CN101830920A

CN101830920A - 一种脯氨醇衍生物诱导具有不对称催化作用的手性MOFs材料

Info

Publication number: CN101830920A
Application number: CN201010180734A
Authority: CN
Inventors: 段春迎; 武鹏彦; 何成; 谢忠
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2010-05-20
Filing date: 2010-05-20
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2030-05-20
Also published as: CN101830920B

Abstract

本发明公开了一种脯氨醇衍生物诱导具有不对称催化作用的手性MOFs材料，属于手性催化材料技术领域。其以L-BCIP或D-BCIP为手性源，以5，5’-亚甲基二异酞酸、4，4’-联苯二酸、3，3’，4，4’-联苯四酸或4，4’-磺酰苯二酸为联接配体，Ln³⁺作为节点通过水热方法构筑三维孔道结构，其结构通式如下：Ln³⁺+L+L-BCIP or D BCIP→Ln-L；其中，Ln³⁺为稀土金属离子；L为联接配体；L-BCIP为L-N-叔丁氧羰基-2-咪唑-1-吡咯烷；D-BCIP为D-N叔丁氧羰基-2-咪唑-1-吡咯烷。该材料能作为非均相催化剂用于不对称硅氰化反应，因而催化剂可循环利用，产率高达100％，ee值也达到99％。因此该手性MOFs材料可以在对映体纯的化合物合成、药物中间体的合成等方面具有很好的应用前景。此材料经适当处理可再生利用。

Description

一种脯氨醇衍生物诱导具有不对称催化作用的手性MOFs材料

技术领域

本发明属于手性催化材料技术领域，涉及到以脯氨醇衍生物为诱导剂诱导形成单一手性金属有机骨架材料及其在非均相不对称反应的催化作用。

背景技术

金属有机配位聚合物(metal-organic frameworks，MOFs)是金属离子与桥联有机配体通过配位作用而自组装形成的有机-无机复合微孔材料。20世纪90年代中期以来，由于这类材料兼有有机和无机材料的特性、结构多样，性能优异，作为功能材料在选择性催化，分子识别，气体吸附，离子交换，超高纯度分离材料，生物传导材料，光电材料，新型半导体材料，磁性材料和芯片开发等领域显示了迷人的应用前景，受到了了全球化学、材料学者的极大关注，成为九十年代后化学和材料学科领域最活跃和最前沿的研究领域。

在生物过程中手性的重要性不言而喻，这促使人们一直在致力于手性沸石和相关的多孔材料的研究。尽管在合成大孔沸石方面已经有了很大的突破，但是至今还没有合成出手性沸石。金属有机配位网络与传统的沸石相比更具优势，它可以在温和的条件下合成，并能通过修饰有机配体达到改变多孔材料的物理和化学性质。通过合理选择恰当的建筑模块可以得到手性MOFs，已有多孔材料被成功地应用到了手性分离和催化研究的报道。目前常用的三种合成纯手性金属有机超分子的方法：1)螺旋结构的存在能使三维网络结构产生手性，例如包含3折和4折螺旋的(10，3)网络结构，往往会产生外消旋体，化学拆分比较困难；(2)利用手性模板剂诱导得到手性金属有机超分子骨架，而模板剂常常存在孔洞中，从而阻碍其性能的进一步开发及研究；(3)利用手性有机分子单体作网络结构的联结点构建手性金属有机超分子骨架。正是由于手性金属有机超分子骨架在构筑上有一定的困难，所以尽管手性MOFs在非均相催化方面有着很大的潜力，但真正应用到催化的例子并不多。

为解决上述问题，打破手性MOFs材料在催化不对称合成方面实际应用的瓶颈，利用具有催化活性的于性诱导剂诱导合成具有大的孔洞手性MOFs使其展现出手性和催化活性是一条行之有效的途径。

