烯烃不对称环氧化综述

手性Salen-Mn(Ⅲ)配合物在烯烃不对称环氧化中的应用[摘要]烯烃的不对称环氧化物通过选择性开环或者官能团的转化,可以生成一系列有价值的手性化合物,被广泛用作许多化学品的合成中间体。手性Salen-Mn(Ⅲ)配合物被证明是烯烃不对称环氧化最有效的催化剂。[关键词]Salen-Mn(Ⅲ)配合物，烯烃，不对称环氧化TheapplicationofChiralSalen-Mn(Ⅲ)ComplexinAsymmetricEpoxidationofAlkenes[Abstract]Asymmetricepoxidebyselectiveringopening,ortheconversionoffunctionalgroups,cangenerateaseriesofvaluablechiralcompounds,widelyusedinmanychemicalintermediates.ChiralSalen-Mn(Ⅲ)complexwasprovedtobethemosteffectivecatalystofalkeneasymmetricepoxidation.[Keywords]chiralSalen-Mn(Ⅲ)complex,alkenes,asymmetricepoxidation烯烃的不对称环氧化反应是一类重要的有机反应，它可以使潜手性的烯烃转化为带有手性碳的环氧化合物,然后通过选择性开环或者官能团的转化,生成一系列有价值的手性化合物[1]。而手性Salen-Mn(Ⅲ)配合物催化剂是烯烃环氧化最有效的催化剂。Salen-Mn(Ⅲ)配合物在结构和催化活性上与细胞色素P45O(cytochromeP450)中的金属叶琳类似,是一种仿生催化剂[2]。其特点是易于合成,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[3]。1均相Salen-Mn(Ⅲ)催化剂1990年,Jacobsen和Katsuki两个研究小组几乎同时报道了含手性碳的salen配体的Mn(III)络合物的合成,并将其成功地用于非官能烯烃的不对称环氧化反应,成为开创烯烃环氧化划时代的标志,其中Jacobsen小组制备的手性Mn(salen)因制备简单且催化效果优异而更加备受青睐[4]。尤其是在3,3′和5,5′位上引入叔丁基的催化剂(图1)(Jacobsen催化剂)取得的催化效果更加突出[5]。Jacobsen小组制备的手性Salen-Mn(Ⅲ)配合物催化剂已经被成功应用于制备抗癌药物紫杉醇侧链的合成上（图2）。图1Jacobsen催化剂图2紫杉醇侧链的合成经典的手性Salen-Mn（Ⅲ）配合物容易制备，对多种非官能化烯烃的不对称环氧化反应显示出很高的活性和对映选择性，但对部分烯烃的不对称环氧化反应则活性较低，因此导致其在反应体系中停留时间过长发生二聚而失活[6]。由于此类不对称环氧化反应通常在两相体系中进行，若增加催化剂的水溶性，使其兼具相转移催化剂的功能，有望在一定程度上克服催化剂活性较低的问题。为此，人们通过在手性配体的骨架中引入叔胺或季铵盐以提高手性Salen-Mn（Ⅲ）配合物的水溶性。这些配合物比非水溶性的经典手性Salen-Mn（Ⅲ）配合物在两相体系中显示出更高的活性[7]。最近,许多课题组都报道了一类含季铵盐修饰的Mn(salen)催化剂,并且在不对称环氧化反应中取得了较好的效果。其中以离子液体修饰的Mn(salen)催化剂最为引人关注。离子液体是一种全部由离子组成的液体,具有不挥发、不可燃、导电性较好和黏度比较低等特点,被广泛用于催化及其他领域。2006年,刘双喜课题组报道了离子液体修饰的手性Mn(salen)催化剂(图3),并在催化α-甲基苯乙烯时取得了99%的转化率和99%的ee值。Tan课题组[8]在2008年报道了一种新型的离子液体手性Mn(salen)催化剂(图4),在用m-CPBA做氧化剂催化苯乙烯不对称催化反应中取得了99%的产率和40%的ee值。