CN114262435B - 一种基于炔烃、胺、叠氮的三组分聚合制备手性聚甲胺基三唑的方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于高分子聚合物合成技术及聚合物催化领域，提供了一种基于炔烃、胺、叠氮的三组分聚合制备手性聚甲胺基三唑的方法及应用。本发明的方法具有反应条件温和，所得聚合物分子量高，手性可调控的优势。同时以该方法所得到的聚合物可以作为大分子配体，与相应的金属配位后可以作为大分子催化剂有效的催化一系列小分子转化反应，包括水相中通过自组装策略制备纳米级催化剂，可实现催化剂含量在ppm级别的催化反应，以及作为大分子手性催化剂实现不对称催化等。

Description

一种基于炔烃、胺、叠氮的三组分聚合制备手性聚甲胺基三唑 的方法及应用

技术领域

本发明属于高分子聚合物合成技术及聚合物催化领域，涉及一种炔烃、胺、叠氮的三组分聚合构建手性聚甲胺基三唑的方法及以该方法制备的聚合物作为大分子配体与金属配位后作为一种催化剂用于催化小分子转化反应。

背景技术

手性广泛存在于生物大分子中，例如DNA，蛋白质等。受这些天然手性大分子的启发，近些年人工合成各种手性高分子的方法层出不穷。同时这些手性高分子在手性识别、手性拆分以及手性催化等领域有着诸多应用。

三唑是一种能与金属强配位的功能结构单元，常见的合成三唑的方法是人们所熟知的点击化学反应——叠氮炔烃环加成反应。但是通过该方法构筑具有手性结构的三唑则很困难，具体难点如下所示：1、炔烃和叠氮化物都是线性分子，所得的三唑是sp²杂化的芳香杂环化合物，本身没有手性。2、在三唑的形成过程中没有产生新的sp³中心来提供手性元素。因此手性聚甲胺基三唑的合成方法目前尚无报道。

由具有手性元素的单体直接聚合以及非手性单体的不对称动力学拆分聚合是得到手性聚合物的两种常见的方法。但是这两种方法或由于手性单体难以制备、或由于拆分所得产率低等问题均无法有效的构筑手性聚甲胺基三唑。

发明内容

为了解决以上技术现有的不足之处与缺点，本发明提供一种基于炔烃、胺、叠氮的三组分聚合制备手性聚甲胺基三唑的方法。该方法具有反应条件温和，所得聚合物分子量高，手性可调控的优势。同时以该方法所得到的聚合物可以作为大分子配体，与相应的金属配位后可以作为大分子催化剂有效的催化一系列小分子转化反应，包括水相中通过自组装策略制备纳米级催化剂，可实现催化剂含量在ppm级别的催化反应，以及作为大分子手性催化剂实现不对称催化等。

本发明的技术方案：

一种基于炔烃、胺、叠氮的三组分聚合制备手性聚甲胺基三唑的方法，包括以下制备步骤：

准确称量1摩尔当量炔类单体AK、0.1-20摩尔当量胺类单体AM、0.1-20摩尔当量的叠氮单体AZ和2-10摩尔当量的N,N-二异丙基乙胺，溶解于溶剂中，得到反应溶液；称量2.5-50％摩尔当量的铜催化剂和5-100％摩尔当量的手性配体溶解于溶剂中，室温下搅拌1小时，待催化剂与配体充分配位后加入到反应溶液中，最终炔类单体AK的反应浓度控制在0.05-3M；将反应瓶在氮气环境中、室温下持续搅拌6-72h，停止反应；使用乙醚和甲醇分别沉降和洗涤三次，以乙二胺四乙酸二钠的饱和溶液洗涤三次，离心收集沉淀，将产物置于真空干燥箱中干燥至恒重；

所述的炔类单体AK是芳香性的炔丙酯；

所述的胺类单体AM选自于不同的二仲胺单体、单仲胺单体以及伯胺；

所述的叠氮单体AZ为烷基或芳基取代的叠氮；

所述溶剂为甲醇、四氢呋喃、氯仿、二氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜中的一种或两种以上混合，最优溶剂为氯仿；