1.在桥联配体的选择上，芳香羧酸具有在结构上具有一定的刚性和稳定性，芳香环上多个羧基的取代位置可变，配位平面可发生旋转，取向灵活的特色，成为我们选择的重点；

2.诱导剂的选择上，脯氨醇作为一种结构简单而且自然界含量丰富的手性分子，近几年来备受关注，它无毒、廉价，两种对映体均易获得；反应不需要惰性气氛，并且可在室温下进行；反应不需要对底物进行预修饰；具有水溶性，通过水萃取可简单除去。咪唑是一类重要的氮杂环化合物，其具有优良的结构特征和配位特性，含咪唑基配体的配位聚合物具有许多特殊的性能，在生命科学、功能材料如选择性催化、分子识别、可逆性主客体分子(离子)交换、超高纯度分离和微孔器件等方面都有应用，将两者融合为一体将会更加显现出诱人的应用前景。

3.在金属连结点的选择上，具有高配位数的稀土元素，易产生多变的结构，成为构筑MOFs的重要组成部分。

目前国际上在手性MOFs的构筑及其催化的研究上有所报道，Makoto Fujita(Chem.Commun.，2004，1586-1587)和R.Long(J.Am.Chem.Soc.2008，130，5854-5855)利用金属有机骨架结构(MOFs)催化醛的硅氰化反应，但是没有对映体选择性，Kimoon Kim(J.Am.Chem.Soc.2009，131，7524-7525)将脯氨酸衍生物通过后修饰方法嫁接到MIL-101上催化Adol反应，但是未得到晶体结构和高密度的催化位点，导致其催化效率不高以及其机理无法解释。因此，由手性配体或手性诱导剂通过水热方法合成的单一的手性MOFs，拥有晶体结构和高密度的催化位点，在不对称催化方面展现出诱人的应用前景。

发明内容

本发明以N-叔丁氧羰基-2-咪唑-1-吡咯烷为手性源构筑单一手性金属有机骨架及其在不对称催化上的应用，由于其在高温高压条件下的稳定性，使它作为催化剂提供前提，其在多种溶剂中的不溶解性，使它易与催化产物分离，为催化剂的可再生提供可能。而且本发明涉及的金属有机骨架材料制备简单，原料廉价。

本发明采用的技术解决方案是：

以L-N-叔丁氧羰基-2-咪唑-1-吡咯烷或D-N-叔丁氧羰基-2-咪唑-1-吡咯烷(L-BCIP或D-BCIP)为手性源，以5，5’-亚甲基二异酞酸(H₄MDIP)，4，4’-联苯二酸(H₂BPDC)，3，3’，4，4’-联苯四酸(H₄BPTC)，4，4’-磺酰苯二酸(H₂SDBC)为联接配体L，稀土金属离子(Ln³⁺)作为节点通过水热方法构筑三维孔道结构(Ln-MDIP)，其通式如下：

Ln³⁺+L+L-BCIP or D-BCIP→Ln-L

其中反应原料L-N-叔丁氧羰基-2-咪唑-1-吡咯烷或D-N-叔丁氧羰基-2-咪唑-1-吡咯烷以L-脯氨醇或D-脯氨醇为起始原料参照文献方法合成(S.Z.Luo，J.P.Cheng，Tetrahedron2007，63，1923-1930)，5，5’-亚甲基二异酞酸(H₄MDIP)是以间苯二甲酸为原料按文献(MazikM，

A.Eur.J.Org.Chem.2007，36，3271-3276.)方法制备。将稀土金属的硝酸盐，L-N-叔丁氧羰基-2-咪唑-1-吡咯烷或D-N-叔丁氧羰基-2-咪唑-1-吡咯烷和5，5’-亚甲基二异酞酸按照2∶1∶2比例加入水中，并用三乙胺调节溶液至弱酸性(一般pH＝6)，放置于烘箱烧制有晶体析出，过滤干燥即为目标材料Ln-MDIP。

上述的功能材料Ln-MDIP可以选择生成如下特征结构：

一类以5，5’-亚甲基二异酞酸(H₄MDIP)为桥联配体的催化材料，可以具有如下结构特征：

一类是4，4’-联苯二酸(H₂BPDC)为桥联配体的催化材料，可以具有如下结构特征：

一类是以3，3’，4，4’-联苯四酸(H₄BPTC)为桥联配体的催化材料，可以具有如下结构特征：

一类是以4，4’-磺酰苯二酸(H₂SDBC)为桥联配体的催化材料，可以具有如下结构特征：

该目标材料Ln-MDIP可以对不对称反应进行催化作用。稀土元素具有较高的配位数和多变的配位方式，使得在合成中对于稀土元素的控制相对于过渡金属困难，但是这也为获得更多的新结构提供可能。配位不饱和性，可以作为Lewis酸，催化芳香醛的硅氰化反应能够产生几乎纯的对映体化合物。催化过程均为非均相，可以通过过滤使催化剂得到循环利用而且催化效率并未降低。

