文章编号:100421656(2002)0620631206两相体系中不对称催化加氢研究进展袁茂林,陈 华3,黎耀忠,李瑞祥,程溥明,李贤均(四川省绿色化学与技术重点实验室,四川大学化学学院有机金属络合催化研究所,四川成都 610064)摘要:综述了近年来水/有机两相催化体系中的催化不对称加氢研究进展,以及两相体系不对称加氢反应中对映选择性下降与水作为溶剂的关系、水的作用和提高对映选择性的方法。
引用文献39篇。
关键词:综述;水溶性膦配体;两相体系;不对称加氢中图分类号:O6431322 文献标识码:A Ξ ΞΞ ΞΞΞ 近年来,以过渡金属配合物为催化剂的均相不对称加氢取得了令人瞩目的进展[1],同时,两相催化体系的发展大大简化了传统均相催化中催化剂与产物的分离方法[2]。
其中,以水溶性有机金属配合物为催化剂的水/有机两相体系,以水代替有机物作溶剂,具有安全、经济和无环境污染的优点,被认为是二十一世纪发展环境友好的“绿色化工”过程的重要方法[2],在不对称催化加氢中得到了广泛应用[3]。
本文综述了近十多年来,水/有机两相体系中不对称催化加氢研究进展。
1 含磺酸根的膦配体两相催化体系中,所用的配体必须具有足够大的水溶性,以保证所形成的有机金属配合物在水中有很好的溶解度,在催化反应完成后不会溶解到有机相中去。
各种水溶性膦配体中,以含磺酸根的膦配体水溶性最好,且比较容易合成。
D.Sinou 等[4]对磺化反应条件与磺化产物组成的关系进行了详细研究,所制备的磺化手性双膦配体1、2、3和4的铑配合物,在乙酸乙酯-H 2O 两相体系中对潜手性化合物(5)的不对称加氢反应表现出良好的催化性能[5]。
其中,以3作为配体时的效果最好,生成6的对映选择性可高达88%ee (ee :Enantiomeric Excess ),且在催化剂重复使用时,对映选择性保持不变。
对不同的配体,磺化程度的差异将对对映选择性产生不同的影响。
以三磺化和四磺化Chiraphos (3c +3d )的混合物为配体,可获得与四磺化Chiraphos (3d )相近的对映选择性,而四磺化BDPP (2d )的对映选择性却低于2a +2b +2c 的混合物。
分别以2a 、2b 、2c 和2d 与铑形成的配合物催化5a 和5b 的催化剂加氢时,其对映选择性随着磺化度的增加而呈下降趋势[6]。
第14卷第6期2002年12月 化学研究与应用Chemical Research and Application V ol.14,N o.6Dec.,2002ΞΞΞΞΞΞ通讯联系人基金项目:国家自然科学基金资助项目(20272037)收稿日期:2002202207;修回日期:2002209205水溶性膦配体磺化度对对映选择性的影响在潜手性亚胺(7)的不对称加氢反应中表现得更为明显。
在H 2O/EtOAc 中,[Rh (C OD )Cl ]2/2a 催化生成8的对映选择性高达94%ee ,其反应速度是对应的BDPP 为配体在甲醇中反应时的5倍,而2b 为配体时只得到2%ee [6,7]。
当所用配体的磺化度为1165(35%2a +65%2b )时,则可获得96%ee 的对映选择性[8]。
研究结果表明,单磺化的2a 所表现出的特别高对映选择性,既不是电子效应作用的结果,也与立体效应无关,而只是由一种简单的阴离子效应所致[6]。
膦配体磺化度对对映选择性的影响,在脱氢氨基酸(5)和潜手性亚胺(7)的不对称催化加氢中所表现出的巨大差异,可能要归结于两种底物与中心金属在配位方式上的不同:前者具有双配位基团,可与中心金属形成鳌合物;而后者只能作为单齿配体与中心金属配位。
与对应的有机均相体系相比,在水/有机两相体系中的对映选择性多呈下降趋势。
D.Sinou [9]等发现无论是以烃溶性的手性双膦还是水溶性的手性双膦作为配体,随着体系中水含量比例的增加,对映选择性均呈下降趋势,这可能与有水存在时溶剂的高表面能有关。
水不只是作为一种溶剂,而且还参与了反应[10]。
但以2,2’-二(二苯膦基)-1,1’-联萘(BI 2NAP )的磺化产物(9)为配体的铑(I )络合物,{Rh (C OD )[(R )-9]}(ClO 4),催化2-乙酰氨基丙烯酸及其甲酯的不对称加氢反应时,在纯水中的对映选择性达到了与均相中BI NAP 为配体时相同的对映选择性(7014～68%ee vs 67%ee ),随着水中甲醇或乙醇含量的增加,对映选择性反而下降,纯的甲醇或乙醇作为溶剂时,只得到了58%的对应选择性[11]。
在[Ru (benzene )(BI NAP -4S O 3Na )Cl ]Cl 催化5a 的不对称加氢中也观察到了同样的变化趋势[12],但对2-乙酰氨基丙烯酸,在纯水体系中的对映选择性却较甲醇中低(室温时,6815%ee in H 2O vs 8412%ee in CH 3OH ),升高反应温度可使由水作溶剂引起的对映选择性下降得到一定的补偿(50℃时,82%ee in H 2O vs 85%ee in CH 3OH )。
作者认为,水存在引起的对映选择性下降可能是由于Ru -Cl 键的水解造成的[12,13]。
在Ru -BI NAP 催化的均相不对称加氢反应中,也发现了Ru -Cl 键的缺乏所引起的对映选择性下降:[C pRu (BI NAP )Cl ]催化乙酰乙酸甲酯的不对称加氢可获得76%的ee 值,但改用[C pRu (BI NAP )](PF 6)作为催化剂时,同样的条件下只能得到外消旋产物[14]。
