CN104607250A

CN104607250A - 一种多面体低聚倍半硅氧烷树枝状大分子催化剂及其应用

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Publication number: CN104607250A
Application number: CN201510053333.5A
Authority: CN
Inventors: 张冠南; 赵世莹; 周峰; 吕晓燕
Original assignee: SHULAN JINMA CHEMICAL Co Ltd
Current assignee: SHULAN JINMA CHEMICAL Co Ltd
Priority date: 2015-02-02
Filing date: 2015-02-02
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2035-02-02
Also published as: CN104607250B

Abstract

本发明公开了一种多面体低聚倍半硅氧烷树枝状大分子催化剂，分子式为{Si₈O₁₂[C₃H₆SCH₂(Salen-CoX)]₈}，结构通式如式(Ⅰ)所示：式中，R¹、R²和R³独立地选自氢、C₁～C₂₀的烷基、C₆～C₂₄的芳基、C₇～C₂₅的芳基烷基、4～10个碳原子的环烷基；X选自卤素离子、BF₄ ^-、PF₆ ^-、SbF₆ ^-、NO₃ ^-或有机酸根。本发明提供了一类新型的多面体低聚倍半硅氧烷树枝状大分子催化剂，为含有八个四齿席夫碱(Salen)-Co络合物单元的多面体低聚倍半硅氧烷，所述的催化剂用于外消旋末端环氧化合物的水解动力学拆分反应，具有催化活性和对映选择性高，且可重复使用的优点。

Description

一种多面体低聚倍半硅氧烷树枝状大分子催化剂及其应用

技术领域

本发明涉及有机合成领域，尤其涉及一种多面体低聚倍半硅氧烷树枝状大分子催化剂及其应用。

背景技术

手性末端环氧化合物是一类重要的有机合成中间体，可用于制备多种手性医药和农药。光学活性末端环氧化合物的制备可采用端位烯烃不对称环氧化或外消旋环氧的动力学拆分获得，但端位烯烃不对称环氧化对映选择性通常不高，目前尚无底物范围较广的催化体系。另一方面，外消旋的环氧化合物价格价廉，因此动力学拆分获得光学活性末端环氧化合物成为受到广泛关注的方法。

拆分制备手性环氧化合物可使用微生物酶作为生物催化剂，或化学催化的水解动力学拆分。虽然酶催化反应具有高效温和等优点，但底物浓度过低、菌种来源较少、催化活性和稳定性较差等缺陷，限制了在手性末端环氧化合物制备中的产业化应用。而化学拆分法主要是基于四齿席夫碱salen-Co的络合物为手性催化剂，以亚计量的水作为安全环保的亲核试剂，对外消旋环氧化合物水解开环动力学拆分，具有底物适用范围广、反应条件温和、且产物光学纯度高等优点，在手性末端环氧化合物和手性1,2-二醇化合物工业化制备中取得了成功的应用。

