手性季铵盐相转移催化剂的固载策略研究

摘要

相转移催化具有反应条件温和、操作简便、适宜大规模生产和环境友好等特点，已成为有机化合物合成中重要而广泛应用的合成方法。其中，金鸡纳碱和联萘衍生的手性季铵盐是目前研究最多的两类手性相转移催化剂，在不对称烷基化、Mannich反应、Aldol反应、环化反应和共轭加成等不对称反应中表现出优异的催化性能。但是，相转移催化剂的两亲性导致其与产物分离困难，难于回收。从绿色化学观点讲，利用载体实现均相相转移催化剂的固载，可以有效地解决其回收问题，提高昂贵手性相转移催化剂的催化效能。
　　本文将金鸡纳碱衍生的季铵盐和联萘衍生的Maruoka催化剂，通过共价键的方式键连到无机载体二氧化硅、高分子聚合物载体和有机硅空心纳米微球上，实现昂贵相转移催化剂在不对称烷基化反应中的高性能重复使用，从而提升其催化效能。本文开展了以下三个方面的研究：
　　（1）以辛可尼丁为原料，合成N-(2’-氰基苄基)-O(9)-烯丙基-辛可尼丁季铵盐均相相转移催化剂（CDPTC），利用CDPTC中桥环双键与3-巯丙基三甲氧基硅烷巯基间的Click反应，引入三甲氧基硅烷锚点基团，酸性条件水解，制备无机载体二氧化硅固载金鸡纳碱季铵盐相转移催化剂（SiO2@CDPTC）。通过IR、元素分析、TGA、SEM、TEM以及N2吸附-脱附等手段对非均相相转移催化剂SiO2@CDPTC进行表征，系统研究其化学组成、负载量、表面形貌和孔结构特征。红外谱图中C-S-C键、C-Si键和Si-O-Si键的特征峰，确证均相CDPTC通过共价键的方式键连到无机骨架上；元素分析测定CDPTC的负载量为0.87mmol/g；TGA表明其热行为包括三个失重过程，总失重为77.1%；SEM图谱表明非均相催化剂SiO2@CDPTC具有微米尺度的蜂窝状形貌，TEM进一步显示为0.3-0.5um的球状颗粒，HRTEM表明0.5-1.5nm的不规则罗纹排布。
　　非均相相转移催化剂SiO2@CDPTC在N-二苯亚甲基甘氨酸叔丁酯的不对称烷基化反应中具有优异的催化性能，不管是吸电子取代基（-CF3和-F）、还是供电子取代基（-CH3）的苄溴，都能高收率（80-96%）、对映选择性（76.0-96.9%ee）合成烷基化产物。但对于烯丙基类底物，其产率和对映选择性没有取得令人满意的结果（10-50%,52.0-67.1%）。反应结束后，非均相催化剂可以通过简单的过滤进行回收，重复使用五次，催化性能无明显下降。
　　（2）设计两种合成路线在Maruoka催化剂骨架的不同位置引入苯乙烯锚点，通过悬浮聚合以共价键的方式将昂贵Maruoka催化剂固载于高分子聚合物微球。路线1：(R)-9溴代得到溴化季铵盐(R)-10，(R)-10与对乙烯基苯硼酸通过Suzuki偶联反应制得6,6’-位苯乙烯功能化的Maruoka催化剂(R)-11。路线2：(R)-8和二(4-(4-乙烯基苯基)丁基)胺的季铵化反应，得到螺环N+-苯乙烯功能化的Maruoka催化剂(R)-12。以(R)-11或(R)-12、苯乙烯和丙烯酰胺为共聚单体，EGDMA为交联剂，PVA为分散剂，通过悬浮聚合法，制备聚合物微球固载Maruoka催化剂，分别记为poly[St-co-AA-co-(R)-11]和poly[St-co-AA-co-(R)-12]。
　　通过IR、元素分析、SEM和N2吸附-脱附等手段对聚合物微球固载手性Maruoka催化剂进行表征，并运用模板烷基化反应，研究固载手性Maruoka催化剂在不对称烷基化反应中的构效关系。研究表明，聚合物微球固载手性Maruoka催化剂的表面形貌和孔结构对其在不对称烷基化反应中的催化性能有着重要影响。poly[St-co-AA-co-(R)-11]的比表面积（33.5m2/g）较大，表现出更好的催化性能。同时，poly[St-co-AA-co-(R)-11]的苯乙烯锚点远离手性季铵盐活性中心，在烷基化反应中的收率和对映选择性（81-96%，96-97% ee）高于催化剂poly[St-co-AA-co-(R)-12]（78-88%，88-95%ee）。poly[St-co-AA-co-(R)-11]在N-二苯亚甲基甘氨酸叔丁酯与卤代烃的不对称反应中，可高收率（76-96%）和对映选择性（88-97%ee）地合成甘氨酸叔丁酯的烷基化产物。回收的poly[St-co-AA-co-(R)-11]催化剂表现出更好的催化活性，在第五次重复使用时，反应时间缩短至48h，收率96%，对映选择性91%。
　　（3）设计两种巯基功能化的有机硅空心载体，通过共价键的方式，分别对Maruoka相转移催化剂(R)-11进行固载，得到手性Maruoka相转移催化剂功能化的空心纳米微球。载体1：以聚苯乙烯微球PS/PVP为模板，通过1,2-双三乙氧基硅基乙烷（BTEE）和3-巯丙基三甲氧基硅烷（MPTMS）的共缩聚，得到核壳结构微球PS/PVP@B&M，用DMF洗涤内核，制备有机硅空心微球B&M。载体2：以PS/PVP和十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为双模板，BTEE和MPTMS共缩聚，化学刻蚀模板，制备空心介孔有机硅B＃M。以空心有机硅材料B&M和B#M为载体，通过click反应锚定Maruoka相转移催化剂(R)-11，制备空心有机硅微球固载Maruoka相转移催化剂B&M@(R)-11和空心介孔有机硅固载Maruoka相转移催化剂B#M@(R)-11。
　　SEM表明，固载催化剂B&M@(R)-11具有纳米微球状形貌，具有疏松的壳层，有利于催化反应的传质效应。在不对称烷基化模板反应中，高收率（85-96%）合成对映选择性（85.3-90.8%ee）的甘氨酸叔丁酯烷基化产物。固载催化剂B#M@(R)-11大部分是球状颗粒，颗粒间夹杂一些无定形结构。在N-二苯亚甲基甘氨酸叔丁酯的不对称烷基化反应中，合成高收率（75-96%）的烷基化产物，对映选择性80.5-91.2%ee。
　　综上，本文制备了可回收的二氧化硅固载金鸡纳碱相转移催化剂、聚合物负载Maruoka相转移催化剂、空心有机硅微球负载Maruoka相转移催化剂和空心介孔有机硅微球负载Maruoka相转移催化剂，有效解决昂贵手性金鸡纳碱和联萘衍生手性季铵盐相转移催化剂的回收问题，为提升手性季铵盐相转移催化剂的催化效能提供了重要的策略。

