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1、河北工业大学硕士学位论文新型含糖基手性Salen Mn（）配合物的合成与在烯烃不对称环氧化反应中的应用姓名：赵姗姗申请学位级别：硕士专业：应用化学指导教师：赵继全20070101河北工业大学硕士学位论文 i 新型含糖基手性新型含糖基手性新型含糖基手性新型含糖基手性 Salen Mn()配合物的合成与在烯烃不对称环氧化配合物的合成与在烯烃不对称环氧化配合物的合成与在烯烃不对称环氧化配合物的合成与在烯烃不对称环氧化反应中的应用反应中的应用反应中的应用反应中的应用 摘摘摘摘 要要要要 鉴于糖类衍生物在不对称催化反应中的广泛应用，设计了两条分别在 Salen Mn()配合物水杨醛部分 C5(5)、C3
2、(3)位并入糖基的路线并合成了相应的化合物。首先，分别以2-叔丁基苯酚和 4-叔丁基苯酚为起始原料，经过甲酰化反应、氯甲基化反应、和糖类衍生物的亲核取代反应制得了四种新型并入葡萄糖基或甘露糖基的水杨醛衍生物，将它们与乙二胺缩合生成希夫碱配体，得到的配体与过渡金属 Mn3+配位制备出四种新型含糖基的Salen Mn()配合物。同时还利用 1,2:5,6-二氧-异丙叉基-3-氧-亚甲基-5-(3-叔丁基-2-羟基苯甲醛)-D-呋喃葡萄糖制备了(1R,2R)-环己二胺、(1S,2S)-二苯基乙二胺、外消旋的环己二胺相应的配体、配合物。另外，还制备了 Fe、Co 和 Cu 等其它过渡金属的配合物。采用
3、 NMR、FT-IR、UV-Vis、TG-DTA、FABMS 和元素分析手段对各种产物进行表征。测定了两种含糖基的水杨醛衍生物的晶体结构。分别以 NaClO 和 m-CPBA 为氧化剂，考察了几种 Salen Mn()配合物对苯乙烯、1,2-二氢化萘、-甲基苯乙烯和顺式-甲基苯乙烯四种非官能化烯烃的不对称环氧化反应的催化性能。发现两种带有手性二胺桥的 Salen Mn()配合物具有很好的催化性能。其中,利用(1S,2S)-二苯基乙二胺生成的配合物对末端烯烃苯乙烯的催化性能尤为突出，在优化后反应条件为：苯乙烯 0.5 mmol，m-CPBA 1.0 mmol，NMO 2.5 mmol，催化剂 0
4、.01 mmol，CH2Cl2 2.5 ml，反应温度 78，反应时间 5 min 时，苯乙烯的转化率和环氧化物的选择性均达 100，环氧化物的对映体过量值达 74.0%。研究还发现，手性二胺桥的构型决定了主要环氧化物的构型，(R,R)和(S,S)Salen Mn()配合物获得了完全相反构型的产物。在无手性二胺桥的情况下，C5(5)、C3(3)位并入糖基的配合物对环氧化反应有一定的不对称诱导作用,且糖基距离金属 Mn 越近不对称催化效果越好。其中葡萄糖基诱导生成的环氧化物的构型与(R,R)型催化剂诱导的效果一致，而甘露糖基的作用与(S,S)型催化剂的一致。利用憎水性离子液体bmimPF6实现了
5、 m-CPBA 氧源体系中催化剂的循环使用。以(1S,2S)-二苯基乙二胺生成的配合物在此离子液体中催化苯乙烯的不对称环氧化反应，催化剂可循环使用四次，此时环氧化物的对映体过量值为50.8%，比首次使用只下降了13.3%。关键词关键词关键词关键词：不对称环氧化，非官能化烯烃，Salen Mn()配合物，呋喃葡萄糖，呋喃甘露糖，离子液体，苯乙烯 新型含糖基手性 Salen Mn()配合物的合成与在烯烃不对称环氧化反应中的应用 ii SYNTHESIS OF NOVEL CHIRAL SALEN Mn()COMPLEXES WITH SUGAR MOIETY AND THEIR APPLICATI
6、ON IN THE ASYMMETRIC EPOXIDATION OF ALKENES ABSTRACT In this thesis,two synthetic routes for the incorporation of sugar moiety into C5(5)or C3(3)of salicylaldehyde part of Salen Mn()complex were designed and several corresponding compounds were prepared,as carbohydrate derivatives are widely used in