所述的铜催化剂为一价铜类催化剂；

所述的手性配体为手性py-box类配体；

该三组分聚合反应具有如下反应通式：

R¹为2-20碳不等的脂肪链，R²、R³、R⁴、R⁵、R⁶、R⁷、R⁸、R⁹、R¹⁰为不同的脂肪基或不同的芳香基，x为0-10；聚合度n大于5；手性聚甲胺基三唑的数均分子量范围为2000-90000g/mol，分子量分布范围1.1-2.0。

所述的炔类单体AK的结构进一步为：

所述的胺类单体AM的结构进一步为：

所述的叠氮单体AZ的结构进一步为：

所述的铜催化剂进一步为六氟磷酸四乙腈铜、四氟硼酸四乙腈铜、三氟甲磺酸甲苯铜、碘化亚铜、氯化亚铜、溴化亚铜，优选为六氟磷酸四乙腈铜。

所述的手性配体的结构为：

一种手性聚甲胺基三唑用于制备纳米粒，步骤如下：将铜催化剂(包括但不限于碘化亚铜，氯化亚铜，溴化亚铜，六氟磷酸四乙腈铜、四氟硼酸四乙腈铜、三氟甲磺酸甲苯铜等)与手性聚甲胺基三唑混合后溶解溶剂中，其中，铜催化剂与甲胺基三唑官能团的摩尔比为1:100-1:1；在-20℃～60℃内搅拌1-10小时成母液，母液中一价铜的浓度为0.1mM-1M；将上述母液加入去离子水中稀释制备粒径范围为10nm-500nm的纳米粒，稀释倍数为1-1000倍，稀释后的水溶液中的纳米粒作为大分子催化剂用于后续痕量催化反应；

其中，所述的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、二甲基亚砜。

上述方法得到的纳米粒的应用，纳米粒催化点击反应，步骤如下：

取上述制备好的含有纳米粒的水溶液进一步稀释1-1000倍，向其中加入1摩尔当量的叠氮和1-5摩尔当量的炔烃，使得纳米粒中的一价铜与叠氮的摩尔比为10-10000ppm；反应体系在25-80℃下搅拌1-24小时；反应结束后，通过过滤直接得到产物或以氘代试剂萃取两次，除水，测试核磁氢谱，以核磁氢谱确定转化率。

一种手性聚甲胺基三唑用于制备手性大分子催化剂，步骤如下：将铜催化剂(包括但不限于碘化亚铜，氯化亚铜，溴化亚铜，六氟磷酸四乙腈铜、四氟硼酸四乙腈铜、三氟甲磺酸甲苯铜等)与手性聚甲胺基三唑混合后溶解溶剂中，其中，铜催化剂与甲胺基三唑官能团的摩尔比为1:100-1:1；在-20℃～60℃内搅拌1-10小时成母液，母液中一价铜的浓度为0.1mM-1M；作为手性大分子催化剂用于后续不对称催化反应；

其中，所述的溶剂为二氯甲烷，氯仿，N,N-二甲基甲酰胺，四氢呋喃，二甲基亚砜。

上述方法得到的手性大分子催化剂的应用，催化炔丙胺化反应，步骤如下：

准确称量1摩尔当量的炔类单体，1-5摩尔当量的胺类单体，2-20摩尔当量N,N-二异丙基乙胺加入上述制备的手性大分子催化剂溶液中，在-20℃～60℃内进行12-72小时；反应结束后，乙醚沉降可回收聚合物催化剂，对上清液旋蒸、柱层析得到产物。

