CN102909070A

CN102909070A - 一种负载型手性催化剂及其制备方法

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Publication number: CN102909070A
Application number: CN2012104232780A
Authority: CN
Inventors: 李新娟; 胡志国; 贾献彬; 李盛夏; 武大中
Original assignee: Henan Normal University
Current assignee: Henan Normal University
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2032-10-30
Also published as: CN102909070B

Abstract

本发明公开了一种负载型手性催化剂及其制备方法。本发明的技术方案要点为：一种负载型手性催化剂，是通过对纳米二氧化硅表面修饰形成功能基，然后采用可逆-断裂-链转移聚合的方法引发手性单体N-对乙烯基苯磺酰基-Boc-L-脯氨酸酰胺聚合，在纳米二氧化硅表面接枝手性聚合物链，并进一步脱保后制得的负载脯氨酸的毛发状二氧化硅纳米粒子，其结构式为：

Description

一种负载型手性催化剂及其制备方法

技术领域

本发明属于高分子催化剂及其合成领域，具体涉及一种负载型手性催化剂及其制备方法。

背景技术

手性催化在有机化学和精细化工的研究和生产中有广泛的应用，但手性催化存在的一个主要问题是催化剂和反应混合物不易分离，难以重复利用，回收催化剂的额外分离过程会产生大量的废弃物。固载手性催化剂是解决均相催化剂难分离问题的途径之一。人们尝试采用不同的物理或化学的方法，将均相催化剂与载体结合，制备出固载的均相催化剂，希望既保持均相催化剂高活性和高选择性的特点，同时具有易分离易操作的优势。较常用的负载手性催化剂的方法为：（1）以不溶性交联的聚合物或无机材料为载体；（2）以可溶性线形聚合物或树状大分子为载体，但是这两种方法各有优缺，方法（1）制得的催化剂虽然易分离、易操作、可多次重复使用，但催化活性位点结构复杂、难以控制，与均相催化剂相比，催化活性低、立体选择性差；方法（2）制得的催化剂保持了均相催化剂的高催化活性和高立体选择性的特点，并且采用一定的方法能将催化剂从反应体系中分离出来，但是分离方法相对方法（1）来说还比较复杂。因此，目前研制的负载手性催化剂还很难把均相催化剂的高活性、高选择性与非均相催化剂的易分离、能反复利用等优点完全综合起来。在本技术领域需要一种能够把均相催化剂的高活性、高选择性与非均相催化剂的易分离、能反复利用等优点完全综合起来的手性催化剂。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种可催化不对称反应的负载型手性催化剂，利用该负载型手性催化剂在催化不对称反应中除了可以获得高立体选择性手性产物，而且可实现催化剂易分离、可循环使用的特点，降低了生产成本。

本发明解决的另一个技术问题是提供了一种负载型手性催化剂的制备方法，该制备方法制备的负载型手性催化剂具有活性高、选择性高、易分离且可重复使用的特点。

本发明的技术方案为：一种负载型手性催化剂，其特征在于：所述的负载型手性催化剂是通过对纳米二氧化硅表面修饰形成功能基，然后采用可逆-断裂-链转移聚合的方法引发手性单体N-对乙烯基苯磺酰基-Boc-L-脯氨酸酰胺聚合，在纳米二氧化硅表面接枝手性聚合物链，并进一步脱保后制得的负载脯氨酸的毛发状二氧化硅纳米粒子，其结构式为：。