图3离子液体修饰的手性Mn(salen)催化剂图4离子液体手性Mn(salen)催化剂使用Salen-Mn(Ⅲ)进行的催化环氧化，当底物为顺式取代的共轭烯时取得最好的结果（表1）。2，2-二甲基苯并吡喃衍生物的环氧化反应取得高的选择性（〉97%）。当反式取代的烯为简单的烷基取代时环氧化给出低的选择性（20%~50%）。烯烃N-氧化物A（mol%）(1)(mol%)Yield(%)主要环氧产物的ee(%)0484b9220467860287980180880465c982015639420867d97*所使用的氮氧化物为4-苯基吡啶氮氧化物。b环氧混合物分离产率（顺式：反式=11.5:1）。C环氧混合物分离产率（顺式：反式=1:5.2）。d环氧混合物分离产率（顺式：反式=5:1）。2非均相Salen-Mn(Ⅲ)催化剂虽然手性salenMn(Ⅲ)配合物在催化非官能化烯烃环氧化中有着优异的表现,但是催化剂与产物难以分离,催化剂难以回收重复使用等均相催化剂固有的缺点大大限制了它的应用,而固载化是解决这一系列问题的主要方法。相对于均相催化体系,非均相催化体系有着其独有的优势,例如:催化剂易分离,可重复使用,能够更好地控制其催化性能等等。依据载体种类不同，均相Salen-Mn(III)催化剂的多相化主要有两种途径:一种是将Salen-Mn(Ⅲ)催化剂负载到有机聚合物，另一种将Salen-Mn(Ⅲ)催化剂负载到无机载体上。2.1有机物为载体的手性Salen-Mn(Ⅲ)固载催化剂在有机高分子负载催化剂中，根据载体溶解性的不同，可分为不溶性和可溶性有机高分子催化剂两类。对于不溶有机高分子负载催化来说，用于固载这种催化剂的有机聚合物载体中以不溶性高分子占大多数，包括聚苯乙烯、低分子量的Merrified树脂和交联的高分子大孔树脂等。这种不溶性的高分子固载的催化剂具有如下优点：1)所制得催化剂催化效果较好，能接近甚至超过同骨架结构的均相催化剂；2)聚合物载体的表面官能团容易进行修饰控制，便于对催化剂进行改性；3)催化剂柔韧性较好，可以做成膜、线等多种结构。其缺点是：固载的催化剂的热稳定性及刚性较差[9]。Minutol等人通过聚合的方法合成了两种高分子负载的手性催化剂（图5中a和b）。催化剂a是将Salen配体直接连在载体上，而b是用连接臂将Salen与载体隔开，以减小因聚合物骨架结构所造成的空间位阻，使底物更容易接近金属离子，从而提高反应速率和ee值。实验表明，此固载催化剂的催化活性较高，产率可达97%，与均相催化剂不相上下，但对映体选择性较低(e.e.62%)。因此，连接臂的引入明显提高了产物得率，但在提高ee值方面视乎效果不明显。另外这两个高分子固载的催化剂在使用几次后仍有较好的催化活性。以上叙述的载体都是不溶性高分子，虽然不溶性高分子作为载体有其理想的功能，但也有无法克服的不足之处：底物难于接近催化剂的活性位点、催化剂负载的不均匀无规律性等。为了解决这些问题,化学家们希望在进行催化反应时，催化剂能够溶解，然后再利用合适的溶剂或高分子的低临界溶解温度(LCST)使高分子从混合物中选择性沉淀出来。比较典型的例子有聚乙二醇，功能化聚乙烯和N-异丙烯基丙烯酰胺共聚物等。Pozzi等利用氟代双相系统(FBS)制备了一种可溶、可分离的手性Mn(Salen)配合物合物c和d(如图6中所示)。当以NaOCl或者H2O2为氧源，以茚为底物时，得到了较差的对应选择性，但利用分子氧/新戊醛系统为氧源时，却得到了90%的ee值。2.2无机物为载体的手性Salen-Mn(Ⅲ)固载催化剂目前将Salen配合物负载到无机载体上的方式主要有两种，第一种方法是将Salen配体以非共价键的物理方式嵌入到刚性基质中，如沸石、硅烷、粘土等。Fraile等人成功地将Salen-Mn(Ⅲ)配合物固载到兰膨、膨润土、蒙脱石等一系列无机载体上[10]，并使用亚碘酰苯为氧源进行不对称环氧化反应。