含双磷双氨基酸钌配合物及其在催化醛的氢化中的应用
技术领域
本发明属于有机化学技术领域,具体涉及到一种含双磷双氨基酸类钌配合物以及该配合物在醛的加氢还原反应中的催化作用。
背景技术
传统的醛的还原方法主要应用当量的金属试剂,如硼氢化钠,这类还原反应所需金属试剂价格较贵,后处理麻烦。催化加氢的方法是比较绿色的还原方法,针对含羰基类的醛、酮化合物,研究最广泛的是Noyori的钌-双磷双胺类催化剂,该催化体系效率极高,主要应用于酮的不对称氢化反应,而对于醛的催还还原报道较少,原因可能是该催化体系中需要碱作为添加剂,而醛对于碱更加敏感,更易发生羟醛缩合反应(J.Am.Chem.Soc.1995,117,10417-10418)。Matthias Beller合成了一种三羰基(η4-环戊二烯酮)铁配合物作为醛酮还原的催化剂,取得了较好的转化数(TON高达2000)(Angew.Chem.Int.Ed.2013,52,5120-5124)。Dupau(Firmenich SA)等人将Noyori的钌-双磷双胺催化剂的阴离子改成羧酸根负离子,可以在中性或酸性条件下高效的还原醛到醇,并对含有C=C双键的醛还原具有很好的选择性(Angew.Chem.Int.Ed.2013,52,11347-11350)。
综上所述,醛的还原有了较大的发展,但多数在碱性条件下发生,底物具有局限性,因此发展一类可以在中性条件下对醛可以高效加氢还原的催化剂具有重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种含双磷双氨基酸钌配合物,其易于制备,可以在中性条件下高效的还原醛到醇。
本发明涉及的金属钌配合物催化剂为通式(1)所示的结构:
所述通式(1)中Ru为金属钌;P1、P2为相同或不同的三价膦配体,或为由基团Q1连接的双磷配体;基团Q1为C1-C40内的脂肪基连接基、C6-C60的芳香基连接基、芳烷基连接基、醚键连接基,基团Q1中含或者不含有杂原子;
双氨基羧酸负离子配体为相同或不同的单独结构,或为由Q2连接而成的四齿配体;Q2为C1-C40内的脂肪基连接基;Q3、Q4相同或不同,为C1-C40内的脂肪基连接基、C6-C60的芳香基连接基,x=1或2。
基团Q1具有手性或非手性。
Q3、Q4可以具有手性或非手性。
如通式(1)所述的金属钌配合物,当双氨基酸配体单独存在,Q3、Q4为取代或非取代的亚甲基,当三价膦配体P1、P2为单独存在的三价膦配体,该金属钌配合物具有如通式(2)所示的结构,当三价膦配体P1、P2被Q1连接成为三价双膦配体,该金属钌配合物具有如通式(3)所示的结构:
所述通式(2)、(3)中,R1~R5为烷基、芳基、芳烷基、烷氧基、芳氧基、芳烷氧基、杂环基、或取代氨基,相邻的R2与R3、相邻的两个R4、相邻的两个R5可以成环或不成环。成环为碳环或碳杂环。另外,上述基团也可具有取代基。
提供两种通式(2)所示的金属钌配合物的制备方法,第一种是将1倍量的RuX2(PAr3)3与两倍量的α-氨基酸在碱的条件下反应制备通式(2)所述的金属钌配合物,第二种是将1倍量的RuX2(PAr3)3与大于或等于2倍量的α-氨基羧酸盐反应制备。
所述方法中,X为阴离子配体;Ar为苯基或取代芳基;α-氨基酸为α位取代或非取代的手性或非手性氨基酸;碱可以为有机胺碱、碱金属烷氧化物、碱金属氢氧化物、碱金属碳酸化合物;α-氨基羧酸盐可以对应为上述α-氨基酸的碱金属盐、铵盐。
提供两种通式(3)所示的金属钌配合物的制备方法,第一种是将1倍量的RuX2(R2 2PQ1PR2 2)(DMF)n与2倍量的α-氨基羧酸盐反应制备,第二种是用1倍量的Ru(R2 2PQ1PR2 2)(allyl-type)与2倍量的α-氨基羧酸盐反应制备。