本发明所述的负载型手性催化剂，其特征在于：所述的负载型手性催化剂的制备路线为：

Figure 2012104232780100002DEST_PATH_IMAGE002

。

本发明所述的负载型手性催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：（1）、纳米二氧化硅的制备：向反应容器中加入稀氨水溶液，室温搅拌下滴入乙醇和正硅酸乙酯的混合溶液，其中乙醇与正硅酸乙酯的体积比为100:7~9，室温条件下搅拌反应3小时，离心分离，用乙醇洗涤，真空状态下烘干，制得纳米二氧化硅；（2）、表面接枝链转移剂的纳米二氧化硅的制备：向反应容器中加入步骤（1）制备的纳米二氧化硅，并加入无水甲苯分散，装上分水器回流至馏出液无水相分层，冷却至室温后撤去分水器，加入化合物Ⅰ，其中加入的步骤（1）制得的纳米二氧化硅与化合物Ⅰ的质量比为4:3~4，油浴100℃反应12小时，反应结束后，过滤，滤饼真空烘干即得表面接枝链转移剂的纳米二氧化硅FSiO₂-MPTT；（3）、手性单体N-对乙烯基苯磺酰基-Boc-L-脯氨酸酰胺的制备：向反应容器中加入Boc-L-脯氨酸、对乙烯基苯磺酰胺，以乙酸乙酯为溶剂，并加入物质的量之比为1：1的4-二甲氨基吡啶和二环己基碳二亚胺混合物作为催化剂，其中Boc-L-脯氨酸、对乙烯基苯磺酰胺和二环己基碳二亚胺的物质的量之比为1:1.2:1，室温条件下反应48小时后，将所得溶液旋蒸浓缩，在乙醚中沉淀两次，过滤后真空干燥得手性单体；（4）、毛发状纳米二氧化硅Ⅰ的制备：反应容器真空脱气，将步骤（2）制备的表面接枝链转移剂的纳米二氧化硅加入到反应容器中，加入二甲基亚砜搅拌分散后，分别加入步骤（3）制得的手性单体与化合物Ⅰ、化合物Ⅱ，氮气保护下加入偶氮二异丁氰，反复通气体-抽真空后，在氮气保护下，放入75℃油浴中反应24 小时，其中表面接枝链转移剂的纳米二氧化硅、手性单体、化合物Ⅱ和偶氮二异丁氰的物质的量之比为1:1:300:0.2，反应结束后，二氯甲烷溶解，在乙醚中沉淀，干燥后分散于二氯甲烷中并离心分离，用二氯甲烷重复洗涤沉淀，真空干燥得黄白色N-Boc保护毛发状纳米二氧化硅Ⅰ；（5）、负载脯氨酸的毛发状纳米二氧化硅Ⅱ的制备：将步骤（4）制得的毛发状纳米二氧化硅Ⅰ分散于干燥的二氯甲烷中，冰浴下滴加质量浓度为50%三氟乙酸的二氯甲烷溶液，滴加完毕后反应30分钟，有黄色固体产生，过滤，用N,N-二甲基甲酰胺溶解，在乙醚中沉淀，得脱保护产物，即得到负载型手性催化剂。

本发明所述的制备手性单体的反应方程式为：

。

本发明制备的负载型手性催化剂具有以下优点：（1）、悬挂的聚合物链能够提高粒子在反应介质中的分散性，从而进一步提高催化剂的活性；（2）、能够像可溶性线形聚合物载体催化剂那样显示出高的催化活性；（3）、由于聚合物链的一端以共价键固定在不溶于反应介质的有机或无机粒子上，所有它又具有非均相催化剂易回收和重复使用的优点。

附图说明

图1为手性单体的核磁氢谱图；图2为不同样品的红外光谱图；图3为不同样品的TG曲线；图4为纳米二氧化硅的扫描电镜图；图5为负载脯氨酸的毛发状纳米二氧化硅Ⅱ的扫描电镜图。

图面说明：a、纳米二氧化硅，b、表面接枝链转移剂的纳米二氧化硅，c、毛发状纳米二氧化硅Ⅰ，d、负载脯氨酸的毛发状纳米二氧化硅Ⅱ。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

纳米二氧化硅的制备：

250 mL的两颈圆底烧瓶中加入20 mL去离子水和23 mL乙醇，将10 mL质量浓度为25%的氨水用去离子水稀释至50mL后加入烧瓶，室温搅拌下滴加77 mL乙醇和7.2 mL正硅酸乙酯（TEOS）的混合物（用超声仪超声30分钟），滴加完毕，室温搅拌反应3小时，离心分离，并使用乙醇洗涤3次后放入真空干燥箱干燥，制得纳米二氧化硅，其直径约为250 nm，其扫描电镜图见图4；

表面接枝链转移剂的纳米二氧化硅的制备：

反应瓶中加入8 g球形纳米二氧化硅和250 mL的无水甲苯，装上分水器回流至馏出液无水相分层，冷却至室温后撤去分水器，加入6 g链转移剂S-甲氧羰基苯甲基S′-三甲氧基硅丙基三硫代碳酸酯，油浴100℃反应12小时，反应结束后，过滤，滤饼放入真空干燥箱干燥，即得表面接枝链转移剂的纳米二氧化硅FSiO₂-MPTT1。

FSiO₂-MPTT1的红外光图谱（见图2b）与纳米二氧化硅（图2a）相比，在1750 cm^-1出现一个小峰，为双硫酯中C=O和C=S的伸缩振动峰，因接枝量较小，所以峰强度较弱。