他们发现该固载的催化剂催化不对称环氧化的产率与均相催化剂不相上下，但ee值却较低。这种方法存在的缺点是对映体选择性较低及络合物易从基质中渗出。第二种方法是通过共价键的化学方法将Salen配体催化剂负载到硅胶、分子筛等无机物上面。Pini等人就将Salen-Mn(Ⅲ)配合物固载到硅胶的表面上，得到了硅凝胶固载的手性Salen-Mn(Ⅲ)配合物催化剂。在以m-CPBA为氧源，NMO为轴向配体，芳香烯为底物的不对称环氧化反应中得到了较好的的对映体选择性和产率。图5Minutol等合成的催化剂a和bcd图6Pozzi等制备的手性Mn(Salen)配合物合物c和d3Salen-Mn(Ⅲ)催化烯烃环氧化机理公认的手性Salen-Mn（Ⅲ）配合物催化的烯烃不对称环氧化反应机理见图7。如图7所示，氧化剂首先将Salen-Mn（Ⅲ）配合物（a）氧化为活性中间体——氧合Salen-Mn（Ⅴ）配合物（b）；然后，氧合Salen-Mn（Ⅴ）配合物再与烯烃的双键作用生成四元环中间体（c）；四元环中间体（c）再转化为三元环中间体（d）；最后，三元环中间体（d）在释放出环氧化物的同时，氧合Salen-Mn（Ⅴ）配合物（b）被还原成Salen-Mn（Ⅲ）配合物（a）。图7Salen-Mn（Ⅲ）配合物催化的烯烃不对称环氧化反应机理L*：手性配体4结束语与展望高对映选择性、高产率的获得手性环氧化物中间体对于医药、农药、香料等精细化学品领域有着重要的意义,尤其对于医药行业。由于手性Salen-Mn(III)配合物是非官能团化烯烃不对称环氧化反应的优秀催化剂,它可以使潜手性的烯烃转化为带有手性碳的环氧化合物,然后通过选择性开环或者官能团的转化,生成一系列有价值的手性化合物如手性二醇、硫醇及氰基、烷氧基取代的手性醇类化合物。因此,手性环氧化物在天然产物合成、药物合成和有机合成化学中占有重要地位。尽管过去的十多年中不对称催化烯烃的环氧化反应取得了令人瞩目的成绩,但现有的综述中表明在实际应用方面远远不能令人满意,在诸多的体系中,对于不对称环氧化反应的对映选择性、化学选择性以及区域选择性均还具有很大的改善空间。日后,对于不对称环氧化反应机理的更深入的了解可以指导我们设计更加合理、高效的催化剂指明道路。参考文献：[1]罗云飞,邹晓川,傅相锴等.手性salen(Mn)催化烯烃不对称环氧化反应的研究进展[J].中国科学，2011,41（3）：433-450[2]周智明,李连友,徐巧等.仿生催化剂一Salen金属络和物催化不对称环氧化烯烃的基础.有机化学,2005,25(4):34-35[3]YoonTP,JacobsenEN.Privilegedchiralcatalysts.Science,2003,299(5613):1691一1693[4]LarrowJF,JacobsenEN.Asymmetricprocessescatalyzedbychiral(salen)metalComplexes.TopicsOrganometChem,2004,6:123–152[5]LeeNH,MuciAR,JacobsenEN.Enantiomericallypureepoxychromansviaasymmetriccatalysis.TetrahedronLett,1991,32:5055–5058[6]BryliakovKP,KholdeevaOA,VaninaMP,etal.RoleofMnⅣSpeciesinMn(Salen)CatalyzedEnantioselectiveAerobicEpoxidationofAlkenes:AnEPRStudy[J].JMolCatalA:Chem,2002,178(1/2):47-53[7]马文婵,杨瑞云，张月成等.水溶性手性Salen-Mn（Ⅲ）的合成及其催化烯烃环氧化反应性能[J].石油化工，2014,43（3）：394-400[8]