果——即产物-手性环碳酸酯的ee值得到了很大的提高，使本发明产物的光学纯度高于现有技术制备产物。

此外，本发明与现有技术相比还具有以下优点：

(1)反应条件温和，过程简单；

(2)反应底物易于获得，且价格低廉；

(3)无需添加任何有机溶剂；

(4)产物与催化剂容易分离。

附图说明

附图1为德国化学家在2006年在美国化学会有机化学快报(Organic Letters，2006，8(20)，4401-4404)上公开的光学纯度与温度关系曲线。

具体实施方式

以下提供本实施例。

双手性的四齿配位席夫碱金属配合物的制备，本实施例是制备金属钴配合物。

本发明制备双手性的四齿配位席夫碱金属配合物所用的配体采用文献Z.-B.Li，L.Pu，Org.Lett.2004，6，1065给出的方法，即以手性的联萘酚(R或S)和手性的环己二胺(RR，或SS)合成出手性的联萘一醛和二醛的混合物，经柱分离后分别得到手性联萘一醛和二醛。再由联萘醛制备金属配合物，其具体过程参见式6(以一醛制备金属钴配合物为例)：

式8

实施例1

本实施例以催化剂1aCo(OAc)为例。1aCo(OAc)是指式3所述a结构中，R＝H，M＝Co，X＝OAc的催化剂，简称1a。后述的1b是指用式3a结构中R＝Cs制备的催化剂，1c是指用式3a结构中R＝Mg制备的催化剂，…，2h是指用式3中b结构中R＝Ph制备的催化剂，3和4分别是指用式4中c结构与d结构制备的催化剂。

1)(+)-(R)-3-醛基-2，2′-二羟基-1，1′-联萘(0.314g，1mmol)，加热溶于4ml乙醇中，冷却到室温，将(-)-(1R，2R)-环己二胺的酒石酸盐(0.5mmol)溶于0.5ml水中，加入0.5ml乙醇，此时有固体出现，将上层清液通过滴管加入到(+)-(R)-3-醛基-2，2′-二羟基-1，1′-联萘中，有粉色的固体出现，室温搅拌24小时，抽滤，干燥得到配体0.31克，产率89％。

2)取0.7g，1mmol的由1)所得配体和Co(OAc)₂·4H₂O(0.249g，1mmol)一起加入到50ml三口瓶中，氩气保护下，加入甲醇10ml，回流2.5小时，冷却到室温，抽滤，得到土黄色固体0.6克。

3)称取二价金属配体38.3毫克(0.05mmol)，溶于二氯甲烷5ml，加入冰醋酸(0.07ml，1mmol，20倍.)室温搅拌4小时，减压蒸馏出二氯甲烷和过量的醋酸，得到三价的直接应用于催化反应的产物1aCo(OAc)。

催化剂1b是在形成三价的催化剂后，与CsCO₃在四氢呋喃里搅拌反应得到的；而1c是是在形成三价的催化剂后，与CsCO₃在四氢呋喃里搅拌反应得到的产物再与MgEt₂在四氢呋喃里搅拌反应得到。关于1b与1c的制备可参见文献E.F.DiMauro，M.C.Kozlowski，Organometallics，2002，21，1454-1461.。

式3中催化剂1d、1e、1f、1g、1h和2a、2b、2c、2d、2f、2g、2h，以及式4中催化剂3、4的制备方法与催化剂1a的制备方法相同。

按前述方法分别制备出的催化剂1b、1c1d、1e、1f、1g、1h和2a、2b、2c、2d、2f、2g、2h，以及由二醛制备的催化剂3和4为本发明不同的具体实施例。由于其制备方法与前述程序相同，在此不一一赘述。