本发明的有益效果：

(1)本发明提出了一种基于炔烃、胺、叠氮的三组分聚合一步制备含有甲胺基三唑结构的三组分聚合物。

(2)该类聚合物具有优异的手性特征，分子量高(2000-90000g/mol)。

(3)本发明所提出的合成方法原料易得、反应条件温和、操作步骤简单、副产物少。

(4)本发明所得到的聚合物可以作为大分子配体与多种金属配位制备大分子催化剂，可在一价铜与底物摩尔比低于10ppm的剂量下实现催化反应。

(5)该聚合物中的芳胺基三唑类结构片段可以很好的稳定一价铜的价态，在水溶液和空气中可稳定保存三个月以上。

(6)手性聚合物可与多种金属配位，手性催化能力优于商业化Pybox类配体。

附图说明

图1为本发明实施例1中制备的三组分聚甲胺基三唑的核磁图。

图2为本发明实施例1中制备的三组分聚甲胺基三唑的圆二色谱图。

图3为本发明实施例2中制备的三组分聚甲胺基三唑的核磁图。

图4为本发明实施例3中制备的三组分聚甲胺基三唑的核磁图。

图5为本发明实施例4中制备的三组分聚甲胺基三唑的核磁图。

图6为本发明实施例5中铜与PAK1/AM1/AZ7制备的纳米催化剂的催化效果。

图7为本发明实施例6中铜与PAK1/AM1/AZ7制备的催化剂42天的催化效果图。

图8为本发明实施例7中铜与PAK1/AM3/AZ1制备的手性催化剂与Pybox类催化剂的催化效果对比。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

实施例1

在氮气环境中将对苯二炔丙酯AK1(0.1mmol，38.6mg)、N¹,N²-二苯基乙烷-1,2-二胺AM1(0.1mmol，21.2mg)、苄基叠氮AZ1(0.2mmol，25μL)和N,N-二异丙基乙胺(0.24mmol，40μL)溶解于氯仿(0.5mL)中备用。将六氟磷酸四乙腈铜(0.005mmol，1.9mg)和2,6-双((S)-4-苯基-4,5-二氢恶唑-2-基)吡啶S-L₁(0.01mmol，3.7mg)溶解于氯仿(0.5mL)中，室温下搅拌1小时，待催化剂与配体充分配位后加入先前配置好的反应溶液。反应在室温下持续24h，停止反应。使用乙醚沉降和洗涤三次，以乙二胺四乙酸二钠(EDTA二钠盐)的饱和溶液洗涤三次，离心收集沉淀，将产物置于真空干燥箱中干燥至恒重得到粉末状产物PAK1/AM1/AZ1。

实施例2

在氮气环境中将对苯二炔丙酯AK1(0.1mmol，38.6mg)、苯乙胺AM8(0.1mmol，12.5μL)、苄基叠氮AZ1(0.2mmol，25μL)和N,N-二异丙基乙胺(0.24mmol，40μL)溶解于甲醇和二氯甲烷(0.5mL)中备用。将六氟磷酸四乙腈铜(0.005mmol，1.9mg)和2,6-双((S)-4-苯基-4,5-二氢恶唑-2-基)吡啶S-L₁(0.01mmol，3.7mg)溶解于甲醇和二氯甲烷(0.5mL)中，室温下搅拌1小时，待催化剂与配体充分配位后加入先前配置好的反应溶液。反应在室温下持续24h，停止反应。使用乙醚沉降和洗涤三次，以乙二胺四乙酸二钠(EDTA二钠盐)的饱和溶液洗涤三次，离心收集沉淀，将产物置于真空干燥箱中干燥至恒重得到粉末状产物PAK1/AM8/AZ1。

实施例3

在氮气环境中将对苯二炔丙酯AK1(0.1mmol，38.6mg)、N-甲基苯胺AM13(0.2mmol，21.4mg)、缩甘油醚二叠氮AZ8(0.1mmol，24.4mg)和N,N-二异丙基乙胺(0.24mmol，40μL)溶解于甲醇和四氢呋喃(0.5mL)中备用。将六氟磷酸四乙腈铜(0.005mmol，1.9mg)和2,6-双((S)-4-苯基-4,5-二氢恶唑-2-基)吡啶S-L₁(0.01mmol，3.7mg)溶解于甲醇和四氢呋喃(0.5mL)中，室温下搅拌1小时，待催化剂与配体充分配位后加入先前配置好的反应溶液。反应在室温下持续24h，停止反应。使用乙醚沉降和洗涤三次，以乙二胺四乙酸二钠(EDTA二钠盐)的饱和溶液洗涤三次，离心收集沉淀，将产物置于真空干燥箱中干燥至恒重得到粉末状产物PAK1/AM13/AZ8。