7、 asymmetric catalytic reactions.Four new salicylaldehyde derivatives with a glucose or mannose moiety were synthesized with 2-tert-butylphenol or 4-tert-butylphenol as the starting material,followed by the formylation,chloromethylation,nucleophilic substitution reaction with the desired carbohydrate
8、.The salicylaldehyde derivatives condensed with ethylenediamine to give the Schiff bases,which coordinated with Mn()to afford four novel sugar-based Salen Mn()complexes.In addition,a few ligands were developed by the reactions of 1,2:5,6-Di-O-isopropylidene-3-O-methylene-5-(3-tert-butyl-2-hydroxyben
9、zaldehyde)-D-glucofuranose with(1R,2R)-cyclohexanediamine,(1S,2S)-diphenylethylenediamine and racemic cyclohexanediamine,and the other Mn(),Fe(),Co(),Cu()complexes were synthesized.The compounds were characterized by NMR,FT-IR,UV-Vis,TG-DTA,FABMS and elementary analysis.The crystal structures of two
10、 sugar-based salicylaldehyde derivatives were determined.These complexes were then used as catalysts in the asymmetric epoxidation of styrene,1,2-dihydronaphthalene,-methyl-styrene and cis-methyl-styrene with NaClO and m-CPBA as oxidants.Two Salen Mn()complexes with chiral diimine bridges showed goo
11、d catalytic performance.The complex derived from(1S,2S)-diphenylethylenediamine performanced well in the epoxidation of terminal alkene styrene.Under the optimized reaction conditions,which were 河北工业大学硕士学位论文 iiistyrene 0.5 mmol,m-CPBA 1.0 mmol,NMO 2.5 mmol,catalyst 0.01 mmol,CH2Cl2 2.5 ml,running at
12、-78 in five minutes,100%of conversion and selectivity and 74.0%of enantiomeric excess were obtained.It was revealed that the absolute configuration of main epoxides was decided by chiral diimine bridges configutation.Salen Mn()complexes derived from(R,R)and(S,S)diamines derivatives gave reversed epo
