手性金属络合物的合成及应用

化学进展-1-手性金属络合物的合成及应用摘要手性金属络合物因其独有的性质，越来越受到人们的关注，本文就手性金属络合物的定义、几种手性金属络合物的合成、手性金属络合物催化剂的制备及其在不对称加氢反应、不对称碳一碳键形成反应、不对称氧化反应、烯烃的异构化反应、氢硅化反应、C,N-二苯基硝酮立体选择性环加成反应、不对称Baeyer-Villiger反应等方面的应用进行简单的综述。关键词手性salen－Mn络合物手性氮杂卡宾金属络合物手性pybox-金属络合物合成不对称催化反应应用SynthesisandApplicationofChiralMetalComplexesZhangFangQinChemistry2009296077(ChemistryandChemicalEngineering,Taiyuan030006)AbstractBecauseoftheiruniquenatureofchiralmetalcomplexes,moreandmorepeoplepayattentiononthem.Thisarticleisthesimpleoverviewonthedefinitionofthechiralmetalcomplexes,thesynthesisofseveralchiralmetalcomplexes,preparationofchiralmetalcomplexcatalystsinasymmetrichydrogenation,asymmetriccarbon-carbonbondformationreactions,asymmetricoxidationreaction,olefinisomerization,hydrosilylationreactionofN-diphenylnitronestereoselectivecycloadditionreactions,asymmetricBaeyer-Villigerreactionandtheapplicationofotheraspects.Keywordschiralsalen-Mncomplex;chiralaza-carbenemetalcomplexes;ChiralMetalComplexesofPyridine-2,6-bis(oxazolines);synthesis;asymmetriccatalyticreactions；applicationContents1Introduction2Thedefinitionofthechiralmetalcomplexes3Thesynthesisofthechiralmetalcomplexes3.1SynthesisofN-heterocycliccarbenemetalcomplexes3.2Thesynthesisofchiralpybox-metalcomplexes4Theapplicationofthechiralmetal化学进展-2-complexes4.1AsymmetricHydrogenationreaction4.2Asymmetriccyclopropanationreaction4.3Theapplicationofthechiralmetalcomplexesinotherreactiontypes4.4Thestudyofchiralmetalcomplexesasdrugs5Outlook1引言近年来,随着化学化工的发展,手性金属络合物也备受人们的关注，由于其独有的性质，引起很多的学者进入手性金属络合物的研究领域。手性金属络合物被广泛用作催化剂，在不对称合成中的用途很大，手性pybox-金属络合物成功地应用到许多不对称催化反应中,如环丙烷化反应、Diels-Alder反应、1,3-偶极环加成反应、不对称aldol反应和偶联反应等[22]。金属络合物手性的发现和认识对早期配位化学理论的建立起了积极的作用，它在生物无机化学、不对称催化、超分子化学等化学分支学科中都具有重要的应用。已知在一些重要体系中精确的分子识别和严格的结构匹配都与手性密切相关。不对称合成是当前有机合成中热门研究领域,利用手性金属络合物催化剂催化不对称硅氢化、烷基化,以烯烃、酮、亚胺、醛等合成手性醇、手性胺、手性酮等具有很好的工业应用前景。2、手性金属络合物的定义所谓手性(Chirality)即立体异构形式,具有手性的两个分子的结构彼此间的关系如同镜像和实物或左手和右手间的关系,相似但不叠合[5]。金属络合物，为一类具有特征化学结构的化合物，由中心金属原子或离子（统称中心原子）和围绕它的称为配位体（简称配体）的分子或离子，完全或部分由配位键结合形成。手性金属络合物是由手性配体与金属原子或离子形成的金属络合物，具有光学活性。3手性金属络合物的合成目前，除了利用色谱分离、非对映异构体盐分步结晶等常用的拆分方法外还可类似于有机化学中的不对称合成方法立体选择地制备手性金属络合物[7]，此外，还合成了新型手性金属-有机配位聚合物[12]。下面简单介绍两种金属络合物的合成。3.1N-杂环卡宾金属络合物的合成金属N-杂环卡宾络合物的合成方法包括:(a)游离卡宾与金属化合物直接络合;(b)咪唑盐与金属化合物在强碱作用下络合;(c)利用Ag-NHC通过卡宾配体转移方法制备新的金属络合物。合成NHC-金属络合物的方法一般取决于NHC的稳定性。常用的金属有Ru(Ⅱ)、Rh(Ⅰ)、Pd(0)、Pd(Ⅱ)、Cu(Ⅰ)、Cu(Ⅱ)、Ir(Ⅱ)等[6]。合成此类络合物包括对其前体NHC的合成和络合物的合成两步。Arduengo等首次利用强碱对咪唑盐去质子化合成并分离得到稳定的NHC3（图式1）。化学进展-3-图式1NHC3Scheme1NHC3除上述Arduengo方法之外,还可以用其它方法[16—19]来合成NHC（图式2）图式2合成NHC的其它方法[16-19]Scheme2OthersyntheticmethodsforNHC[16-19]2004年,Nolan[20]等将咪唑盐10与CuCl和NaOt2Bu相作用,以THF为溶剂,在室温下反应20h,得到了NHC-Cu络合物。