所述方法中,X为阴离子配体;R2 2PQ1PR2 2为通式(3)中所示的双磷配体;DMF为N,N-二甲基甲酰胺;allyl-type为2-取代的烯丙基负离子。
根据本发明实施例,如通式(1)~(3)所示的配合物中,所述的钌金属配合物具有通式(4)所述的结构,该金属钌配合物的制备方法是将1倍量RuCl2(Ph2PCH2CH2CH2PPh2)(DMF)n与2倍量的NH2CH2COONa反应制备。
上述所述的配合物(1)-(4)中的任何一种催化剂可以对醛进行催化加氢制备醇,反应条件为50-120℃、10-100atm H2条件下对醛进行加氢还原。
本发明提供一种新型的、易于制备的钌金属催化剂,提供一种在中性条件下高效的还原醛到醇的高效方法。
本发明催化剂需要满足能够在中性条件下还原醛。该催化剂具有易于制备、催化效率高、稳定性好等优点,因而具有潜在的工业应用价值。
附图说明
图1为基于本发明中的实施例3中所述的金属钌配合物的X-射线单晶衍射分析所示的化学结构。
具体实施方式
首先,对本发明中的通式(1)所示的配合物进行说明。
所述通式(1)中Ru为金属钌;P1、P2为相同或不同的三价膦配体,或为由基团Q1连接的双磷配体;基团Q1为C1-C40内的脂肪基连接基、C6-C60的芳香基连接基、芳烷基连接基、醚键连接基,基团Q1中含或者不含有杂原子;
双氨基羧酸负离子配体为相同或不同的单独结构,或为由Q2连接而成的四齿配体;Q2为C1-C40内的脂肪基连接基;Q3、Q4相同或不同,为C1-C40内的脂肪基连接基、C6-C60的芳香基连接基,x=1或2。
对通式(1)中的Q1进行说明。
作为链状脂肪基连接基,列举由碳数1~40、优选碳数1~10、更优选碳数2~5的直链状或支链状的二价烷基链,具体例如亚甲基、亚乙基、三亚甲基、四亚甲基、五亚甲基等。
作为环烷基,列举由碳数3~15、优选碳数3~10、更优选碳数3~6的单环式、多环式或稠环式环烷基得到的连接基团,例如,亚环丙基、亚环丁基、亚环戊基、亚环己基等。
作为二价亚芳烷基,列举从苄基、苯乙基等芳烷基的芳基脱去一个氢原子的碳数7~11的二价基团。可列举亚苯亚甲基(-Ph-CH2-)、2-亚苯亚乙基(-Ph-CH2CH2-)、1-亚萘亚甲基(-Np-CH2-)、2,2’-联萘基(2,2’-binaphthyly)等(式中-Ph-为亚苯基、-Np-为亚萘基)。
作为二价烷氧或芳氧连接基,列举为上述二价亚烷基、二价亚环烷基或二价亚芳烷基两端含氧连接基,例如1,3-戊二氧基(-O-CHCH3CH2CH3CH2CH-O-),2,2’-联萘氧基等。
作为上述二价亚烷基、二价亚环烷基或二价亚芳烷基、二价烷氧或芳氧连接基都可具有取代基R。
对取代基R进行说明。
作为烷基,列举碳数1~50、优选碳数1~20、更优选碳数1~10的直链或直链 烷基,例如,甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、正戊基、正己基、正辛基等。作为环烷基,列举碳数3~30、优选碳数3~20、更优选碳数3~10的单环式、多环式或稠环式环烷基,例如,环丙基、环戊基、环己基等。
作为芳基,列举碳数6~36、优选碳数6~18、更优选碳数6~14的单环式、多环式或稠环式芳基,例如,苯基、萘基、蒽基、菲基联苯基等。作为芳烷基,列举前述烷基中至少一个氢原子被前述芳基取代的基团,例如优选碳数7~15的芳烷基,具体为苄基、1-苯乙基、2-苯乙基、1-苯丙基、3-萘丙基等。
作为含氧取代基,可列举为无保护的羟基,或碳数1~20、优选碳数1~15、更优选碳数1~10的直链或直链烷基形成的烷氧基,例如,甲氧基、乙氧基、正丙氧基、异丙氧基、正丁氧基、异丁氧基、仲丁氧基、叔丁氧基、正戊氧基等。列举碳数6~36优选碳数6~18、更优选碳数6~14的单环式、多环式或稠环式芳基形成的芳氧基,例如,苯氧基、甲苯氧基、二甲苯氧基、萘氧基等。