13、xide configuration.Complexes without chiral diimine bridge but with sugar moieties at C5(5)or C3(3)also had an asymmetric inducing effect in the epoxidation reaction,which was strengthened when the sugar ring was closer to metal Mn.Complexes with glucose moieties were found to be in agreement with(R
14、,R)-catalysts,whereas those with mannose moieties were identical with(S,S)-catalysts in affecting the absolute configuration of main epoxides.The recycle runs of the catalyst were performed in hydrophobic ionic liquid bmimPF6 with m-CPBA as the oxidant.The enantiomeric excess was 50.8%in the fourth
15、recycle run for the epoxidantion of styrene catalyzed by the complex derived from(1S,2S)-diphenylethylenediamine,with only 13.3%of loss compared with that in the first run.KEY WORDS:asymmetric epoxidation,unfunctionalized alkene,Salen Mn()complex,glucofuranose,mannofuranose,ionic liquid,styrene 原创性声
16、明原创性声明原创性声明原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：关于学位论文版权使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电
17、子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：日期：导师签名：日期：河北工业大学硕士学位论文 1第一章第一章第一章第一章 绪论绪论绪论绪论 1-1 前言前言前言前言 手性环氧化物是有机合成中重要的中间体之一。其带有张力的三元环很容易与亲核试剂、路易斯酸、自由基、还原剂、氧化剂、酸或碱等发
18、生立体专一性反应，因而通过烯烃的不对称环氧化反应高收率、高选择性地获得手性的环氧化物不仅有重要的理论意义，同时也具有广泛的应用价值。目前可用于烯烃不对称催化环氧化反应的催化剂有 Sharpless 催化剂1、手性金属卟啉催化剂2、手性酮催化剂3、手性亚胺盐催化剂4和手性 Salen Mn()配合物催化剂5,6等。其中手性 Salen Mn()配合物催化的非官能化烯烃不对称环氧化反应能高收率、高选择性地获得光学活性的环氧化物，是近年来研究的热点。Salen Mn()配合物在结构和催化活性上与细胞色素 P450(cytochrome P450)中的金属卟啉类似，是一种仿生催化剂7。其特点是易于合成
19、，结构灵活可变，即可以使用不同种类的光学活性的二胺和不同种类的取代水杨醛合成 Salen 配体，从而协调配体的空间与电子效应，改变催化剂的活性中心即锰原子周围的不对称催化环境8。在大量新型均相配合物被制备出来的同时，新的氧源体系9,10、轴向配体11的提出也逐渐丰富了 Salen Mn()体系的研究内容。均相催化剂虽然催化活性高，对映选择性好，但是难与产物分离不利于回收利用，限制了其大规模应用。为解决这一问题，科学家们曾成功地将催化剂固载在无机12-14或是有机15-17载体上，但是往往存在催化剂活性降低或是容易流失的问题,而且需要对配体结构进行修饰后才能固载化,增加了合成的难度。离子液体以其