Burgess等[21]以邻环己二胺、氯乙酰氯、取代咪唑等为原料合成了咪唑盐,在室温下以CH2Cl2为溶剂,与Ag2O络合后,经过滤得到Ag-卡宾化合物。3.2手性pybox-金属络合物的合成3.2.1手性配体pybox的合成配体pybox的合成方法主要有两种：方法1是用DPA为原料[11],方法2是以2,6-二氰基吡啶为原料[14]。可把2,6-二氰基吡啶与光学活性β-氨基醇在ZnCl2催化下回流,或将2,6-二氰基吡啶先生成亚胺甲酯再与氨基醇在CH2Cl2中回流。Nishiyama等在吡啶环的4位引入取代基,制得了4-X-pybox配体（图式3）。3.2.2pybox-金属络合物配体pybox与金属特别是过渡金属生成的手性络合物催化剂具有良好的不对称诱导性能,常用的过渡金属有铜、镍、钌、铑、钪、锌等。通常这些络合物催化剂是现制现用,即将金属无机盐与手性pybox配体按一定摩尔比混合析出固体或晶体,所得的固体一般不需要提纯,可直接用于催化反应[1]。4、手性金属络合物的应用手性金属络合物最广泛的用途是用作催化剂，虽然手性催化剂种类繁多,但广泛应用于实际的仅限两类:一类是酶,另一类是手性金属催化剂中的均相金属络合物催化剂圈[5]。手性催化在保留了均相催化化学进展-4-活性中心结构清楚便于修饰的优点的同时,大大发扬了其立体选择性,使之可与酶催化相媲美。4.1不对称加氢反应以金属络合物为手性催化剂的不对称加氢反应是已取得良好成果的领域，最引人注目的是在Rh/麟络合物催化条件下,从a–酰基氨基丙烯酸出发合成光学活性氨基酸。目前，某些Rh/麟络合物催化剂已用于合成酪氨酸、色氨酸、亮氨酸等多种氨基酸,有的还用于合成脱水二肤[2]。4.2不对称环丙烷化反应在手性Cu、Co、Rh催化剂作用下,烯烃与重氮醋酸酚反应脱氮可得到手性环丙烷类化合物。它是一些天然产物的基本结构,大多数拟除虫菊酷都有此类结构。应用手性铜催剂(S)-7644催化下进行分子内的卡宾不对称加成环化,简便易行地得到高光学收率的双环内酯[11]。手性Schiff碱金属络合物[24]催化剂是不对称环丙烷化反应中最早也是研究最为广泛的一类催化剂。目前,主要从两个方面对手性Schiff碱金属催化剂进行结构改造:(1)水杨醛上引入取代基;(2)手性胺的选择。手性金属Salen－Mn络合物在不对称环氧化反应中的应用极大[3],1998年，Katsuki提出，氧合salen络合物的配体不是平面的，而是折叠的，并且这种折叠的手性结构增强了Mn(Ⅲ)-salen络合物的不对称诱导作用。图式4salen-Mn配合物的结构Scheme4Thestructureofsalen-Mncomplex在近几年，包括席夫碱、噁唑啉、卟啉、联吡啶及四吡啶、羧酸酯等类型的手性化合物作为配体的金属催化剂对不对称环丙烷化反应的研究已经取得了很大的进步，从2000年开始Katsuki等人已经在此领域中做化学进展-5-了很多研究[10]。4.3还可用于其它反应类型中手性金属络合物催化剂反应收率较高,只要保证高的立体选择性,就能获得理想的催化剂，且金属能催化的反应较多,将不同的金属与配体相互组合,可得到种类繁多的络合物催化剂,适用范围广，金属络合催化剂在不影响催化能力的前提下,可固定于高聚物载体上,为其回收和利用提供了方便。正是因为其这些优点，手性金属络合物催化剂还可用于不对称Baeyer-Villiger反应、烯烃的异构化反应、氢硅化反应、不对称环氧化反应[1,3,5,6]、催化C,N-二苯基硝酮环加成反应[4]，部分金属如Al、Ti等还以L碱的形式催化Diels一Alder反应、氢氰化反应等中。此外金属配合物作为DNA结构和构象的探针一直以来也是比较活跃的研究领域[13]。4.4手性金属络合物作为药物的研究铂类配合物药物已应用于临床化疗[23]，手性因素对此类药物活性具有重要影响。有人曾研究手性金属配合物与人红细胞作用,发现某些手性金属配合物表现出跨膜摄入速率的手性选择性差异，但目前对手性金属配合物与细胞选择性作用的研究仍很少,尚未见涉及手性金属配合物经小肠吸收的相关报道。牟永平等人以Caco-2细胞单层为研究模型,研究手性金属配合物d-[Co(EDTA)]-和l-[Co(EDTA)]-在跨Caco22细胞单层转运和吸收是否存在手性选择性,以考察手性金属配合物药物经小肠的转运吸收情况[15]。5、展望手性金属络合物作为催化剂应用广泛，加之其促使反应收率较高,能催化的反应较多,将不同的金属与配体相互组合,可得到种类繁多的络合物催化剂,适用范围广，可固定于高聚物载体上，使回收和利用方便的优点，未来在这片领域中仍然有开阔的前景，只要保证高的立体选择性,就能获得理想的催化剂。Reference[1]姜岚,李争宁,赵德峰.N2杂环卡宾及其金属络合物的合成.化学进展,2009.21:1229-1240[2]钟丽琴,唐瑞仁,杨青.手性pybox2金属络合物及其在不对称催化反应中的应用.化学进展,2007,19:902-909[3]古丽娜,祝冠彬,宋海斌,自国甫.手性氮杂卡宾金属络合物的合成及其在不对称催化反应中的应用.ChineseJournalofOrganicChemistry,29:1499-1507[4]冯爱青,欧军,刘雪英,刘军涛,曾志,陈亿新.手性金属Salen－Mn络合物在不对称环氧化反应中的应用.广东化工，2006，33：28-30[5]刘波，由君.JournalofnaturalSCIenceofHeilongjiangUniversity,2008,25:774-778[6]许锡恩,王志峰,田松江.手性金属络合物催化学进展-6-化剂的制备和应用.石油化工，1996，25:128-133[7]王志武,丁娜.手性金属络