纳米二氧化硅的接枝量通过热重和元素分析计算。元素分析证明纳米二氧化硅MPTT的负载量是0.12 mmol/g(C%:3.51%, S%:1.27%,H%:1.42%)。热重分析结果如图3b，与纯二氧化硅作对比，接枝MPTT失重量为1.8%(0.10 mmol/g)，与元素分析结果基本一致。

手性单体的制备：

反应瓶中加入85 mL四氢呋喃，2.87 g Boc-L-脯氨酸，1.23 g对乙烯基苯磺酰胺，3.52 g4-二甲氨基吡啶，5.04 g二环己基碳二亚胺，室温搅拌48小时，然后加入8 g质子化的Amberlyst-15，20 mL乙酸乙酯，继续搅拌5小时，有大量白色沉淀产生，用硅胶柱滤去沉淀物，乙酸乙酯冲洗，将所得溶液旋蒸浓缩，在乙醚中沉淀两次，过滤，真空30℃干燥，称重得0.7334 g产物，产率30%，核磁谱图如图1所示，¹H-NMR(CDCl₃)：δ=8.00 ppm (d, 2H, PhH), 7.50 ppm (d, 2H, PhH), 6.75 ppm (q, 1H, Ph-CH=CH₂), 5.90 ppm(d, 1H, Ph-CH=CH₂), 5.45 ppm (d, 1H, Ph-CH=CH₂), 4.25 ppm(m, 1H), 3.24~3.40 ppm(m, 2H), 2.40~2.50 ppm(m,1H), 1.80~1.90ppm(m, 3H), 1.50 ppm[s, 9H,-C(CH₃)₃]；

毛发状纳米二氧化硅Ⅰ的制备：

反应瓶真空脱气三次，称取FSiO₂-MPTT1 (0.204 g, 120 μmol)，加入到反应瓶，加入5 mL二甲基亚砜中搅拌分散，分别加入手性单体(13.11 g, 36.0 mmol)、链转移剂S-甲氧羰基苯甲基S′-三甲氧基硅丙基三硫代碳酸酯(36.1 mg, 120 μmol)，液氮冻融三次，加入偶氮二异丁氰(3.94 mg, 24.0 μmol)，液氮冷冻通气，重复三次，75℃反应24小时，反应结束后，二氯甲烷溶解，在乙醚中沉淀三次，干燥后分散于少量二氯甲烷并离心分离，用二氯甲烷重复洗涤沉淀三次。真空干燥得黄白色N-Boc保护毛发状纳米二氧化硅Ⅰ。对于所得的毛发状纳米二氧化硅Ⅰ进行了IR和TG表征。具体结果如下：聚合物链中含有大量的酰胺键和磺酰胺键，在红外图谱中(图3c)，通过与纯SiO₂以及SiO₂-MPTT对比，可以得出各峰的归属情况，1630 cm^-1为仲酰胺羰基的伸缩振动峰，1580 cm^-1C-N-H的弯曲振动峰，1300 cm^-1为C-N伸缩振动吸收和N-H弯曲振动吸收的混合峰，650 cm^-1为O=C-N的弯曲振动吸收峰，3340 cm^-1为N-H的伸缩振动，2800~3000 cm^-1为饱和C-H的伸缩振动。通过以上分析可以很明显的看出单体成功的接枝聚合到二氧化硅纳米粒子的表面。另外通过热重（图2）对比，可以得出接枝量为29.8%；

毛发状纳米二氧化硅Ⅰ的脱保护：

将1 g毛发状纳米二氧化硅Ⅰ分散于5 mL干燥的二氯甲烷中，冰浴下滴加5 mL、50%三氟乙酸的二氯甲烷溶液，滴加完毕后反应30 分钟，有黄色固体产生，过滤，用N,N-二甲基甲酰胺溶解，在乙醚中沉淀三次，得脱保护产物0.5 g，即得到所要的负载型手性催化剂毛发状纳米二氧化硅Ⅱ，热重图如图2d，扫描电镜结果如图5所示，纳米二氧化硅表面负载有毛发状物质。

实施例2

纳米二氧化硅的制备：

250 mL的两颈圆底烧瓶中加入20mL去离子水和23 mL乙醇，将10 mL质量浓度为25%的氨水用去离子水稀释至50mL后加入烧瓶，室温搅拌下滴加77 mL乙醇和9 mL正硅酸乙酯（TEOS）的混合物（用超声仪超声30分钟），滴加完毕，室温搅拌反应3小时，离心分离，并使用乙醇洗涤3次后放入真空干燥箱干燥，制得纳米二氧化硅；

