第20卷 第4期2005年12月 西 南 科 技 大 学 学 报
JOURNALOFSOUTHWESTUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGYVol.20No.4
Dec.2005
收稿日期:2005-05-09
不对称催化环氧化研究进展刘思曼(绵阳师范学院化学系 四川绵阳 621000)
摘要:综述了近年来Ti(O-i-Pr
)
4-DET催化体系、手性Salen催化体系、手性酮催化体系和负载手
性催化体系等在不对称催化环氧化应用中的研究进展,并对其催化环氧化的特点进行了比较和讨论。Sharpless催化体系具有操作简单、催化剂价廉易得、对映体选择性高的优点;Jacobsen催化剂对双键环氧化有一定通用性,合成相对简单;手性酮催化剂能有效减少重金属污染;负载型催化剂具有催化剂易于回收、产物易于提纯等优点。关键词:手性 不对称催化 环氧化 对映选择性中图分类号:O621.3
+
4 文献标识码:A 文章编号:1671-8755(2005)04-0068-08
DevelopmentofAsymmetricCatalyzingEpoxidationLiuSiman(DepartmentofChemistry,MianyangNormalUniversity,Mianyang621000,Sichuan,China)Abstract:Catalysissystemsusedinasymmetriccatalyzingepoxidationwerereviewed.Thesesystemsin2cludeTi(O-i-Pr)4-DETreagent,chiralSalensystem,chiralacetonereagent,loadedchiralcatalyst,andsoon.Theirpropertiesincatalyzingepoxidationwasdiscussed,too.Sharplessisafacile,easyoperatedandhighenantio-selectivitycatalyst;Jacobsencatalysthaspromisingindustrialapplication;chiralacetonereagentisprosperousindecreasingpollutionofheavymetal;loadedcatalystiseasyrecycledandpurifiedforindustrialvalue.Keywords:chiral;asymmetric;epoxidation;enantio-selectivity
手性是人类赖以生存的自然属性,人体中起到不同生理作用的酶都具有手性,人体内的各个生理过程均是在高度不对称环境中进行的,因而不同手性的药物将具有不同的药理活性。1960年,作为镇静剂用的“反应停”(thalidomide)以外消旋体直接使用,被孕妇服用后发生了多起胎儿致畸事件,直到1965年科学家们才发现只有S-型反应停具有镇静作用,而R-型反应停则有致畸作用。由此,美国药物和食品管理局在1992
年3月发布了手性药物的指导原则,并要求在美国上市的手性药物必须进行拆分。合成手性药物通常有化学合成后手性拆分和不对称催化合成两种手段。前者在合成药物时需消耗等当量的手性拆分剂,在具有几个手性中心的药物合成中,其消耗将成倍增长。后者仅需少量的手性催化剂,就可合成出大量的手性药物,且污染小,是符合环保要求的绿色合成,从而引起了人们的关注,近年来已成为有机化学界的研究热点。双键的不对称催化氧化反应在手性药物的合成中具有很重要的地位。在这一领域,Sharpless和Jacobs2en做出了突出的贡献[1～4]。1 Ti(O-i-Pr)4-DET催化体系1980年Sharpless[1]报道了用手性钛酸酯及过氧叔丁醇对烯丙基醇进行氧化,后在分子筛[2]的存在下,
四异丙基钛酸酯[(Ti(O-i-Pr
)
4]和酒石酸二乙酯(DET)的用量为5%～10%,成功地实现了不对称环氧
化的过程,产物的e.e.大于90%。
该反应很快被用于药物的合成,如S-心得安[3],ARCO更将其开发为工业生产工艺。
此反应以四异丙氧基钛(Ti(O-i-Pr)4):L-(+)-或D-(-)-酒石酸乙酯(DET)
=2:2.4和叔丁