本发明的效果和益处是Ln-MDIP催化材料采用一步合成简单易操作，原料价格低廉，产率高，得到的功能材料化学性质稳定，易于大面积推广应用。MOFs催化材料比表面积大，使用量只需要底物的百分之二，就有很好立体选择性，适合工业大规模生产之用。

附图说明

图1实施例3的结果：实施例3的材料的合成程序，结构及CD色谱图。

图2a实施例3的结果：实施例3的材料热稳定性能图。

图2b实施例3的结果：实施例3的材料红外测试图。

图3实施例5的结果：实施例3的材料对芳香醛硅氢化反应催化性能测试图。

图4实施例6的结果：实施例3的材料催化循环利用图。

图5实施例6的结果：实施例3的材料催化后结构测试图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明内容，用具体实施例说明如下，具体实施例不限定本发明内容范围。

实施例1(催化剂的合成)

L-N-叔丁氧羰基脯氨醇(11.3g，56mmol)100mL吡啶溶液在0℃下缓慢加入对甲苯黄酰氯(13.1g，68.8mmol)搅拌过夜，用350mL的乙酸乙酯稀释并分别用1N HCl(200mL×5)，饱和NaHCO₃(150mL×2)和食盐水(100mL×2)萃取，有机层用无水硫酸钠干燥，旋干得到黄色油状物。取黄色油状物(6.6g，18.6mmol)60mL乙腈溶液中加入咪唑钠盐(2.51g，27.9mmol)加热回流1.5h，冷却至室温，用氯仿萃取，旋干干燥，得到浅黄色固体L-N-叔丁氧羰基-2-咪唑-1-吡咯烷(BCIP)。¹H-NMR(300MHz，CDCl₃)：d 1.27-1.28(1H，m)，1.48(9H，s)，1.60-1.75(2H，br)，1.89-1.94(1H，m)，3.14-3.37(2H，m)，3.99-4.08(2H，m)，4.22-4.26(1H，m)，6.87(1H，s)，7.04(1H，s)，7.44(1H，s).

实施例2(催化剂的合成)

在1000ml的圆底烧瓶中依次加入Isophthalic acid(99g，0.6mol)、浓度为50％的发烟硫酸300mL、多聚甲醛(9.3g，0.3mol)。该混合物在118℃下搅拌反应6h，然后停止加热。待冷却到室温后将该反应混合物小心的倒入盛有大量冰块的玻璃容器中，用玻璃棒搅拌约20min，静置一段时间后抽滤，将抽滤得到的浅黄色沉淀真空干燥。将上面反应得到的黄色固体溶于300mL的饱和HCl甲醇溶液中，95℃下回流1h，冷却至室温后将反应混合物抽滤，得到黄色的粗产物。将该粗产物溶于300ml氯仿中，滤出不溶物后将滤液旋蒸，得到浅橙色固体。将该浅橙色固体用乙酸乙酯洗涤、真空干燥后得到接近于白色的固体产物27g，产率22％。¹H-NMR(400MHz，CDCl3)：δ＝8.55(t，2H)，8.05(d，4H)，4.16(s，2H)，3.93(s，12H)。

在1000ml圆底烧瓶中加入3，3′，5，5′-Tetrakis(methoxycarbonyl)-diphenylmethane(12g，30mmol)、THF(300ml)、NaOH(19.2g，480mmol)、蒸馏水300ml，该反应混合物在95℃下回流1h后、减压蒸馏将THF除去，剩余的水溶液在该温度下继续反应4h。停止加热，待反应混合物冷却到室温后用50％的硫酸溶液处理，待出现大量白色沉淀后抽滤、水洗、真空干燥，得到白色产物10g，产率97％。¹H-NMR(400MHz，DMSO-d₆)：δ＝13.28(s，4H)，8.32(t，2H)，8.07(d，4H)，4.28(s，2H)

实施例3(催化剂的合成)

5，5’-亚甲基二异酞酸(H₄MDIP)(0.086g，0.25mmol)，六水合硝酸铈(0.0217g，05mmol)，L-N-叔丁氧羰基-2-咪唑-1-吡咯烷(0.125g，0.5mmol)溶于水中，并用三苯胺调节溶液的pH值达到6左右，搅拌均匀后，置于烘箱中，100℃烧制3天，关闭烘箱，冷却至室温，无色块状晶体产生，过滤，干燥，产率60％。Anal calc.for C₁₇H₁₁CeO₉·H₂O：C 39.46，H 2.53％；Found：C 38.53，H 2.91％.