20、独特的性质或是作为催化剂或是反应溶剂成为不对称催化领域中新兴起的研究重点之一18。本文设计并合成了一系列新型并入葡萄糖基和甘露糖基的 Salen Mn()配合物，分别用两种氧源体系研究了各种配合物对四种非官能化烯烃不对称环氧化反应的催化性能；利用憎水性的离子液体为溶剂初步实现了在 m-CPBA/NMO 体系中催化剂的回收与循环使用。1-2 Salen Mn()配合物催化的烯烃不对称环氧化反应配合物催化的烯烃不对称环氧化反应配合物催化的烯烃不对称环氧化反应配合物催化的烯烃不对称环氧化反应 1965 年，Henbest 开创了不对称环氧化反应研究的先河。经过十几年的研究，不对称催化环氧化反应于 1
21、980 年有了突破性的进展。Sharpless 等人1使用 Ti-酒石酸催化体系成功地进行了烯丙醇类不对称环氧化合成，但是 Sharpless 催化体系仅局限于烯丙醇类作底物，因此有必要发展非官能化烯烃不对称环氧化反应的催化剂。研究发现卟啉配合物作为催化剂可使非官能化烯烃的不对称环氧化反应顺利进行，但其合成困难，因此其应用有相当大的局限性19,20。新型含糖基手性 Salen Mn()配合物的合成与在烯烃不对称环氧化反应中的应用 2 1990 年，Jacobsen5设计并合成出了一类在电子结构和催化活性方面与金属卟啉化合物相似的手性 Salen Mn()配合物（如图 1.1），以此作为催化剂在
22、非官能化烯烃的不对称环氧化上取得了前所未有的对映选择性。OXNOXNRRRRMnPF6(S,S)-1:R=Ph,R=H,X=H(R,R)-1:R=H,R=Ph,X=H(R,R)-2:R=H,R=Ph,X=t-Bu ONONMnClHH3 图 1.1 Jacobsen 型配合物 Fig 1.1 Jacobsens complexes Jacobsen 同时指出在 Salen 结构中，手性原子距离金属 Mn 较近，从而使配合物在不对称环氧化反应中获得了高的对映选择性。而且 Salen 催化剂合成相对简便，通过选择恰当的二胺和取代水杨醛就可直接调节它的立体和电子效应。同年，Katsuki6也报道了不
23、同结构的 Salen Mn()催化的不对称环氧化反应。此后，大量的新型 Salen Mn()配合物被合成并用于烯烃的不对称环氧化反应中，高效率、高选择性地得到了手性环氧化物，取得了满意的催化效果，也使此类催化体系日趋完善。但是，目前已报道的Salen Mn()配合物仍存在一定的局限性，如对不同底物没有通用性等。因此有必要寻找具有优良催化性能同时具有广泛适用性的新型手性 Salen Mn()配合物。继续设计新型高效的 Salen Mn()配合物是当前研究的重点。新型催化剂的设计主要集中在寻找新的手性源，并将其引入至二胺桥或取代水杨醛两部分。1-2-1 新型新型新型新型 Salen Mn()配合物
24、的设计配合物的设计配合物的设计配合物的设计 糖是广泛存在于自然界的手性天然产物，它价格便宜且容易获得，在生物学上的研究比较深入。在设计、合成手性配体及配合物方面，将糖作为手性源已成为不对称催化反应研究中的热点课题之一21。ONONMnClOOCH3OO*4 图 1.2 二胺桥部分带有糖基的手性 Salen Mn()配合物 Fig 1.2 Chiral Salen Mn()complex with a sugar moiety on the diimine part 2002 年，Klemm22首次将手性碳水化合物骨架引入到配合物的二胺部分，制得了并入糖基的新型手性 Salen Mn()配合物
25、4（如图 1.2）。在以 NaClO 为氧源，催化苯乙烯和 1,2-二氢化萘的环氧化反应中，分别得到了 13和 33的对映体过量值。实验结果表明只有一个手性原子与氮原子相连的配合河北工业大学硕士学位论文 3物也可以表现出对映选择性。从此开创了利用天然产物作为手性模版用于不对称环氧化催化剂设计的先河。2004 年，Ruffo 等人23报道了五种含有糖基的手性 Salen Mn()配合物（如图 1.3）。通过向价廉易得的-D-葡萄糖(G)和-D-甘露糖(M)的糖环 C2 和 C3 位引入氨基，继而与水杨醛衍生物生成配体，最后与锰盐生成配合物。在 m-CPBA/NMO 氧源体系中，分别以苯乙烯和顺式