基过氧化氢(TBHP)组成标准催化体系。其作用机理是:在L-或D-DET的存在下,从烯丙醇对映面输送过氧中的O
2,得到环氧或β-环氧产物。同时,改变(Ti(O-i-Pr)4):(DET)的比例可改变产物对映面选
择性[4]。主要缺点是反应时间过长。
周维善等[5～6]发现,在该体系中加入一定量的氢化钙和硅胶,可在不损失光学收率的情况下大大缩短反应时间,其机理和应用范围尚不完全清楚。如今,该体系已成功地用于光学活性天然产物和药物如白三烯衍生物(leukotrienederivatives)[7]、美登素(maytansine)[8]、信息素[9]等的合成中。一般来说,Sharpless催化体系具有操作简单、催化剂价廉易得、对映体选择性高,并可得到任一对映面选择的产物等优点。但其适用范围过于局限,仅对烯丙醇类底物有较好活性,对无官能团的烯烃和其它取代烯烃效果明显较差。
2 手性Salen催化体系由于Sharpless的不对称环氧化反应有其局限性。Jacobsen等人在不对称环氧化反应方面进行了深入探索,将手性Schiffbase配合物用于非官能团化烯烃的不对称环氧化,取得了较好的结果。以模拟酶的手性Salen-Mn(Ⅲ)作催化剂[10],用次氯酸钠氧化非官能团的烯烃,其环氧化物产率高达93%,e.e.值达93%。
96 第4期 刘思曼:不对称催化环氧化研究进展 与此同时,日本Katsuki研究小组[11]也报道了下列手性Salen配体的Mn(III)配合物对前手性的非功能性烯烃的催化环氧化。
1994年Jacobsen等[12]又合成了被称之“创纪录催化剂”的手性Schiff碱Mn(III)配合物,以13%NaClO
水溶液为氧源、氧化吡啶为轴配体,在CH2Cl2溶液中,实现了PhCH=CHCOOEt的不对称环氧化,创造了非酶催化的最好结果。
1996年Katsuki合成了手性Schiff碱Mn(III)配合物,并用于烯烃环氧化反应。Mukaiyama等[13]用分子氧为氧源,叔丁基甲醛作为还原剂,在101.325kPa压力和室温下,用下列手性
Schiff碱Mn(III)配合物催化各种非功能性烯烃环氧化,其e.e%可达60%～70%。
07 西 南 科 技 大 学 学 报 2005通过改变手性二胺和不同取代基的水杨醛很容易合成出一系列的催化剂[14～15],其通式如下:
手性二胺主要有环己基二胺和1,2-二苯基乙二胺,水杨醛上的取代基:X=H,
t
Bu,OMe;X’=H,
Me,tBu,OMe,OSii-Pr3,中心金属也有采用Cr、Co、Mo、W等过渡金属[16]。Jacobsen在研究取代基的电子
效应[17]时发现,给电子基比吸电子基在催化环氧化时具有更高的e.e.值。此外还发现,当向催化体系中加入少量的吡啶-N-氧化物的衍生物[18～19]或手性季胺盐[20](如金鸡纳碱、奎尼定、麻黄碱的衍生物)能有效
地提高转化率,e.e.值也有所增加。当催化剂为环己基二胺与4,6-二叔丁基水杨醛所生成的锰催化剂,以NaOCl为氧源,不加对-苯基吡啶-N-氧化物时转化率为67%,加入后转化率达到98%,而e.e.值没有变化,都达到了93%。Kochi[21]证实了吡啶-N-氧化物在环氧化中以轴向配体的方式参与到反应中,而Ja2cobsen则进一步指出这种轴向配体作用能有效地阻止单氧配合物转化为μ-络合物而失活[15]。
Pietikinen[22]在研究这一体系时,以H2O2为氧源,加入羧酸盐后,有明显的助催化作用。其原因之一被
认为是羧酸盐充当了碱的角色,使H2O2更易转化为HO
2
-,从而有利于Mn(Ⅲ)生成Mn(Ⅲ)-O-OH,但
其真正原因尚不能清楚解释。一般地,Jacobsen催化剂对双键环氧化有一定通用性,如对顺式双取代烯烃、反式双取代烯烃[20]、三取代烯烃[19]及四取代烯烃[23]等都取得了较好的结果,而催化剂的合成相对简单,是一类具有很好工业应用前景的催化体系。
3 手性酮催化体系1984年,Curci[24]最早报道了手性酮用于烯烃的不对称环氧化,此后有大量研究成果见于报道[25～27]。
该体系一般采用KHSO5为氧化剂,与手性酮原位反应生成dioxirane,后者可不对称环氧化烯烃,其反应过程图示如下:
YianShi[28]等用D-果糖为原料经两步反应合成了手性酮1,反应过程如图所示。
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