作为卤素原子,可以列举氟原子、氯原子、溴原子及碘原子。
作为上述上述烷基、芳基、含氧取代基上可能具有取代基,可列举前述烷基、芳基、含氧取代基、卤素原子。
对通式(1)中的Q2进行说明。
Q2可列举为对Q1进行说明时所列举的二价亚烷基、二价亚环烷基或二价亚芳烷基。
对通式(1)中的Q3、Q4进行说明。
Q3、Q4可列举为对Q1进行说明时所列举的二价亚烷基、二价亚环烷基或二价亚芳烷基,优选具有天然氨基酸结构中的亚甲基连接基,例如,亚甲基(-CH2-,甘氨酸)、乙叉基(-CH3CH-,丙氨酸)、苯亚甲基(-PhCH-,苯甘氨酸)等。
作为优选的金属钌配合物如下述通式(2)、(3)所示,其特征在于双氨基酸配体单独存在,Q3、Q4为取代或非取代的亚甲基,当三价膦配体P1、P2为单独存在的三价膦配体,该金属钌配合物具有如通式(2)所示的结构,当三价膦配体P1、P2被Q2连接成为三价双膦配体,该金属钌配合物具有如通式(3)所示的结构:
所述通式(2)、(3)中,Q1为C1-C40内的脂肪基连接基、C6-C60的芳香基连接基、芳烷基连接基、醚件连接基,上述连接基团中可以含有取代基、杂原子、氟、氯、溴、碘,连接基团可以具有手性或非手性;R1~R5为烷基、芳基、芳烷基、烷氧基、芳氧基、芳烷氧基、杂环基、或取代氨基,相邻的两个R1、相邻的R2与R3、相邻的两个R4、相邻的两个R5可以成环,为碳环或碳杂环;另外,上述基团也可具有取代基。
对通式(2)、(3)中R1、R4及R5进行说明。
作为烷基、芳基、芳烷基、烷氧基、芳氧基、芳烷氧基可列举为如通式(1)中对R基进行说明时所列举的基团。
作为杂环基,列举脂肪族杂环基及芳香族杂环基。作为脂肪族杂环基,例如,具有2~14个碳原子的3~8元、优选4~6元的单环脂肪族杂环基、多环式或稠环式脂肪族杂环基,这些基团含有至少1个、优选1~3个例如氮原子、氧原子和/或硫原子等杂原子。作为脂肪族杂环基的具体例子,例如氮杂丁烷基(azetidyl group)、氮杂环丁基(azetidino group)、吡咯烷基(pyrrolidyl group)、吡咯烷基(pyrrolidino group)、哌啶基(piperidinylgroup)、四氢呋喃基、四氢吡喃基、四氢噻吩基等。作为芳香杂环基,列举具有2~15个碳原子的、5元或6元的单环芳杂环基、多环式或稠环式芳杂环基,这些基团含有至少1个、优选1~3个例如氮原子、氧原子和/或硫原子等杂原子。例如呋喃基、噻吩基、吡啶基、嘧啶基、吡嗪基、哒嗪基、吡唑基、咪唑基、噁唑基、噻唑基、苯并呋喃基、苯并噻吩基、喹啉基、异喹啉基、喹喔啉基等。
作为取代氨基,列举氨基的2个氢原子被相同或不同的前述R基中烷基、芳基、芳烷基、烷氧基、芳氧基、芳烷氧基取代的基团,例如,N,N-二乙胺基、N,N-二异丙氨基等二烷氨基;N,N-二环己氨基等二环烷氨基;N,N-二苯氨基、N-萘基-N-苯基氨基等二芳氨基;N,N-二苄氨基等二芳烷氨基。
对通式(1)~(3)中的膦配体可列举如下所示的实例:
提供两种通式(2)所示的金属钌配合物的制备方法,第一种是将1倍量的RuX2(PAr3)3与两倍量的α-氨基酸在碱的条件下反应制备通式(2)所述的金属钌配合物,第二种是将1倍量的RuX2(PAr3)3与大于或等于2倍量的α-氨基羧酸盐反应制备。
所述方法中,X为阴离子配体;Ar为苯基或取代芳基;α-氨基酸为α位取代或非取代的手性或非手性氨基酸;碱可以为有机胺碱、碱金属烷氧化物、碱金属氢氧化物、碱金属碳酸化合物;α-氨基羧酸盐可以对应为上述α-氨基酸的碱金属盐、铵盐。
对所述方法中的阴离子配体X进行说明。
作为1价阴离子配体,列举例如氢负离子、烷氧基、环烷氧基、芳氧基、芳烷氧基、羟基、酰氧基、磺酰氧基、卤素离子、AlH4 -、AlH2(OCH2CH2OCH3)2 -、BH4 -、BH3CN-、BH(Et)3 -及BH(sec-Bu)3 -等。优选BH4-、氢负离子、或氯离子。