26、-甲基苯乙烯为底物进行环氧化反应，含有葡萄糖基的三种配合物表现出较好的催化活性：其中配合物 7Mn(Ga)PF6催化顺式-甲基苯乙烯在 30 min 内烯烃的转化率达到 99，环氧化物的 ee 值为 86；配合物 7Mn(Gb)PF6催化苯乙烯在 30 min 内烯烃的转化率达到 99，环氧苯乙烷的 ee 值为 54。同时发现含葡萄糖基的配合物催化顺式-甲基苯乙烯得到的主要环氧化物的构型是(1S,2R),催化苯乙烯主要得到(S)构型的产物；而含甘露糖基的配合物却得到了相反的构型(1R,2S)和(R)。这就说明了手性二胺桥连有的不同糖基对环氧化反应的活性和对映选择性都有很大影响，位于二胺桥上的糖
27、基的多个手性中心距离金属 Mn 较近，造成了金属离子周围的不对称环境，使配合物表现出较高的对映选择性。RRONRRONOOROOMnRRONRRONOOROOMnOHPF6complex 5 Mn(Ga)OHcomplex 6 Mn(Ma)OHcomplex 7 Mn(Ga,b)PF6complex 8 Mn(Ma)PF6a:R=R=t-Bub:R=H;R=t-Bu1234578 图 1.3 带有葡萄糖基或甘露糖基的手性 Salen Mn()配合物 Fig 1.3 Chiral Salen Mn()complexes with a glucose or mannose moiety t-BuO
28、Nt-BuONOOCH2PhHOHOMnPF6t-BuONt-BuONOOCH2PhOOMn9 Mn(Gc)PF6resin10 Supported Mn(Gc)PF6PF6 图 1.4 固载在树脂上的手性 Salen Mn()配合物 Fig 1.4 Chiral Salen Mn()complex supported on the resin 随后 Ruffo 等人24又报道了类似结构的配合物 9（如图 1.4），并且首次通过糖基将催化剂固载在树脂上。将糖环 C4 和 C6 部分的羟基与 CHO功能化的 Wangs 树脂反应，将催化剂的糖基部分连接在树脂上得到负载型催化剂 10。以 m-CP
29、BA 为氧化剂，催化剂 10 催化苯乙烯的反应中获得了 80的 ee新型含糖基手性 Salen Mn()配合物的合成与在烯烃不对称环氧化反应中的应用 4 值。催化剂使用一次后，由于苯亚甲基的裂解催化剂从树脂上脱落，使其不能循环使用。2003 年，Khn 等人25报道了四种含有糖基的 Mo()二氧戊环配合物 11（如图 1.5），并将其首次用于顺式-甲基苯乙烯和反式-甲基苯乙烯不对称环氧化反应中。当以叔丁基过氧化氢(TBHP)为氧源，甲苯为溶剂，于 0 反应 22 h 时，配合物 11 的催化效果最好，顺式-甲基苯乙烯环氧化物的收率达 52，ee 值达 30。Khn 认为 ee 值不高的原因可能
30、是在氧转移的过程中，糖环上的手性中心距离金属 Mo 太远以致于不能产生强烈的不对称诱导影响。OOOHOHON CHHO CHNOOOOHOMoOHH2CCH3OOO11 图 1.5 带有糖基的配体及 Mo()配合物 Fig 1.5 The ligand and Mo Mo()complex with a sugar moiety 2006 年，Chatterjee 等人26报道了一系列三齿的碳水化合物衍生的手性希夫碱配体(由 D-葡萄糖或L-丙氨酸与 3,5-二叔丁基水杨醛和三苯基膦或 2,2-二吡啶缩合反应生成)及手性 Ru()配合物（如图1.6），并用于苯乙烯及 4-氯苯乙烯等烯烃的不对称
31、环氧化反应中。在三种催化剂中配合物 12（1）的活性最高，在以 TBHP 为氧源，CH2Cl2为溶剂，催化 4-氯苯乙烯的反应中，环氧化物的 ee 值高达 94。其原因是在催化反应过程中，配体的糖或氨基酸部分有手性诱导作用，糖环的手性中心能充分与进攻的烯烃发生作用，影响烯烃对映面的选择，所以不对称诱导作用较强。12 图 1.6 手性 Ru()配合物 Fig 1.6 Chiral Ru()complexes 总之，文献中关于糖衍生的过渡金属配合物催化烯烃不对称环氧化反应的报道较少，但是据现有的研究推断，将不同构型的糖基引入到 Salen Mn()结构中，有可能对环氧化反应的对映选择性和环氧化物的
32、构型有较大影响，因此有必要对糖基修饰的 Salen Mn()配合物进行深入的研究。河北工业大学硕士学位论文 5通过改变二胺桥的结构可得到新型 Salen Mn()配合物。2006 年，Mei Wang 等人27报道了四种含有手性四氢吡咯骨架的 Salen Mn()配合物（如图 1.7）。这类催化剂的结构灵活可变，较易在四氢吡咯的氮原子上连入不同的基团，而且叔胺部分可能使催化剂具有相转移催化能力。在以 NaClO 为氧源催化取代的苯并吡喃不对称环氧化的反应中，配合物 13ac 催化的反应与 Katsuki 报道过的相比，收率相当、ee 值稍小，但是反应速度较快；配合物 13d 的反应活性和收率都