作为重要的非甾体类消炎镇痛药物,光学纯萘普生的合成一直是不对称催化研究中的重要内容。
在用10催化潜手性化合物2-(6’甲氧基-2’-萘基)丙烯酸(11)的不对称加氢合成萘普生(12)的反应中,对映选择性由在甲醇中的88%ee (反应温度由室温降至4℃,可获得9611%ee )下降到在MeOH/H 2O (1∶1体积比)中的75%ee ,作者认为这仍然是由于Ru -Cl 键在有水存在时变得不稳定所致[15]。
当该反应在乙酸乙酯/水形成的两相体系中进行时,与在甲醇中的反应相比,不仅对映选择性下降(～80%ee ),而且反应速度也要低至少两个数量级。
可能是由于底物11不溶于水,底物与催化剂配位、反应都困难所致。
通过增大两相间的接触面积(将10负载在SiO 2上获得的负载水相催化剂,S APC [15,16]),可以有效地提高反应速度,但对映选择性仍然不能得到改善(70%ee )。
使用与大多数有机物都不互溶的乙二醇代替水时,可以避免Ru -Cl 键的水解断裂,获得与在甲醇中相当的反应速度和对映选择性(8911%ee )[17]。
二磺化BI NAP (13)为配体时,[RuI (p -Cymene )((+)-13]I 的水溶液催化乙酰乙酸乙酯不对称加氢反应,ee 高达91%,且催化剂水溶液236化学研究与应用 第14卷重复使用时,活性和选择性不变[18]。
R.Schimid 等[19]认为,间位被磺酸根取代的手性双膦配体的对映选择性较相应的烃溶性母体(未磺化的手性双膦)低,可能与间位的磺酸基团易与金属配位球内的其它配体产生立体相互作用相关。
为此,合成了磺酸根基团位于对位的水溶性膦配体14,与间位取代的双膦配体相比,14中的-S O 3Na 基团在配合物中离中心金属较远,可将其与中心金属配位球内其它配体的立体相互作用减至最小,有利于保持与烃溶性母体中相近的手性环境,从而提高在水/有机两相体系中的对映选择性。
Ru [(S )-14](OC OCF 3)2的水溶液催化潜手性底物16和18的不对称加氢时,获得了与其烃溶性类似物Ru[(S )-15](OC OCF 3)2在甲醇溶液中相同的对映选择性[20a ]。
其底物与催化剂的摩尔比高达10000-100000,显示出磺化部位对催化剂活性和对映选择性的重要影响。
与14结构类似的20a 为配体时,钌催化的(Z )-N -乙酰氨基肉桂酸和乙酰乙酸乙酯的加氢反应,在甲醇中可获得与其烃溶性对应物20b 和BI NAP 相近的对映选择性,但以水为溶剂时,对映选择性却有较大幅度的下降。
少量酸的加入可加快反应速度、提高对映选择性[20]。
溶剂水和膦配体的磺化部位对对映选择性的影响规律十分复杂,对其作用机理的研究,对提高水溶性两相催化体系中不对称催化反应的对映选择性,促进两相不对称催化合成研究的发展十分必要。
2 含聚乙氧链的膦配体化合物21和22由于分子中含聚乙氧基链而336第6期 袁茂林等:两相体系中不对称催化加氢研究进展具有水溶性,其水溶性铑配合物[Rh (C OD )(21/22)]+ClO -4(C OD =Cyclooctadiene )在甲醇中催化5b 和5c 的不对称加氢反应时,对映选择性中等,而水的加入,同样会引起对映选择性的下降[21]。
在不对称催化加氢中,对映选择性取决于H 2对[Rh L 2(AC )]+(Scheme 1)进行氧化加成形成非对映异构体A 、B 时的活化能差[22]。
水的加入改变了溶剂化作用的性质,使得形成决定对映选择性高低的两个非对映过渡态之间的能量差变小,因而导致以水作为溶剂时对映选择性下降。
在水/有机两相体系中加入表面活性剂,会形成胶束,使催化反应在更接近于有机溶剂的胶束环境中进行,可以有效地提高催化反应的活性和对映选择性,达到甚至超过对应的烃溶性手性双膦配体在甲醇中所获得的对映选择性[23]。
3 具有表面活性的膦配体具有大的疏水基团的手性膦配体23和24兼具表面活性剂和催化剂配体的功能,能有效增加两相体系中催化反应的活性[24]。
23的钌配合物在两相体系(H 2O/EtOAc )中催化异布洛酚前体25的加氢,得到比9催化11加氢时更高的转化率(100%vs.54%),说明23在两相体系中起到了表面活性剂的作用,但对映选择性大幅下降(19%ee vs 78%ee )[11,25]。
在两相体系(H 2O/EtOAc )中Rh/24催化5b 的加氢可获得接近Rh/BDPP 或2d 在甲醇中的对映选择性(69%ee vs.72%ee ),高于Rh/2d 在两相中的对映选择性(69%ee vs.44%ee )[26]。
表面活性配体所形成的催化剂,不仅能提高在两相中的反应速度,在某些情况下还能提高其对映选择性。
可以预料,由其过渡金属配合物所形成的“金属配合物胶束”催化体系,将在未来的不对称436化学研究与应用 第14卷催化和仿酶催化研究中发挥重要的作用。
4 含羧酸根的膦配体膦与水溶性高分子键联[27]获得的水溶性手性膦配体,近年来受到了各国学者的重视。
T.Malm 2strom 和C.Anderss on 等[28]报道了PAA -PP M 与PAA -Pyrph os 的合成和在两相体系中的应用。