实施例2

在有效体积为100ml的不锈钢高压釜中依次加入：0.1mmol 1dCo(OAc)、0.1mmol苯基三甲基三溴化铵(PTAT)，29克(500mmol)环氧丙烷(本实施例中以此表示外消旋环氧丙烷，以下相同)，然后通入0.8Mpa二氧化碳气体。将温度控制在25℃，于磁力搅拌下反应24小时后，缓慢放掉高压釜中为反应的二氧化碳，减压蒸馏出丙烯碳酸酯11克，收率21.6％，通过γ-丁基改性β-环糊精气相色谱柱(30m×0.25mm×0.25mm)在Varian CP-3800色谱上测定其e.e.值为60.0％。在反应中助催化剂与主催化剂的比例在5～1：；主催化剂与环氧烷烃的比例在：0.05％～1％；二氧化碳压力为0.1～2Mpa。

实施例3

在与实施例1中使用相同的设备中，在相同的条件下，只是用1fCo(OAc)为催化剂，在25℃反应48小时后，获得15克丙烯碳酸酯，e.e.值为55.3％，收率为29.4％。

实施例4

在与实施例1中使用相同的设备中，在相同的条件下，改为0℃反应48小时后，获得5.0克丙烯碳酸酯，e.e.值为87.0％，收率为9.8％。

实施例5

在与实施例2中使用相同的设备中，在相同的条件下，改为0℃反应96小时后，获得5.0克丙烯碳酸酯，e.e.值为71.2％，收率为9.8％。

实施例6

在与实施例1中使用相同的设备中，在相同的条件下，改用2dCo(OAc)为催化剂，在0℃反应33小时后，获得2.1克丙烯碳酸酯，e.e.值为90.0％，收率为4.1％。

实施例7

在与实施例5中使用相同相同的条件下，在相同的条件下，改在20℃，反应20小时后，获得12.0克的丙烯碳酸酯，e.e.值为81.1％，收率为23.5％。

实施例8

在与实施例5中使用相同相同的条件下，在相同的条件下，改用Bu₄NBr代替PTAT，在0℃，反应24小时后，获得8.7克的丙烯碳酸酯，e.e.值为84.0％，收率为17.1％。

实施例9

在与实施例5中使用相同的设备中，在相同的条件下，改在-20℃反应156小时后，获得1.6克丙烯碳酸酯，e.e.值为94.9％，收率为3.1％。

实施例10

在与实施例1中使用相同的设备中，在相同的条件下，改用1bCo(OAc)为催化剂，在25℃反应12小时后，获得12.1克丙烯碳酸酯，其e.e.值为45.0％，收率为23.8％。

实施例11

在与实施例1中使用相同的设备中，在相同的条件下，改用1cCo(OAc)，在25℃反应24小时后，获得13.5克丙烯碳酸酯，其e.e.值为50.3％，收率为26.5％。

实施例12

在与实施例1中使用相同的设备中，在相同的条件下，改用1gCo(OAc)为催化剂，在25℃反应12小时后，获得23.5克丙烯碳酸酯，其e.e.值为44.0％，收率为46.1％。

实施例13

在与实施例1中使用相同的设备中，在相同的条件下，改用1hCo(OAc)为催化剂，在25℃反应17小时后，获得19.3克丙烯碳酸酯，其e.e.值为49.9％，收率为37.8％。

实施例14

在与实施例1中使用相同的设备中，在相同的条件下，改用2aCo(OAc)，在25℃反应48小时后，获得24.1克丙烯碳酸酯，其e.e.值为24.0％，收率为47.3％。

实施例15

在与实施例12中使用相同的设备中，在相同的条件下，改用2hCo(OAc)为催化剂，在25℃反应68小时后，获得19克丙烯碳酸酯，其e.e.值为39.3％，收率为37.3％。

实施例16

在与实施例1中使用相同的设备中，在相同的条件下，改用1dFe(Br)为催化剂，在25℃反应24小时后，获得4.3克丙烯碳酸酯，其e.e.值为44.4％，收率为8.4％。

实施例17

在与实施例1中使用相同的设备中，在相同的条件下，改用1dNi(OAc)为催化剂，在25℃反应24小时后，获得3.5克丙烯碳酸酯，其e.e.值为45.0％，收率为6.9％。