33、较低，ee 值相近。此结果证明了结构中的叔胺部分可以增加催化剂的反应活性。另外，催化苯乙烯和苯并吡喃不对称环氧化的数据表明，随着与四氢吡咯键连的 R 基团（甲基、苄基、2,4,6-三甲基苄基）体积的增大，催化剂的对映选择性也在增大。这可解释为键连 R 基团的位阻效应妨碍了烯烃沿二胺桥方向进攻氧合 Mn()催化剂，使之趋向于沿 N-Mn 键的方向进攻。ONONMnClNRa:R=Meb:R=Bnc:R=2,4,6-Me3Bnd:R=Boc13 图 1.7 含有手性四氢吡咯骨架的 Salen Mn()配合物 Fig 1.7 Salen Mn()complexes with a chiral pyr
34、rolidine backbone 通过在取代水杨醛部分引入手性源也可得到一些新型 Salen Mn()配合物。Katsuki 合成了一系列在水杨醛部分引入手性中心的催化剂 142228-30（如图 1.8）。其中 C8(8)位上的手性中心对不对称诱导影响很大。将 C8(8)位上的取代基体积增大（将苯基换成叔丁基取代的苯基），可获得更好的催化性能。在催化顺式烯烃方面，这些催化剂不及易合成的 Jacobsen 类催化剂；但是催化剂 17 对于反式烯烃却能得到高的对映选择性。Katsuki 还指出催化剂对顺式烯烃的不对称诱导作用优先受手性二胺桥控制，反式烯烃则受 C8(8)位取代基的手性控制(催化
35、剂 18)。在 C3(3)位具有轴向手性的催化剂 1922 也表现出好的催化性能31。R2OHEtR3N13578R2OHEtR3N13578R1R112MnPF614 R1=Ph R2=H R3=Ph15 R1=Ph R2=Me R3=Ph16 R1=Ph R2=Me R3=4-t-BuPh17 R1,R1=(CH2)4 R2=Me R3=4-t-BuPh18 R1=H R2=Me R3=4-t-BuPhONONR1R1MnR2*R2XX=AcO-,PF6-19 R1=Ph R2=Me20 R1=3,5-Me2Ph R2=Ph21 R1,R1=(CH2)4 R2=Ph*新型含糖基手性 Sal
36、en Mn()配合物的合成与在烯烃不对称环氧化反应中的应用 6 ONONMnPh*PhCOO-*22 图 1.8 Katsuki 型配合物 Fig 1.8 Katsukis complexes 2004 年，兰州大学的唐宁等人32报道了几种含有天然氨基酸的手性配合物，即在配合物的 C3(3)位并入 L-甘氨酸乙酯(配合物 23a)，L-丙氨酸乙酯（配合物 23b）和 L-苯丙氨酸乙酯（配合物 23c）。其中配合物 23b、23c 催化环氧化反应产物的对映选择性比含有非手性的甘氨酸乙酯的配合物 23a 催化的反应高很多。以反式二苯基乙烯为例，配合物 23b、23c 催化反应的收率和产物的 ee
37、值分别是 72%、66%和 69%、63%。在催化顺式-甲基苯乙烯的反应中，环氧化物的顺反比随着 R 基团体积的增大而提高，这说明 C3(3)位基团的类型和体积对环氧化反应有显著的影响作用。ONNONNEtOOCCOOEtRRMnClPhPha:R=Hb:R=Mec:R=Bn23 图 1.9 含有天然氨基酸乙酯的手性 Salen Mn()配合物 Fig 1.9 Chiral Salen Mn()complexes with natural amino acid ethyl esters 1-2-2 Salen Mn()配合物催化环氧化反应的可能机理配合物催化环氧化反应的可能机理配合物催化环氧化
38、反应的可能机理配合物催化环氧化反应的可能机理 虽然 Salen Mn()配合物在催化某些烯烃的对映选择性环氧化方面已取得了令人满意的成就，但是具有普遍意义的高效对映选择性催化剂的发展，尤其是反式烯烃和端烯的不对称环氧化的发展仍然是一个挑战型课题，而且有争议的机理有待进一步阐明33-35。下面将阐述几个比较典型的机理。Salen Mn()配合物催化环氧化反应的基本过程36（如图 1.10）。Salen Mn()配合物(1)与氧化剂反应，生成活性中间体氧合 Salen Mn()配合物(2)，此步骤为整个反应的速率控制步骤。活性中间体(2)与非官能化烯烃的双键反应生成四元环中间体(3)，(3)转化成