1997年，Jacobsen小组报道了首例采用手性单核Salen-Co(III)-OAc络合物为催化剂，成功地对一系列末端环氧化合物进行水解动力学拆分(Science,1997,277,936)。Jacobsen小组等通过反应动力学和机理研究，提出了在末端环氧化合物水解动力学拆分中，双金属协同催化的作用机理，即反应中需要两个Salen-Co(III)单元分别活化环氧和亲核物种，从而达到较高的催化效率和优秀的对映选择性控制(J.Am.Chem.Soc.1998,120,10780；J.Am.Chem.Soc.2004,126,1360.)。为了进一步降低该反应的催化剂用量和成本，提高催化剂效能和重复使用性，十几年来又有一些不同类型的含Salen-Co(III)单元的催化体系被开发出来，如亚甲基链接的双核(Salen)-Co催化剂(J.Mol.Catal.A:Chem.2002,179,73)、二酸与单核(Salen)-Co酯化链接寡聚催化剂(Tetrahedron:Asymmetry,2003,14,3633)、有机高分子树脂或无机硅胶上固载的(Salen)-Co催化剂(J.Am.Chem.Soc.1999,121,4147；)、以及(Salen)Co与Lewis酸形成的催化体系(US2003216250A1)等。然而，现有的这些催化剂常存在一些缺陷，严重制约了其工业化应用。如水解后得到的手性环氧产物在催化剂混合物作用下发生消旋化或形成副产物，从而降低产品质量和光学纯度；Salen-Co(III)-OAc拆分中反应后回收的催化剂会出现失活现象，即每次反应后回收得到的Salen-Co(II)本身没有活性，需在Bronsted酸(通常为醋酸)存在下用空气或氧气重新处理氧化为活性的Salen-Co(III)之后，才能作为催化剂继续使用(US5929232，US5663393,WO03018520A1，US2003073855A1，J.Am.Chem.Soc.2002,124,1307。)，增加了生产成本。而树脂固载的Salen-Co催化剂常存在重复性不理想，以及在回收后重复使用时催化活性和/或对映选择性显著降低的缺点(Chem.Eur.J.2006,12,576.)。

多面体低聚倍半硅氧烷(Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes,简称POSS)是近期较受关注的一种有机-无机杂化分子，其分子结构通式为[RSiO_1.5]_n，式中的R可以为氢或有机官能团如烷基、芳基、亚芳基等，n可以为6、8、10、12等，其中以n＝8的笼形结构POSS最为常见(Applicationsof Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes,edited by ClaireHartmann-Thompson,in Advances in Silicon Science,Series editor:JanisMatisons；Volume 3,Springer,Dordrecht,2011.)。多面体低聚倍半硅氧烷[RSiO_1.5]₈含有Si-O-Si键构成的无机笼状内核结构，并且有8个与Si相连的可进行化学衍生化的有机官能团顶点，其有机相容性使之适宜于在R基团的末端直接连上含功能性的基团，从而构建形成以多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)为核心的纳米尺寸高度支化的树枝状大分子(Katherine J.Haxtonand Russell E.Morris,Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane Dendrimers,inSilicon-Containing Dendritic Polymers,P.R.Dvornic and M.J.Owen(eds.),Springer,Netherlands,2009,Chap 7,121-139；J.Wang et al，Progress inChemistry,2012,24,405-413.)。POSS基树枝状大分子虽然发展历史较短，但其较高端基密度和球形对称结构使之具有独特的物理化学性能，如笼状内核能够增强其热稳定性，且其支化链段不易发生缠绕等，是一类在催化、生物材料、液晶等领域中有重要应用前景的有机-无机纳米杂化材料。

目前，并没有以POSS基树枝状大分子作为催化剂并用于末端环氧化合物水解动力学拆分反应的相关研究。

发明内容

本发明提供了一类新型的多面体低聚倍半硅氧烷树枝状大分子催化剂，为含有八个四齿席夫碱(Salen)-Co络合物单元的多面体低聚倍半硅氧烷，所述的催化剂用于外消旋末端环氧化合物的水解动力学拆分反应，具有催化活性和对映选择性高，且可重复使用的优点。

一种多面体低聚倍半硅氧烷树枝状大分子催化剂，分子式为{Si₈O₁₂[C₃H₆SCH₂(Salen-CoX)]₈}(下文简称POSS-(Salen-Co-X)₈)，结构通式如式(Ⅰ)所示：

式中，R¹、R²和R³独立地选自氢、C₁～C₂₀的烷基、C₆～C₂₄的芳基、C₇～C₂₅的芳基烷基、4～10个碳原子的环烷基；

X选自卤素离子(F^-、Cl^-、Br^-或I^-)、BF₄ ^-、PF₆ ^-、SbF₆ ^-、NO₃ ^-或有机酸根。

本发明公开的多面体低聚倍半硅氧烷树枝状大分子催化剂，含有高密度的(Salen)-Co单元，通过双金属协同效应显著提高该新型催化剂的催化效率和对映选择性，使其在很低的催化剂用量下，高效催化末端环氧化合物的水解动力学拆分反应，合成高光学纯度的手性环氧化合物和二醇化合物。