表面接枝链转移剂的纳米二氧化硅的制备：

反应瓶中加入8 g球形纳米二氧化硅和250 mL无水甲苯，装上分水器回流至馏出液无水相分层，冷却至室温后撤去分水器，加入8 g链转移剂S-甲氧羰基苯甲基S′-三甲氧基硅丙基三硫代碳酸酯，油浴100℃反应12小时，反应结束后，过滤，滤饼放入真空干燥箱干燥，即得表面接枝链转移剂的纳米二氧化硅FSiO₂-MPTT2；

手性单体的制备：

反应瓶中加入85 mL四氢呋喃，2.87 gBoc-L-脯氨酸，1.23 g对乙烯基苯磺酰胺，3.52 g4-二甲氨基吡啶，5.04 g二环己基碳二亚胺，室温搅拌48小时，然后加入8 g质子化的Amberlyst-15，20 mL乙酸乙酯，继续搅拌5小时，有大量白色沉淀产生，用硅胶柱滤去沉淀物，乙酸乙酯冲洗，将所得溶液旋蒸浓缩，在乙醚中沉淀两次，过滤，真空30℃干燥，制得手性单体；

毛发状纳米二氧化硅Ⅰ的制备：

反应瓶真空脱气三次，称取FSiO₂-MPTT2 (0.204 g, 120 μmol),加入到反应瓶，加入5 mL二甲基亚砜中搅拌分散，分别加入手性单体(13.11 g, 36.0 mmol)、链转移剂S-甲氧羰基苯甲基S′-三甲氧基硅丙基三硫代碳酸酯(36.1 mg, 120 μmol)，液氮冻融三次，加入偶氮二异丁氰(3.94 mg, 24.0 μmol)，液氮冷冻通气，重复三次，75℃反应24小时，反应结束后，二氯甲烷溶解，在乙醚中沉淀三次，干燥后分散于少量二氯甲烷并离心分离，用二氯甲烷重复洗涤沉淀三次。真空干燥得黄白色N-Boc保护毛发状纳米二氧化硅Ⅰ。

毛发状纳米二氧化硅Ⅰ的脱保护：

将1 g毛发状纳米二氧化硅Ⅰ分散于5 mL干燥的二氯甲烷中，冰浴下滴加5 mL、50%三氟乙酸的二氯甲烷溶液，滴加完毕后反应30分钟，有黄色固体产生，过滤，用N,N-二甲基甲酰胺溶解，在乙醚中沉淀三次，得脱保护产物0.42 g，即得到所要的负载型手性催化剂毛发状纳米二氧化硅Ⅱ。

实施例3

在试管中加入底物物质的量5%的实施例1制得的毛发状纳米二氧化硅Ⅱ，0.1 mmol对硝基苯甲醛，1 mL丙酮和2 mL DMF，室温下反应48小时，薄层色谱跟踪反应至终点，反应完毕后，离心分离，上清液用乙酸乙酯(3×10mL)萃取三次，合并有机相，浓缩，经柱层析分离得到纯的加成产物(石油醚：乙酸乙酯=4：1)，称重计算产率，核磁共振氢谱确认目标产物，通过AD-H手性柱分离手性物质，高效液相色谱(HPLC)测得产率为82%，e.e值为90%。

实施例4

在试管中加入底物物质的量10%的实施例1制得的毛发状纳米二氧化硅Ⅱ，0.1 mmol对硝基苯甲醛，1 mL丙酮和2 mL DMF，室温下反应48 小时，薄层色谱跟踪反应至终点，反应完毕后，离心分离，上清液用乙酸乙酯(3×10mL)萃取三次，合并有机相，浓缩，经柱层析分离得到纯的加成产物(石油醚：乙酸乙酯=4：1)，称重计算产率，核磁共振氢谱确认目标产物，通过AD-H手性柱分离手性物质，高效液相色谱(HPLC)测定测得产率为93%，e.e值为92%。

实施例5

在试管中加入底物物质的量20%的实施例1制得的毛发状纳米二氧化硅Ⅱ，0.1 mmol对硝基苯甲醛，1 mL丙酮和2 mL DMF，室温下反应48 小时，薄层色谱跟踪反应至终点，反应完毕后，离心分离，上清液用乙酸乙酯(3×10 mL)萃取三次，合并有机相，浓缩。经柱层析分离得到纯的加成产物(石油醚：乙酸乙酯=4：1)，称重计算产率，核磁共振氢谱确认目标产物，通过AD-H手性柱分离手性物质，高效液相色谱(HPLC)测定产率为92%，e.e值为98%。