39、中间体(4)，(4)释放出环氧化物，同时 Salen Mn()配合物被还原成 Salen Mn()配合物(1)，实现催化循环，直至反应结束。河北工业大学硕士学位论文 7LMnLMn=OLMnOMnLOOOxidant(1)(2)(3)(4)图 1.10 Salen Mn()配合物循环图 图 1.11 烯烃接近 Salen Mn()配合物的路线 Fig 1.10 Recycle of Salen Mn()complex Fig 1.11 The routes of alkenes approaching Salen Mn()complex Jacobsen等37用图1.11所示的Salen-Mn
40、-OCl配合物催化环氧化，提出了侧旁不对称接近的a,b 和c 三种可能路线。由于C5(5)位上的两个叔丁基空间体积较大,对沿着路线a进来的烯烃有强烈的空间排斥作用,使不对称催化反应难于进行,但实际上环氧化能平稳进行,而且表现出高的对映选择性。根据此实验结果,Jacobsen等认为,烯烃是通过两个氮原子之间的路线b接近Mn-O 键,此时烯烃上空间位阻较大的取代基远离C(2)轴上的氢原子。但后来发现38,在C(3)和C(6)上引入甲基,在催化烯烃的不对称环氧化中,未能表现出相反的不对称诱导作用,此结果表明,烯烃也不是沿着路线b进入的。这些结果充分表明,Salen-M-O催化不对称环氧化烯烃的反应不
41、仅要考虑配位体中取代基的空间阻碍作用,还要考虑C5(5)位置上取代基的电子效应。A:R1=R2=alkylB:R1=alkyl,R2=aryl,alkenyl,alkynylC:R1=alkyl,R2=alkyl,aryl,alkenyl,alkynyl 图 1.12 烯烃与氧合Salen-Mn()反应的三种可能过渡态 Fig 1.12 Three possible transitional states of the reaction of alkenes with oxo-Salen-Mn()目前最大的争论是如何将氧合 Salen Mn()中的氧转移到烯烃双键上的。在 Salen Mn()
42、催化不对新型含糖基手性 Salen Mn()配合物的合成与在烯烃不对称环氧化反应中的应用 8 称环氧化中共有三种假说36：（1）协同反应（路线 A）(2)经由自由基中间体的反应（路线 B）（3）经由氧杂锰中间体的反应（路线 C）（见图 1.12）。Salen Mn()配合物催化孤立烯烃的环氧化反应具有立体专一性，唯一的产物是相应的顺式环氧化物。因此，环氧化反应是按路线 A39进行的。但是，共轭烯烃的环氧化反应却生成顺式和反式环氧化物的混合物，其顺/反比率取决于底物的性质。Jacobsen 将这种非立体选择性反应解释为反应按路线 B 进行，经历了自由基中间体，自由基 C-C 键的旋转可产生顺式和
43、反式构型的环氧化物。环氧化物的顺/反比率与自由基的稳定性有关。无论是孤立烯烃还是共轭烯烃都会可逆地生成氧杂锰的中间体，此时环氧化按路线 C 进行。反应的对映选择性是由两个竞争的氧杂锰的中间体之间的能量不同产生的。后来，他们注意到在苯基取代的乙烯基环丙烷的环氧化反应中，并没有发生差向异构化或环丙烷的裂解。这样，就排除了有自由基中间体参与的路线 B。1-2-3 影响不对称环氧化反应的各种因素影响不对称环氧化反应的各种因素影响不对称环氧化反应的各种因素影响不对称环氧化反应的各种因素 1.催化剂的结构 Jacobsen 等人注意到在配体的 C3(3)位连上叔丁基对于获得高的对映选择性是十分必要的。这可
44、以通过环氧化反应中侧面进攻模型40来解释。图 1.13 列出了顺式烯烃进攻 Salen-Mn-oxo 可能的方向。C3(3)位无取代基的催化剂对映选择性较低。因为烯烃很容易从远离手性中心，空间位阻较小的方向接近金属中心（路径 d 和 e）。另一方面，在 C3(3)位连有体积较大的取代基，使烯烃沿手性二胺桥方向进攻催化剂（路径 a 和 b），可明显地提高选择性，但连有比叔丁基更大的基团时，通常对环氧化选择性上只有很微弱的影响41。当在 C3(3)位连有体积较大的三烷基硅烷取代基时，与相应连有叔丁基的催化剂相比，对映选择性明显降低了，可能是由于 C-Si 键长比 C-C 键长长的缘故42。图 1.