作为优选，所述的有机酸根选自乙酸根、三氟乙酸根、三氯乙酸根、三氟甲磺酸根、2,4-二硝基苯磺酸根、3-硝基苯磺酸根、对甲基苯磺酸根、苯磺酸根、樟脑磺酸根、对硝基苯甲酸根或苯甲酸根。

作为优选，所述的R¹、R²和R³独立地选自C₁～C₆的烷基，例如：甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、叔丁基、仲丁基、异丁基、异戊基、环戊基或环己基。

进一步优选，所述的R¹、R²和R³均选自叔丁基，X选自乙酸根、三氟甲磺酸根或对甲基苯磺酸根。

所述催化剂的制备方法分成如下几步完成，具体步骤如下：

(1)首先分别合成八巯丙基POSS{[Si₈O₁₂(C₃H₆SH)₈],化合物A}和5-氯亚甲基取代的四齿希夫碱Salen配体(结构通式如B):

化合物A(八巯丙基POSS)按照文献报道(U.Dittmar et al,J.Organometal.Chem.1995,489,185.)的方法，由3-巯丙基三甲氧基硅烷在甲醇中水解制得，反应式如下：

结构通式为B的5-氯亚甲基取代的四齿希夫碱化合物为两边不对称的Salen配体，按照下面的反应路线一锅法合成(参考文献方法：Campbell,E.J.；Nguyen,S.T.,Tetrahedron Lett.2001,42,1221.)，其中各个化合物中所含的R¹、R²、R³基团的定义分别与上述通式I中R¹、R²、R³的定义相同。

(1S,2S)-环己二胺单盐酸盐与等摩尔当量的含R²、R³基团的水杨醛在有机溶剂中反应，生成的单边希夫碱中间体不经分离，在碱的作用下继续与另一当量的含氯亚甲基和R¹基团的水杨醛反应，得到通式为B的氯亚甲基取代的四齿希夫碱化合物。反应式如下：

上述反应中所述的有机溶剂可选自氯仿、二氯甲烷、四氯化碳、1,2-二氯乙烷、四氢呋喃、乙醚、甲醇、乙醇、异丙醇、N,N-二甲基甲酰胺或二甲基亚砜等，优选为乙醇或二氯甲烷；所述的碱为无机碳酸盐或有机三级胺，优选为三乙胺。

(2)在碱的作用下，化合物A与5-氯亚甲基取代的四齿希夫碱Salen配体发生亲核取代反应，得到多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)核上带有八个四齿席夫碱(Salen)单元的树枝状大分子配体(结构通式如C)，不经分离一锅法将其与四水合醋酸钴在有机溶剂中反应，得到多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)核上带有八个四齿席夫碱(Salen)-Co(II)单元的树枝状大分子络合物(结构通式如D)。反应式如下：

在上述的反应式中，R¹、R²、R³基团的定义分别与上述的结构通式(I)中R¹、R²、R³的定义相同。该反应中所述的有机溶剂可选自氯仿、二氯甲烷、四氯化碳、1,2-二氯乙烷、四氢呋喃、乙醚、甲醇、乙醇、异丙醇、N,N-二甲基甲酰胺或二甲基亚砜等，优选为乙醇或二氯甲烷；所用的碱为无机碳酸盐或有机三级胺，优选为三乙胺。

(3)多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)核上带有八个四齿席夫碱(Salen)-Co(II)单元的树枝状大分子络合物(结构通式如D)，在含X阴离子的酸(如HX)或盐(如NaX)存在下经由空气氧化，得到如通式(I)所示的多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)树枝状大分子催化剂。

如非特别说明，上述反应均在0～80℃下，在惰性气氛中进行，即在氮气或氩气气氛中完成。

本发明公开了所述的多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)树枝状大分子催化剂的应用，可用于在温和条件下催化外消旋末端环氧化合物的水解动力学拆分反应，得到高光学纯度的手性环氧化合物和二醇化合物。其反应通式如下：