作为酰氧基,列举(RaCO2 -)所示。作为酰氧基RaCO2 -中的Ra,列举氢原子、烷基、芳基、芳烷基。作为所述烷基、芳基、芳烷基,例如列举在对前述通式(1)中R1~R6进行说明时所述的烷基、芳基、芳烷基,Ra具体可列举为甲基、乙基、丙基、叔丁基、三氟甲基、苯基、五氟苯基等。
作为磺酰氧基,列举例如(RsSO3)所示的基团。作为磺酰氧基RsSO3中的Rs可与所述酰氧基中的Ra相同。
对所述方法中Ar基进行说明。
Ar基为无取代或取代芳基,可列举为如前通式(2)、(3)中对R1、R4及R5进行说明时所列举的芳基。
对所述方法中的α-氨基酸进行说明。
α-氨基酸可列举为α位有或者没有取代的氨基酸,可具有手性,取代基可列举为通式(1)中所述的R基所列举的基团,具体可列举为甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、苯甘氨酸等。
对所述方法中所用的碱进行说明。
作为有机碱,可列举为共价形式的碱,如三乙胺、二异丙基乙基胺、1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯(DBU)、二乙胺等;含有离子形式的碱,如甲醇钠、乙醇钠、甲醇钾、叔丁醇钾、二异丙基氨基锂(LDA)、二(三甲基硅基)氨基锂(LiHMDS)、六甲基二硅氮烷钾盐等。
作为无机碱,可列举为碳酸钾、碳酸钠、碳酸锂、碳酸铯等碱金属碳酸盐;碳酸氢钠、碳酸氢钾等碱金属碳酸氢盐;氢盐化钠、氢氧化钾、氢氧化锂等碱金属氢氧化物等。
对所述方法中所用的α-氨基羧酸盐进行说明。
可列举为上述α-氨基酸所对应的金属盐或铵盐,例如,甘氨酸钠、丙氨酸钠、苯甘氨酸钠等。
提供两种通式(3)所示的金属钌配合物的制备方法,第一种是将1倍量的RuX2(R2 2PQ1PR2 2)(DMF)n与2倍量的α-氨基羧酸盐反应制备,第二种是用1倍量的Ru(R2 2PQ1PR2 2)(allyl-type)与2倍量的α-氨基羧酸盐反应制备。
上述方法所述的阴离子配体X可列举为上述对通式(2)的制备方法说明时所对应的阴离子。
上述方法所述的Q1可列举为通式(1)所述的Q1。
上述方法所述的R2可列举为通式(2)所述的R2。
上述方法所述的α-氨基羧酸盐可列举为上述方法所述的α-氨基羧酸盐。
列举一种优选的金属钌配合物如结构式(4)所示
上述所述的配合物(1)-(4)中的任何一种催化剂可以对醛进行催化加氢制备醇,反应条件为50-120℃、10-100atm H2条件下对醛进行加氢还原,反应式如通式(5)所示
对通式(5)所示的R基进行说明,R可以为烷基、芳基、芳烷基、烷氧基、芳氧基、芳烷氧基,可列举为如通式(1)中对R基进行说明时所列举的基团。
反应所需氢气压力范围可以为10-100atm,优选30-70atm,更优选50atm。
反应所需温度可以为50-120℃,优选80-100℃,更优选100℃。
催化剂的使用量可根据氢化底物、反应条件及催化剂的种类而定,通常催化剂与底物的摩尔比范围为0.0001mol%~10mol%,优选0.001mol%~0.1mol%。
下面通过实施例对本发明加以说明,但本发明并不仅限于实施例。
实施例1
金属钌配合物Ru(PPh3)2(Gly)2的制备
将RuCl2(PPh3)3(0.479g,0.5mmol)、甘氨酸(90mg,1.2mmol)溶于20mL乙醇中,50℃加热搅拌3h,冷却,过滤,滤液旋干,溶于二氯甲烷,过硅藻土,所得滤液旋干,得到黄色固体(150mg)。ESI-HRMS Calculated for C31H35N2O4P2Ru+([M+H]+):663.1110,found663.1118.