实施例6

将实施例5中使用的负载脯氨酸的毛发状纳米二氧化硅离心、二氯甲烷充分洗涤，真空干燥回收后作为手性催化剂重复实施例5，测得产率为82%，e.e值为93%。

实施例7

将实施例6中使用的负载脯氨酸的毛发状纳米二氧化硅离心、二氯甲烷充分洗涤，真空干燥回收后作为催化剂重复实施例5，测得产率为82%，e.e值为90%。

Claims

1.一种负载型手性催化剂，其特征在于：所述的负载型手性催化剂是通过对纳米二氧化硅表面修饰形成功能基，然后采用可逆-断裂-链转移聚合的方法引发手性单体N-对乙烯基苯磺酰基-Boc-L-脯氨酸酰胺聚合，在纳米二氧化硅表面接枝手性聚合物链，并进一步脱保后制得的负载脯氨酸的毛发状二氧化硅纳米粒子，其结构式为：

Figure 2012104232780100001DEST_PATH_IMAGE001

。

2.根据权利要求1所述的负载型手性催化剂，其特征在于：所述的负载型手性催化剂的制备路线为：

Figure 2012104232780100001DEST_PATH_IMAGE002

。

3.一种权利要求1或2所述的负载型手性催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：（1）、纳米二氧化硅的制备：向反应容器中加入稀氨水溶液，室温搅拌下滴入乙醇和正硅酸乙酯的混合溶液，其中乙醇与正硅酸乙酯的体积比为100:7~9，室温条件下搅拌反应3小时，离心分离，用乙醇洗涤，真空状态下烘干，制得纳米二氧化硅；（2）、表面接枝链转移剂的纳米二氧化硅的制备：向反应容器中加入步骤（1）制备的纳米二氧化硅，并加入无水甲苯分散，装上分水器回流至馏出液无水相分层，冷却至室温后撤去分水器，加入化合物Ⅰ，其中加入的步骤（1）制得的纳米二氧化硅与化合物Ⅰ的质量比为4:3~4，油浴100℃反应12小时，反应结束后，过滤，滤饼真空烘干即得表面接枝链转移剂的纳米二氧化硅FSiO₂-MPTT；（3）、手性单体N-对乙烯基苯磺酰基-Boc-L-脯氨酸酰胺的制备：向反应容器中加入Boc-L-脯氨酸、对乙烯基苯磺酰胺，以乙酸乙酯为溶剂，并加入物质的量之比为1：1的4-二甲氨基吡啶和二环己基碳二亚胺混合物作为催化剂，其中Boc-L-脯氨酸、对乙烯基苯磺酰胺和二环己基碳二亚胺的物质的量之比为1:1.2:1，室温条件下反应48小时后，将所得溶液旋蒸浓缩，在乙醚中沉淀两次，过滤后真空干燥制得手性单体；（4）、毛发状纳米二氧化硅Ⅰ的制备：反应容器真空脱气，将步骤（2）制备的表面接枝链转移剂的纳米二氧化硅加入到反应容器中，加入二甲基亚砜搅拌分散后，分别加入步骤（3）制得的手性单体与化合物Ⅰ、化合物Ⅱ，氮气保护下加入偶氮二异丁氰，反复通气体-抽真空后，在氮气保护下，放入75℃油浴中反应24 小时，其中表面接枝链转移剂的纳米二氧化硅、手性单体、化合物Ⅱ和偶氮二异丁氰的物质的量之比为1:1:300:0.2，反应结束后，二氯甲烷溶解，在乙醚中沉淀，干燥后分散于二氯甲烷并离心分离，用二氯甲烷重复洗涤沉淀，真空干燥得黄白色N-Boc保护毛发状纳米二氧化硅Ⅰ；（5）、负载脯氨酸的毛发状纳米二氧化硅Ⅱ的制备：将步骤（4）制得的毛发状纳米二氧化硅Ⅰ分散于干燥的二氯甲烷中，冰浴下滴加质量浓度为50%三氟乙酸的二氯甲烷溶液，滴加完毕后反应30分钟，有黄色固体产生，过滤，用N,N-二甲基甲酰胺溶解，在乙醚中沉淀，得脱保护产物，即得到负载型手性催化剂。

4.根据权利要求3所述的负载型手性催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中制备手性单体的反应方程式为：

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