目录

声明

第1章 文献综述

1.1 前言

1.2 金鸡纳碱季铵盐相转移催化剂的发展

1.3 手性联萘季铵盐相转移催化剂的发展

1.4 金鸡纳碱及联萘衍生相转移催化剂在不对称反应中的应用

1.5 金鸡纳碱相转移催化剂的固载方法

1.6 手性联萘相转移催化剂的回收策略

1.7 有机硅空心载体在不对称催化中的应用

1.8 选题目的与意义

第2章 二氧化硅固载金鸡纳碱季铵盐的制备及表征

2.1 二氧化硅固载金鸡纳碱季铵盐的制备路线

2.2 实验部分

2.3 非均相催化剂的表征

2.4 本章小结

第3章 二氧化硅固载金鸡纳碱季铵盐在不对称烷基化反应中的应用

3.1 实验部分

3.2 结果与讨论

3.3 不对称烷基化产物的结构表征

3.4 本章小结

第4章 聚合物微球固载Maruoka相转移催化剂的制备

4.1 聚合物微球固载Maruoka相转移催化剂的制备路线

4.2 主要仪器和试剂

4.3 苯乙烯功能化Maruoka相转移催化剂单体的合成

4.4 不对称烷基化反应

4.5 聚合物微球固载Maruoka相转移催化剂的制备[245]

4.6 本章小结

第5章 聚合物微球固载Maruoka催化剂的结构表征及应用

5.1 制备条件对聚合物固载Maruoka催化剂形貌以及比表面的影响

5.2 孔径分布

5.3 红外表征

5.4 负载量

5.5 聚合物固载Maruoka催化剂在不对称烷基化反应中的构效关系

5.6 聚合物固载Maruoka催化剂在不对称烷基化反应中的应用

5.7 聚合物固载Maruoka催化剂的重复使用性

5.8 本章小结

第6章 空心有机硅材料固载Maruoka催化剂的制备及应用

6.1 空心有机硅材料固载Maruoka催化剂的制备路线

6.2 实验部分

6.3空心有机硅材料固载Maruoka催化剂的形貌表征

6.4 空心有机硅材料固载Maruoka催化剂在不对称烷基化中的应用

6.5 本章小结

第7章 结论和展望

参考文献

附录I 部分化合物的表征图谱

附录II 攻读博士学位期间发表和待发表论文情况

致谢