实施例4

在氮气环境中将苯基炔丙酯AK2(0.2mmol，46.4mg)、N¹,N⁴-二苯基丁烷-1,4-二胺AM3(0.1mmol，24mg)、缩甘油醚二叠氮AZ8(0.1mmol，24.4mg)和N,N-二异丙基乙胺(0.24mmol，40μL)溶解于二甲基亚砜(0.5mL)中备用。将六氟磷酸四乙腈铜(0.005mmol，1.9mg)和2,6-双((S)-4-苯基-4,5-二氢恶唑-2-基)吡啶S-L₁(0.01mmol，3.7mg)溶解于二甲基亚砜(0.5mL)中，室温下搅拌1小时，待催化剂与配体充分配位后加入先前配置好的反应溶液。反应在室温下持续24h，停止反应。使用乙醚沉降和洗涤三次，以乙二胺四乙酸二钠(EDTA二钠盐)的饱和溶液洗涤三次，离心收集沉淀，将产物置于真空干燥箱中干燥至恒重得到粉末状产物PAK2/AM3/AZ8。

实施例5

称取六氟磷酸四乙腈铜(0.0015mmol，0.57mg)与PAK1/AM1/AZ7(0.03mmol，40mg)溶于N,N-二甲基甲酰胺(300μL)中，室温下搅拌1小时使得金属与聚合物配位。将溶液滴入10mL纯水中得到具有纳米催化剂的水溶液。取20μL水溶液稀释到500μL作为反应溶剂，向其中加入苯乙炔(0.12mmol，13μL)和苄基叠氮(0.1mmol，12μL)50℃下搅拌18小时(此时铜催化量相对于底物为30ppm)。反应结束后，以氘代氯仿萃取两次，无水硫酸钠干燥，测试核磁氢谱，以核磁氢谱确定转化率。

实施例6

称取六氟磷酸四乙腈铜(0.0015mmol，0.57mg)与PAK1/AM1/AZ7(0.03mmol，40mg)溶于N,N-二甲基甲酰胺(300μL)中，室温下搅拌1小时使得金属与聚合物配位，将溶液滴入10mL纯水中得到具有纳米催化剂的水溶液。为了测定一价铜的稳定性，将该水溶液敞口放置在空气中备用。分别在1、3、5、10、21和42天的时候取20μL水溶液稀释到500μL作为反应溶剂(此时铜催化量相对于底物为30ppm)。向其中加入苯乙炔(0.12mmol，13μL)和苄基叠氮(0.1mmol，12μL)50℃下搅拌18小时。反应结束后，以氘代氯仿萃取两次，无水硫酸钠干燥，测试核磁氢谱，以核磁氢谱确定转化率。

实施例7

称取六氟磷酸四乙腈铜(0.001mmol，0.37mg)与PAK1/AM3/AZ1(0.02mmol，10.5mg)溶于氯仿(1mL)中，室温下搅拌1小时使得金属与聚合物配位。将两份苯基炔丙酯AK2(0.1mmol，23.2mg)，N-乙基苯胺(0.1mmol，13μL)，N,N-二异丙基乙胺(0.2mmol，33μL)加入先前配置好的溶液中，反应在室温下进行12小时。反应结束后，乙醚沉降回收聚合物，对上清液旋蒸、柱层析得到产物。以高效液相色谱分析产物手性。对照组以六氟磷酸四乙腈铜与2,6-双((S)-4-苯基-4,5-二氢恶唑-2-基)吡啶S-L₁配位，其余条件保持不变。

Claims (10)