45、13 顺式烯烃进攻 salen-Mn-oxo 的可能方向 Fig 1.13 The possible approaches of cis-alkene to a Salen-Mn-oxe species 在催化剂结构中 C8(8)位的取代基的体积与手性取代基的构型都对不对称诱导效应有很大影响。这部分内容已在前面介绍过。配合物 C5(5)位上的取代基也对环氧化反应的对映选择性有一定的影响40。通常，供电子的或体积较大的取代基通过限制路线 c 来提高选择性。例如，在 C5(5)位有叔丁基的催化剂比甲基取代的配合物有更高的选择性43。但是，再增大 C5(5)取代基的体积，对选择性影响不大44,45。
46、Jacobsen 等人46,47指出 C5(5)位上的取代基的电子性质对对映选择性有显著地影响。带有供电子取代基的配合物比带有吸电子基的配合物有更高的对映选择性。河北工业大学硕士学位论文 9在 Salen Mn()催化剂的结构单元中，二亚胺部分起到了重要的作用。具有不同二亚胺部分的催化剂不仅具有不同的催化活性，而且还具有不同的对应面选择性，在某些情况下会使环氧化产物产生相反的对应选择性48。2.底物的种类 通常，在 Salen Mn()配合物催化的不对称环氧化反应中，有芳香基，烯基或炔基基团共轭的环状烯烃和脂肪族顺式双取代烯烃是非常好的底物。而末端烯烃如苯乙烯在通常反应条件下只有较低的对映选择
47、性。3.氧化剂 亚碘酰苯和其他的亚碘酰芳烃是最早用于手性 Salen Mn()配合物催化烯烃不对称环氧化的氧化剂5。但是亚碘酰苯价格昂贵，氧含量较低，在一般溶剂中溶解度较小，稳定性差，这些缺点使得其在实际应用中受到限制。次氯酸钠是一种价廉易得的氧化剂，用于催化反应条件温和，副产物是氯化钠。NaClO 是水/油两相反应体系，催化反应时首先在水相生成 HClO(HClO 是一种弱酸，pKa=7.54)，HClO 再转移到有机相参与环氧化反应，因此，水溶液必须有合适的 pH 值。1991 年，Jacobsen 等人41将 0.05mol/L 的 Na2HPO4和市售 NaClO 水溶液配成的缓冲溶液
48、用于烯烃的不对称环氧化反应，发现 pH 值为 11.30 时，催化顺式-甲基苯乙烯不对称环氧化反应性能最好，产率达 87%，环氧化物的 ee 值为 82%。何乐芹49通过实验发现，当 pH 值过高时，不利于 HClO 的生成，此时底物的转化率很低；而 pH 值过低时，容易发生HClO 与双键的加成，此外，生成的环氧化产物在酸性条件下不稳定，使副产物增多，造成产物的选择性急剧下降。间氯过氧苯甲酸（m-CPBA）是实验室中环氧化反应最常用的过氧酸之一。1994 年，Jacobsen 等人50首次将 m-CPBA 用作苯乙烯环氧化的氧化剂，反应在78下也可迅速完成，且产物的 ee 值达 86%。m-
49、CPBA 作氧源的优点是反应速度快，对映体选择性高；缺点是反应条件苛刻，副产物中含有羧酸，对酸敏感的环氧化物易发生开环或重排反应。双氧水价廉易得，副产物只有水，是环境友好的氧化剂。但是 O-O 键形成自由基的能力较弱、较容易发生歧化反应以及 O-O 键对催化剂可能产生副作用等缺点限制了它的应用。4.轴向配体 含氮杂环化合物对 Salen Mn()配合物催化烯烃不对称环氧化反应的收率、立体选择性和对映体选择性均有较大影响。Kochi51发现，轴向配体通过轴向配位作用增加活性中间体氧合 Salen 金属配合物的稳定性，从而加快反应速率和提高转化率。Katsuki52认为，轴向配体通过配位作用改变了
50、 Salen结构的立体构型，使金属原子更接近 Salen 平面，从而对对映体选择性产生了较大影响。在 NaClO 体系中，吡啶氮氧化物（PyNO）和 4-苯基吡啶氮氧化物（4-PPyNO）是有效的轴向配体。Jacobsen 等53认为，吡啶 N-氧化物可以使 Salen Mn()配合物更加稳定，并且阻碍-oxo-Mn()二聚体的生成。此外吡啶 N-氧化物还有利于 HClO 从水相转移到有机相54。在 m-CPBA 体系中，N-甲基吗啉氮氧化物（NMO）是有效的轴向配体，它可以降低 Salen Mn()配合物的路易斯酸性50，影响烯烃进攻催化剂的路径，从而在很大程度上提高产物的对映体选择性。而不