所述的外消旋末端环氧化合物的结构式如式(Ⅱ)所示：

式中，R′选自C₁～C₂₀的开链烷基或环烷基、C₆～C₂₄芳基或取代芳基、或末端带有醚、羧酸酯、卤素官能团的取代烷基；例如：甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、异戊基、环戊基、环己基、以及其它各种直链或带支链的烷基，也可以为氯甲基、苄氧甲基。

作为优选，所述的外消旋末端环氧化合物和水的摩尔比为1:0.3～0.7；更优选为1:0.55。

所述的外消旋末端环氧化合物与多面体低聚倍半硅氧烷树枝状大分子催化剂的摩尔比为100000～100:1。

作为优选，所述的外消旋末端环氧化合物的水解动力学拆分反应的温度为0～60℃，时间为0.5～48h；更优选在室温下进行1～4h。

上述的反应可以在无溶剂条件下，或在选自氯仿、二氯甲烷、四氯化碳、1,2-二氯乙烷、四氢呋喃或乙醚的有机溶剂中进行，更优选为无溶剂反应。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明的多面体低聚倍半硅氧烷树枝状大分子催化剂具有纳米级尺寸和规整分子结构的优点，不仅可以溶解在反应介质中形成均相催化体系，而且其结构外围较高的催化基团密度也有助于协同催化，可在温和条件下和较低催化剂用量下高效催化外消旋末端环氧化合物的水解动力学拆分反应，以优秀的对映选择性获得相应的手性环氧化合物和手性1,2-二醇。

本发明的多面体低聚倍半硅氧烷树枝状大分子催化剂可在反应完全后方便地回收，无需活化即可多次重复使用，且重复使用的催化剂的对映选择性基本保持不变，兼具均相催化剂高活性和非均相催化剂易回收的优点。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明做进一步详细描述，但应该理解，本发明并不限于这些具体实例。以下实施例中未注明的具体实验条件通常按照本领域技术人员熟知的常规操作条件或按照制造厂商所建议的条件。

实施例1:氯亚甲基取代的四齿希夫碱B₁的制备

将(1S,2S)-环己二胺(21.3g,142mmol)溶于无水乙醇(200mL)中，冰浴冷却至0-5℃,剧烈搅拌下缓慢滴加无水氯化氢乙醚溶液(14.2g,142mmol,36％in ether)，反应放热并形成白色沉淀。在酸加完后，混合物升至室温，并在室温下搅拌12小时。减压抽滤收集沉淀，并用过量乙醚(100mL)洗涤，在真空中干燥得到白色粉末状的(1S,2S)-环己二胺单盐酸盐产物，产率94％。

向无水甲醇/无水乙醇(200mL,v:v＝1/1)混合溶剂中加入(1S,2S)-环己二胺单盐酸盐(6.0g,40mmol)、3,5-二叔丁基水杨醛(9.35g,40mmol)和4A分子筛(2.0g)，反应混合物在室温下搅拌6小时后，加入3-叔丁基-5-氯亚甲基水杨醛(9.05g,40mmol)和三乙胺(8.0g,80mmol)的无水二氯甲烷溶液(100mL)。反应混合物在室温下继续搅拌8小时，硅藻土过滤，滤渣用二氯甲烷(60mL)，合并滤液，减压除去溶剂，硅胶柱层析分离(石油醚/乙酸乙酯＝6/1)得浅黄色固体氯亚甲基取代的四齿希夫碱B₁。产率89％。¹H NMR(CDCl₃,400MHz):δ14.26(br s,1H),13.60(br s,1H),8.41(s,1H),8.28(s,1H),7.48(d,J＝2.4Hz,1H),7.39(d,J＝2.4Hz,1H),7.00(d,J＝2.0Hz,1H),6.87(d,J＝2.0Hz,1H),4.50(s,2H),3.52-3.31(m,2H),2.02-1.43(m,8H),1.37(s,9H),1.21(s,18H)ppm。