实施例2
金属钌配合物Ru(S-BINAP)(S-phgly)2的制备
将[RuCl2(benzene)]2(50mg,0.1mmol)、S-BINAP(130mg,0.21mmol)混合,抽换成氮气氛围,加入3mL N,N-二甲基甲酰胺,110℃加热搅拌10min,冷却至室温,加入苯甘氨酸钠(103mg,0.6mmol)的6mL甲醇溶液,40℃搅拌3h,将反应液倒入50mL冰水中,搅拌10min,过滤出沉淀,水洗涤两边,所得固体经柱层析纯化,得到黄色固体(148mg,产率72%)。ESI-HRMSCalculated for C40H39N2O4P2Ru+([M+H]+):775.1423,found745.1432.
实施例3
金属钌配合物Ru(DPPP)(S-phgly)2的制备
将[RuCl2(benzene)]2(250mg,0.5mmol)、1,3-双(二苯基膦基)丙烷(412mg,1mmol)混合,抽换成氮气氛围,加入15mL N,N-二甲基甲酰胺,110℃加热搅拌2h,冷却至室温,加入甘氨酸钠(290mg,3mmol)的20mL甲醇溶液,室温搅拌过夜,将反应液倒入100mL冰水中,二氯甲烷萃取三遍(50mL×3),干燥,旋干,所得固体经柱层析纯化,得到黄色固体(395mg,产率60%)。重结晶所得的单晶结构如附图所示。
实施例4
在手套箱中,将苯甲醛(0.53g,5mmol)置于5mL玻璃瓶中,加入0.66mL的催化剂Ru(DPPP)(S-phgly)2的异丙醇溶液(0.1mg/mL,0.002mol%),加入搅拌子,将反应瓶置于高压反应釜内,充换氢气(10atm×3次),充入如表一所示的相应压力,将反应釜放入提前预热至100℃的油浴锅内,加热搅拌20h,将反应釜冷水浴冷却至室温,缓慢释放出氢气,反应液通过气相色谱分析产率,气相条件(SPBTM-5,FUSED SILICA Capillary Column,30m×0.25mm×0.25μm,film thickness),进样温度250℃,检测温度260℃,程序升温120℃(0min)-30℃/min-240℃(3.5min),所得产率如表一所示。
表一:氢气压力对反应的影响
实施例5
在手套箱中,将苯甲醛(0.53g,5mmol)置于5mL玻璃瓶中,加入0.38mL的催化剂Ru(PPh3)2(Gly)2的异丙醇溶液(1mg/mL,0.01mol%),加入搅拌子,将反应瓶置于高压反应釜内,充换氢气(10atm×3次),充入如表一所示的相应压力,将反应釜放入提前预热至100℃的油浴锅内,加热搅拌24h,将反应釜冷水浴冷却至室温,缓慢释放出氢气,反应液通过气相色谱分析产率,气相条件(SPBTM-5,FUSED SILICA Capillary Column,30m×0.25mm×0.25μm,film thickness),进样温度250℃,检测温度260℃,程序升温120℃(0min)-30℃/min-240℃(3.5min),产率为88%。
实施例6
在手套箱中,将苯甲醛(0.53g,5mmol)置于5mL玻璃瓶中,加入0.51mL的催化剂Ru(S-BINAP)(S-phgly)2的异丙醇溶液(0.1mg/mL,0.001mol%),加入搅拌子,将反应瓶置于高压反应釜内,充换氢气(10atm×3次),充入如表一所示的相应压力,将反应釜放入提前预热至100℃的油浴锅内,加热搅拌24h,将反应釜冷水浴冷却至室温,缓慢释放出氢气,反应液通过气相色谱分析产率,气相条件(SPBTM-5,FUSED SILICA Capillary Column,30m ×0.25mm×0.25μm,film thickness),进样温度250℃,检测温度260℃,程序升温120℃(0min)-30℃/min-240℃(3.5min),产率为99%。