实施例4(催化剂的合成)

5，5’-亚甲基二异酞酸(H₄MDIP)(0.086g，0.25mmol)，六水合硝酸铈(0.0217g，05mmol)，D-N-叔丁氧羰基-2-咪唑-1-吡咯烷(0.125g，0.5mmol)溶于水中，并用三苯胺调节溶液的pH值达到6左右，搅拌均匀后，置于烘箱中，100℃烧制3天，关闭烘箱，冷却至室温，无色块状晶体产生，过滤，干燥，产率60％。Anal calc.for C₁₇H₁₁CeO₉·H₂O：C 39.46，H 2.53％；Found：C 38.53，H 2.91％.

实施例5(硅氰化反应催化实验)

芳香醛(0.5mmol)，三甲基硅氰(1.2mmol)，催化剂Ce-MDIP(2mol％)在25℃乙腈溶液中搅拌，通过薄层色谱法(TCL)跟踪反应，反应11h后，加溶剂淬灭反应，将催化剂过滤出来干燥待下次使用。产率用¹H-NMR测定，ee值用高效液相色谱法测定。测试结果见附图3。

实施例6(催化剂的循环利用)

芳香醛(0.5mmol)，三甲基硅氰(1.2mmol)，回收的催化剂Ce-MDIP(2mol％)在25℃乙腈溶液中搅拌，反应11h后，停止反应，回收催化剂。测定产率和ee。再用这次回收的催化剂催化该反应，测定其产率和ee。测试结果见附图4。

Claims

1.一种脯氨醇衍生物诱导具有不对称催化作用的手性MOFs材料，其特征在于，以L-BCIP或D-BCIP为手性源，以5，5’-亚甲基二异酞酸、4，4’-联苯二酸、3，3’，4，4’-联苯四酸或4，4’-磺酰苯二酸为联接配体，Ln³⁺作为节点通过水热方法构筑三维孔道结构，其结构通式如下：

Ln³⁺+L+L-BCIP or D-BCIP→Ln-L

其中，Ln³⁺为稀土金属离子；

L为联接配体；

L-BCIP为L-N-叔丁氧羰基-2-咪唑-1-吡咯烷；

D-BCIP为D-N-叔丁氧羰基-2-咪唑-1-吡咯烷；

2.根据权利要求1所述的一种脯氨醇衍生物诱导具有不对称催化作用的手性MOFs材料，其特征在于，以5，5’-亚甲基二异酞酸(H4MDIP)为桥联配体，具有如下结构特征：

3.根据权利要求1所述的一种脯氨醇衍生物诱导具有不对称催化作用的手性MOFs材料，其特征在于，以4，4’-联苯二酸(H₂BPDC)为桥联配体，具有如下结构特征：

4.根据权利要求1所述的一种脯氨醇衍生物诱导具有不对称催化作用的手性MOFs材料，其特征在于，以3，3’，4，4’-联苯四酸(H4BPTC)为桥联配体，具有如下结构特征：

5.根据权利要求1所述的一种脯氨醇衍生物诱导具有不对称催化作用的手性MOFs材料，其特征在于，以4，4’-磺酰苯二酸(H₂SDBC)为桥联配体，具有如下结构特征：

6.权利要求1-5任一所述手性MOFs材料的制备方法，其特征在于，将稀土金属的硝酸盐，L-N-叔丁氧羰基-2-咪唑-1-吡咯烷或D-N-叔丁氧羰基-2-咪唑-1-吡咯烷和桥联配体按照2∶1∶2比例加入水中，并用三乙胺调节溶液至弱酸性，放置于烘箱烧制至有晶体析出。