实施例2：[POSS-(Salen-Co^II)₈](化合物D₁)的制备

化合物C₁和D₁中：

将5-氯亚甲基取代的四齿希夫碱Salen配体B₁(4.32g,8mmol)和n-Bu₄NI(295mg,0.8mmol)溶于二氯甲烷(150mL),向溶液中加入化合物A{八巯丙基POSS,[Si₈O₁₂(C₃H₆SH)₈]}(1.02g,1mmol)和三乙胺(1.1mL,8mmol)，室温下搅拌16小时。反应混合物依次用饱和碳酸氢钠水溶液(40mL)和饱和食盐水溶液洗涤，用无水硫酸钠干燥后，过滤并减压抽除溶剂。所得黄色固体C₁用正己烷(80mL)和少量乙醚洗涤后，将其溶解于二氯甲烷(100mL)中。向上述溶液中加入四水合醋酸钴4.0克(8mmol)的甲醇溶液(60mL)后滴加到上述配体的二氯甲烷溶液中，室温下搅拌4小时，减压除去部分溶剂(80mL)后析出红色固体，减压抽滤，滤饼用甲醇洗涤，从二氯甲烷/正己烷中重结晶，真空干燥后得红色固体D₁，两步总收率78％。MALDI-TOF MS(calcd for C₂₈₈H₄₀₈Co₈N₁₆O₂₈S₈Si₈:5490,Found:5513[M+Na]⁺).Elemental Analysis calcd for C₂₈₈H₄₀₈Co₈N₁₆O₂₈S₈Si₈:C,62.95；H,7.48；N,4.08；Found:C,62.7；H,7.6；N,3.9.

实施例3：催化剂[POSS-(Salen-Co-X)₈]的制备

通用方法：开口容器中将化合物D₁(5.5g,1mmol)溶解于二氯甲烷(100mL)中，加入三氟甲磺酸(HOTf,725μL,8.2mmol)，混合物在空气气氛下剧烈搅拌5个小时。减压抽除溶剂，所得固体用正己烷洗涤至滤液无色。所得固体溶于二氯甲烷(80mL)中，过滤除去不溶性杂质，减压除去溶剂，真空干燥，得棕色粉末固体[POSS-(Salen-Co-OTf)₈]，产率87％。MALDI-TOF MS(calcd for C₂₉₆H₄₀₈Co₈F₂₄N₁₆O₅₂S₁₆Si₈:6681,Found:6704[M+Na]⁺).按照相同的操作步骤，用对甲苯磺酸(HOTs)或乙酸(HOAc)代替三氟甲磺酸可分别得到催化剂[POSS-(Salen-Co-OTs)₈](85％产率)和[POSS-(Salen-Co-OAc)₈](72％产率)。

实施例4：[POSS-(Salen-Co-OTf)₈]催化的环氧化合物水解动力学拆分反应

以下说明[POSS-(Salen-Co-OTf)₈]催化末端环氧化合物水解动力学拆分的典型操作方法。

向100-mL的烧瓶中加入外消旋末端环氧化合物(100mmol)和催化剂[POSS-(Salen-Co-OTf)₈](16.7mg,0.0025mmol,内含0.02mmol Co)，室温下搅拌形成溶液。在冰水浴中将反应混合物冷却至0℃,搅拌下加水(55.5～65.0mmol)。反应混合物渐升至室温，继续搅拌指定时间，取样约2μL，乙醚稀释后用手性气相色谱(GC)或手性高效液相色谱(HPLC)监测反应进程，直至未反应环氧的光学纯度达到99％ee或恒定到某一最大％ee值。减压蒸馏收集低沸点的手性环氧化合物，向馏残物中加正己烷和乙醚(6:1)混合溶剂(15mL)，过滤分离回收析出的催化剂沉淀，滤液减压蒸馏分离得到手性二醇，并测定其％ee值。