实施例7
在手套箱中,将苯甲醛(0.53g,5mmol)置于5mL玻璃瓶中,加入0.33mL的催化剂Ru(DPPP)(S-phgly)2的异丙醇溶液(0.1mg/mL,0.001mol%),加入搅拌子,将反应瓶置于高压反应釜内,充换氢气(10atm×3次),充入如表一所示的相应压力,将反应釜放入提前预热至100℃的油浴锅内,加热搅拌24h,将反应釜冷水浴冷却至室温,缓慢释放出氢气,反应液通过气相色谱分析产率,气相条件(SPBTM-5,FUSED SILICA Capillary Column,30m×0.25mm×0.25μm,film thickness),进样温度250℃,检测温度260℃,程序升温120℃(0min)-30℃/min-240℃(3.5min),产率为99%。
实施例8
在手套箱中,将癸醛(0.78g,5mmol)置于5mL玻璃瓶中,加入0.33mL的催化剂Ru(DPPP)(S-phgly)2的异丙醇溶液(0.1mg/mL,0.001mol%),加入搅拌子,将反应瓶置于高压反应釜内,充换氢气(10atm×3次),充入如表一所示的相应压力,将反应釜放入提前预热至100℃的油浴锅内,加热搅拌24h,将反应釜冷水浴冷却至室温,缓慢释放出氢气,反应液通过气相色谱分析产率,气相条件(SPBTM-5,FUSED SILICA Capillary Column,30m×0.25mm×0.25μm,film thickness),进样温度250℃,检测温度260℃,程序升温120℃(0min)-20℃/min-200℃(2min),产率为99%。
实施例9
在手套箱中,将糠醛(0.48g,5mmol)置于5mL玻璃瓶中,加入0.33mL的催化剂Ru(DPPP)(S-phgly)2的异丙醇溶液(0.1mg/mL,0.001mol%),加入搅拌子,将反应瓶置于高压反应釜内,充换氢气(10atm×3次),充入如表一所示的相应压力,将反应釜放入提前预热至100℃的油浴锅内,加热搅拌24h,将反应釜冷水浴冷却至室温,缓慢释放出氢气,反应液通过气相色谱分析产率,气相条件(SPBTM-5,FUSED SILICA Capillary Column,30m×0.25mm×0.25μm,film thickness),进样温度250℃,检测温度260℃,程序升温80℃(0min)-20℃/min-200℃(4min),产率为83%。
实施例10
在手套箱中,将糠醛(0.48g,5mmol)置于5mL玻璃瓶中,加入0.33mL的催化剂Ru(DPPP)(S-phgly)2的异丙醇溶液(1mg/mL,0.01mol%),加入搅拌子,将反应瓶置于高压反应釜内,充换氢气(10atm×3次),充入如表一所示的相应压力,将反应釜放入提前预热至100℃的油浴锅内,加热搅拌24h,将反应釜冷水浴冷却至室温,缓慢释放出氢气,反应液通过气相色谱分析产率,气相条件(SPBTM-5,FUSED SILICA Capillary Column,30m×0.25mm×0.25μm,film thickness),进样温度250℃,检测温度260℃,程序升温150℃(0min)-30℃/min-200℃(5min),产率为90%。