实施例18

在与实施例1中使用相同的设备中，在相同的条件下，改用1dRu(OAc)为催化剂，只是在0℃反应48小时后，获得8.2克丙烯碳酸酯，其e.e.值为77.0％，收率为16.1％。

实施例19

在与实施例1中使用相同的设备中，在相同的条件下，改用1dRh(Cl)为催化剂，在0℃反应96小时后，获得1.0克丙烯碳酸酯，其e.e.值为81.2％，收率为9.8％。

实施例20

在与实施例1中使用相同的设备中，在相同的条件下，改用1dIr(Cl)为催化剂，在0℃反应120小时后，获得1.1克丙烯碳酸酯，其e.e.值为84.5％，收率为2.2％。

实施例21

在与实施例1中使用相同的设备中，在相同的条件下，改用1dCr(Cl)为催化剂，在0℃反应33小时后，获得3.0克丙烯碳酸酯，其e.e.值为50.0％，收率为5.9％。

实施例22

在与实施例1中使用相同的设备中，在相同的条件下，改用1dAl(Cl)为催化剂，在0℃反应33小时后，获得3.8克丙烯碳酸酯，其e.e.值为50.0％，收率为7.5％。

实施例23

在与实施例1中使用相同的设备中，在相同的条件下，改用1dCo(O₂NPhCO₂)为催化剂，在0℃反应120小时后，获得20.2克丙烯碳酸酯，其e.e.值为84.7％，收率为39.6％。

实施例24

在与实施例1中使用相同的设备中，在相同的条件下，只是用1dCo(TsO)为催化剂，在0℃反应72小时后，获得6.3克丙烯碳酸酯，其e.e.值为43.1％，收率为12.4％。

实施例25

在与实施例1中使用相同的设备中，在相同的条件下，用外消旋的环氧氯丙烷代替外消旋的环氧丙烷，在25℃反应72小时后，获得15.8克氯丙烯碳酸酯，其e.e.值为43.1％，收率为23.2％。

实施例26

在与实施例1中使用相同的设备中，在相同的条件下，用外消旋的环氧正己烷代替外消旋的环氧丙烷，在25℃反应72小时后，获得8.6克己烯碳酸酯，其e.e.值为43.1％，收率为11.9％。

实施例27

在与实施例1中使用相同的设备中，在相同的条件下，用外消旋的苯乙烯环氧代替外消旋的环氧丙烷，在25℃反应72小时后，获得5.6克苯乙烯碳酸酯，其e.e.值为43.1％，收率为5.95％。

实施例28

在与实施例1中使用相同的设备中，在相同的条件下，用外消旋的苯氧基环氧丙烷代替外消旋的环氧丙烷，在25℃反应72小时后，获得15.6克苯氧基丙烯碳酸酯，其e.e.值为43.1％，收率为16％。

实施例29

在与实施例1中使用相同的设备中，在相同的条件下，用3Co(OAc)为催化剂，在25℃反应36小时后，获得22.2克丙烯碳酸酯，其e.e.值为54.4，收率为42.6％。

相关的试验表明，采用本发明制备方法中，如果助催化剂与主催化剂的比例在0.2～5∶1；主催化剂与环氧烷烃的比例在1∶100～2000；二氧化碳压力在常压～2Mpa范围内，其结果与前述实施例类似。

Claims (6)

1、光学活性环碳酸酯的制备方法，其特征是以外消旋环氧烷烃与二氧化碳在以双手性的四齿配位席夫碱金属配合物为主催化剂和以四取代三溴鎓盐或季铵盐为助催化剂的催化不对称环加成反应，反应中助催化剂与主催化剂的比例在0.2～5∶1；主催化剂与环氧烷烃的比例在1∶100～2000；二氧化碳压力在常压～2Mpa范围内。

2、根据权利要求1所述的光学活性环碳酸酯的制备方法，其特征是在反应中助催化剂与主催化剂的比例在5～1：；主催化剂与环氧烷烃的比例在：0.05％～1％；二氧化碳压力为0.1～2Mpa。