参考上述方法，分别用[POSS-(Salen-Co-OTf)₈]、[POSS-(Salen-Co-OTs)₈]或[POSS-(Salen-Co-OAc)₈]催化一些末端环氧化合物的水解动力学拆分反应，结果如表1所示,其中催化剂[POSS-(Salen-Co-OTf)₈]、[POSS-(Salen-Co-OTs)₈]和[POSS-(Salen-Co-OAc)₈]分别用A、B和C表示。

表1

实施例5：环氧氯丙烷水解动力学拆分催化剂的回收和重复使用

向100-mL的烧瓶中加入外消旋环氧氯丙烷(9.25g,100mmol)和催化剂[POSS-(Salen-Co-OTf)₈](16.7mg,0.0025mmol,内含0.02mmol Co)，室温下搅拌形成溶液。在冰水浴中将反应混合物冷却至0℃,搅拌下加水(55.5mmol)。反应混合物渐升至室温，继续搅拌指定时间，并取样约2μL乙醚稀释后用手性GC监测反应进程，直至未反应环氧的光学纯度达到99％ee或恒定到某一最大％ee值。真空蒸馏收集光学纯的环氧氯丙烷，向馏残物中加正己烷和乙醚(6:1)混合溶剂(15mL)，过滤分离回收析出的催化剂沉淀，滤液减压蒸馏分离得到(S)-3-氯-1,2-丙二醇。回收的催化剂用正己烷(3×5mL)洗涤，真空干燥2小时，采用与上面相同的操作步骤和反应条件，重新用于下一轮循环催化外消旋环氧氯丙烷的水解动力学拆分反应。催化剂[POSS-(Salen-Co-OTf)₈]循环利用的结果如表2所示。

表2

Claims

1.一种多面体低聚倍半硅氧烷树枝状大分子催化剂，其特征在于，分子式为{Si₈O₁₂[C₃H₆SCH₂(Salen-CoX)]₈}，结构通式如式(Ⅰ)所示：

X选自卤素离子、BF₄ ^-、PF₆ ^-、SbF₆ ^-、NO₃ ^-或有机酸根。

2.根据权利要求1所述的多面体低聚倍半硅氧烷树枝状大分子催化剂，其特征在于，所述的有机酸根选自乙酸根、三氟乙酸根、三氯乙酸根、三氟甲磺酸根、2,4-二硝基苯磺酸根、3-硝基苯磺酸根、对甲基苯磺酸根、苯磺酸根、樟脑磺酸根、对硝基苯甲酸根或苯甲酸根。

3.根据权利要求1所述的多面体低聚倍半硅氧烷树枝状大分子催化剂，其特征在于，所述的R¹、R²和R³独立地选自C₁～C₆的烷基。

4.根据权利要求1～3任一权利要求所述的多面体低聚倍半硅氧烷树枝状大分子催化剂，其特征在于，所述的R¹、R²和R³均为叔丁基，X选自乙酸根、三氟甲磺酸根或对甲基苯磺酸根。

5.一种根据权利要求1所述的多面体低聚倍半硅氧烷树枝状大分子催化剂在外消旋末端环氧化合物的水解动力学拆分反应中的应用。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述的外消旋末端环氧化合物的结构式如式(Ⅱ)所示：

式中，R′选自C₁～C₂₀的开链烷基或环烷基、C₆～C₂₄芳基或取代芳基、或末端带有醚、羧酸酯、卤素官能团的取代烷基。

7.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述的外消旋末端环氧化合物和水的摩尔比为1:0.3～0.7；

8.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述的外消旋末端环氧化合物的水解动力学拆分反应的温度为0～60℃，时间为0.5～48h。

9.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述的外消旋末端环氧化合物的水解动力学拆分反应在无溶剂条件下或在有机溶剂中进行；

所述的有机溶剂选自氯仿、二氯甲烷、四氯化碳、1,2-二氯乙烷或四氢呋喃。