1.一种基于炔烃、胺、叠氮的三组分聚合制备手性聚甲胺基三唑的方法，其特征在于，包括以下制备步骤：

准确称量1摩尔当量炔类单体AK、0.1-20摩尔当量胺类单体AM、0.1-20摩尔当量的叠氮单体AZ和2-10摩尔当量的N,N-二异丙基乙胺，溶解于溶剂中，得到反应溶液；称量2.5-50％摩尔当量的铜催化剂和5-100％摩尔当量的手性配体溶解于溶剂中，室温下搅拌1小时，待催化剂与配体充分配位后加入到反应溶液中，最终炔类单体AK的反应浓度控制在0.05-3M；将反应瓶在氮气环境中、室温下持续搅拌6-72h，停止反应；使用乙醚和甲醇分别沉降和洗涤三次，以乙二胺四乙酸二钠的饱和溶液洗涤三次，离心收集沉淀，将产物置于真空干燥箱中干燥至恒重；

所述的炔类单体AK是芳香性的炔丙酯；

所述的胺类单体AM选自于不同的二仲胺单体、单仲胺单体以及伯胺；

所述的叠氮单体AZ为烷基或芳基取代的叠氮；

所述溶剂为甲醇、四氢呋喃、氯仿、二氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜中的一种或两种以上混合；

所述的铜催化剂为一价铜类催化剂；

所述的手性配体为手性py-box类配体；

该三组分聚合反应具有如下反应通式：

R¹为2-20碳的脂肪链，R²、R³、R⁴、R⁵、R⁶、R⁷、R⁸、R⁹、R¹⁰为不同的脂肪基或不同的芳香基，x为0-10；聚合度n大于5；手性聚甲胺基三唑的数均分子量范围为2000-90000g/mol，分子量分布范围1.1-2.0。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的炔类单体AK的结构为：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的胺类单体AM的结构为：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的叠氮单体AZ的结构为：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的铜催化剂为六氟磷酸四乙腈铜、四氟硼酸四乙腈铜、三氟甲磺酸甲苯铜、碘化亚铜、氯化亚铜、溴化亚铜。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的手性配体的结构为：

7.根据权利要求1-6任一项所述的方法得到的手性聚甲胺基三唑在制备纳米粒中的应用，其特征在于，将铜催化剂与手性聚甲胺基三唑混合后溶解溶剂中，其中，铜催化剂与甲胺基三唑官能团的摩尔比为1:100-1:1；在-20℃～60℃内搅拌1-10小时成母液，母液中一价铜的浓度为0.1mM-1M；将上述母液加入去离子水中稀释制备粒径范围为10nm-500nm的纳米粒，稀释倍数为1-1000倍，稀释后的水溶液中的纳米粒作为大分子催化剂用于后续痕量催化反应；

其中，所述的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、二甲基亚砜。

8.权利要求7中所述的应用，其特征在于，纳米粒催化点击反应，步骤如下：

取上述制备好的含有纳米粒的水溶液进一步稀释1-1000倍，向其中加入1摩尔当量的叠氮和1-5摩尔当量的炔烃，使得纳米粒中的一价铜与叠氮的摩尔比为10-10000ppm；反应体系在25-80℃下搅拌1-24小时；反应结束后，通过过滤直接得到产物或以氘代试剂萃取两次，除水，测试核磁氢谱，以核磁氢谱确定转化率。

9.根据权利要求1-6任一项所述的方法得到的手性聚甲胺基三唑在制备手性大分子催化剂中的应用，其特征在于，将铜催化剂与手性聚甲胺基三唑混合后溶解溶剂中，其中，铜催化剂与甲胺基三唑官能团的摩尔比为1:100-1:1；在-20℃～60℃内搅拌1-10小时成母液，母液中一价铜的浓度为0.1mM-1M；作为手性大分子催化剂用于后续不对称催化反应；

其中，所述的溶剂为二氯甲烷，氯仿，N,N-二甲基甲酰胺，四氢呋喃，二甲基亚砜。

10.权利要求9中所述的应用，其特征在于，催化炔丙胺化反应，步骤如下：

准确称量1摩尔当量的炔类单体，1-5摩尔当量的胺类单体，2-20摩尔当量N,N-二异丙基乙胺加入上述制备的手性大分子催化剂溶液中，在-20℃～60℃内进行12-72小时；反应结束后，乙醚沉降可回收聚合物催化剂，对上清液旋蒸、柱层析得到产物。

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