3、权利要求1或2所述光学活性环碳酸酯的制备方法中使用的主催化剂双手性的四齿配位席夫碱金属配合物，其特征是具有如下a的结构，或者b的结构：

式中：R为H、CH₃、CH₂Ph、Bu、Ph、Mg或Cs；X位为CH₃CO₂ ^-、CF₃CO₂ ^-、CCl₃CO₂ ^-、NO₂PhCO₂ ^-或CH₃C₆H₄SO₃ ^-一价负离子；M是Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Ir、Cr或Al中的任一元素。

4、权利要求1或2所述光学活性环碳酸酯的制备方法中使用的主催化剂双手性的四齿配位席夫碱金属配合物，其特征是具有如下c的结构，或者d的结构：

式中X位为CH₃CO₂ ^-、CF₃CO₂ ^-、CCl₃CO₂ ^-、O₂NPhCO₂ ^-或CH₃C₆H₄SO₃ ^-一价负离子；M是Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Ir、Cr或Al中的任一元素。

5、权利要求3所述的主催化剂双手性的四齿配位席夫碱金属配合物的制备方法，其特征是

1)取配体

与等摩尔的金属盐一起加入到反应容器内，所用的金属盐是Fe或Co或Ni或Ru或Rh或Ir或Cr或Al的二价或三价的醋酸盐或卤盐，氩气保护下，加入甲醇回流，待充分反应1-5小时后将反应体系冷却到室温，经抽滤，得到的三价金属配合物催化剂直接用于催化反应，得到的二价金属配合物则进行下一步反应；

2)称取前述的二价固体配合物溶于二氯甲烷，加入相应的酸在室温搅拌下，进行氧化反应，待反应充分后，减压蒸馏出二氯甲烷，得到手性四齿配位席夫碱三价金属配合物催化剂；

3)称取2)步骤得到的手性四齿配位席夫碱三价金属催化剂溶解于四氢呋喃里，氩气保护下，将固体碳酸铯(CsCO₃)(和三价金属催化剂的摩尔比为1∶1)加入到上述体系中，室温搅拌反应4小时，减压蒸出四氢呋喃，得到的固体催化剂直接应用于催化反应；或者

4)取由3)步骤得到的手性四齿配位席夫碱三价金属催化剂溶于四氢呋喃中，氩气保护下，将二乙基镁(MgEt₂)的乙醚溶液加入到上述体系中，室温搅拌反应，减压蒸出四氢呋喃，得到的固体催化剂直接应用于催化反应。

6、权利要求4所述的主催化剂双手性的四齿配位席夫碱金属配合物的制备方法，其特征是

1)取配体

与等摩尔的金属盐一起加入到反应容器内，所用的金属盐是Fe或Co或Ni或Ru或Rh或Ir或Cr或Al的二价或三价的醋酸盐或卤盐，氩气保护下，加入甲醇回流，待充分反应1-5小时后将反应体系冷却到室温，经抽滤，得到的三价金属配合物催化剂直接用于催化反应，得到的二价金属配合物则进行下一步反应；

2)称取前述的二价固体配合物溶于二氯甲烷，加入相应的酸在室温搅拌下，进行氧化反应，待反应充分后，减压蒸馏出二氯甲烷，得到手性四齿配位席夫碱三价金属配合物催化剂；

3)称取2)步骤得到的手性四齿配位席夫碱三价金属催化剂溶解于四氢呋喃里，氩气保护下，将固体碳酸铯(CsCO₃)(和三价金属催化剂的摩尔比为1∶1)加入到上述体系中，室温搅拌反应4小时，减压蒸出四氢呋喃，得到的固体催化剂直接应用于催化反应；或者

4)取由3)步骤得到的手性四齿配位席夫碱三价金属催化剂溶于四氢呋喃中，氩气保护下，将二乙基镁(MgEt₂)的乙醚溶液加入到上述体系中，室温搅拌反应，减压蒸出四氢呋喃，得到的固体催化剂直接应用于催化反应。

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