手性希夫堿的合成及其催化不對稱硅氫插入反應的研究

楊 偉，楊科芳，鄭戰(zhàn)江，徐利文

(杭州師范大學有機硅化學及材料技術教育部重點實驗室，浙江 杭州 311121)

手性希夫堿的合成及其催化不對稱硅氫插入反應的研究

楊 偉，楊科芳，鄭戰(zhàn)江，徐利文

(杭州師范大學有機硅化學及材料技術教育部重點實驗室，浙江 杭州 311121)

合成了結構中同時含有氮和磷的新型手性希夫堿，將希夫堿與金屬配合物結合催化α-苯基-α-重氮乙酸甲酯與硅氫化合物的不對稱硅氫插入反應，考察了不同的金屬銅配合物和希夫堿對反應的影響，探討了手性希夫堿/金屬配合物催化體系對不同硅氫底物的適應性.當采用希夫堿4與Cu(CH3CN)4PF6的催化體系催化α-苯基-α-重氮乙酸甲酯與二甲基苯基硅烷的不對稱硅氫插入反應時，反應具有優(yōu)良的產率(100%)和對映選擇性(76%).

手性希夫堿;硅氫插入;不對稱;催化

硅氫插入反應是用于合成含硅基團有機化合物的重要反應之一，主要通過硅氫化合物與重氮酯化合物直接反應，得到含硅基團的有機化合物.希夫堿，又叫亞胺，是硅氫插入反應中的配體，可以由醛或者酮與含氨基的化合物(通常是伯胺)縮合制得[1].1864年，Hugo Schiff 首次合成了希夫堿[2]，并因此而得名.希夫堿能夠與多種金屬的不同價態(tài)穩(wěn)定存在，而且可以有效地催化有機反應的進行.因此，化學家們設計合成了許多具有高效催化活性的希夫堿[2]，并應用于有機合成反應尤其是不對稱有機合成反應中[1].1988年，Dakin等[3]利用2，6-二氯苯甲醛與(1R， 2R)-環(huán)己二胺形成的希夫堿作為二齒配體與銅(I)的配合物(Cu(CH3CN)4PF6)共同催化α-苯基-α-重氮乙酸甲酯的不對稱硅氫插入反應，產率最高能達到88%，ee值最高能達到83%.2008年，Zhang等[4]報道了利用R-螺環(huán)二酚與2，6-二氯苯甲醛形成的希夫堿作為二齒配體與三氟甲磺酸銅共同催化α-苯基-α-重氮乙酸甲酯的不對稱硅氫插入反應，產率最高能達到95%，ee值能達到99%.隨后，Yasutomi等[5]、Wang等[6]也陸續(xù)報道了利用希夫堿催化此類反應，均取得了很好的產率和ee值.

Dakin等使用的希夫堿簡單易得，但是ee值和產率均屬中等，有較大的提升空間；而Zhang等使用的希夫堿雖然得到了比較理想的催化結果，但是制備希夫堿的原料昂貴，不利于大量使用；Yasutomi等使用的希夫堿制備過程耗時較長，而且用到了貴金屬Ir，價格昂貴；Wang等使用的催化體系也存在同樣的問題.在已有的文獻報道中，化學家們都只采用了氮原子與金屬配位，而眾所周知，磷原子與氮原子在同一主族，具有相似的化學性質，磷原子也能與多種金屬配合高效地催化不對稱有機反應.因此，筆者希望能通過簡單易得的基礎原料來合成同時含有氮、磷原子的希夫堿，與廉價的過渡金屬配合，高效地催化硅氫插入反應.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

反應所采用的試劑均為分析純.TLC： 薄層板采用青島海洋化工有限公司生產的GF254，柱層析硅膠為青島海洋化工有限公司生產，濕法裝柱.1H NMR：Advance (Brucker) 400 MHz核磁共振儀 (TMS為內標， CDCl3為溶劑).HPLC：Agilent 1200 高效液相色譜儀，手性柱為日本大賽璐手性色譜柱.

1.2 希夫堿的制備

1.2.1 希夫堿3的制備 在-35 ℃下，將4.0 mL (10 mmol，2.5 mol/L)正丁基鋰的正己烷溶液緩慢滴入(S)-α-苯乙胺1(1.21 g，10.0 mmol) 的乙醚(10 mL)溶液中，反應15 min，然后在此溫度下緩慢加入三甲基氯硅烷(1.39 mL，11 mmol)，繼續(xù)反應1 h.緩慢滴入12 mL 正丁基鋰的正己烷溶液，繼續(xù)反應3 h后將反應體系升至室溫，反應過夜.然后再將反應置于-35 ℃中，將二苯基氯化磷(1.80 mL，10 mmol)的乙醚(10 mL)溶液非常緩慢地滴入其中.繼續(xù)反應3 h，緩慢升至室溫繼續(xù)反應4 h，將1 mol/L鹽酸溶液緩慢加入反應體系中，直到兩相都澄清為止.水相用乙醚萃取3次，有機相用無水硫酸鈉干燥，減壓濃縮，硅膠柱層析得到無色液體2(圖1)，產率為37%.

圖1 希夫堿3的合成路線Fig. 1 The synthetic route of schiff base 3

將所得的產物2(0.61 g，2 mmol)置于10 mL乙醇中，加入2，6-二氯苯甲醛(0.35 g，2 mmol)在40 ℃下回流過夜，薄層板檢測直到反應完全，過濾即得目標產物3，產率48%.1H NMR(CDCl3，400 MHz)：δ(ppm)=8.15(s，1H)，7.86(dd，J=4.0 Hz，J=4 Hz，1H)，7.41～7.28(br，13H)，7.17(m，2H)，6.86(dd，J=4.4 Hz，1H)，5.46(q，J=6.8 Hz，1H)，1.52(d，J=6.4 Hz，3H)；13C NMR(CDCl3，100 MHz)：δ(ppm)=155.5，136.6，136.2，134.5，134.2，134.0，133.6，133.5，133.1，132.9，129.8，129.2，128.6，128.4，128.4，128.3，127.4，127.4，126.8，67.5，25.0；13P NMR(CDCl3，162 MHz)：δ (ppm)=-15.63.

1.2.2 希夫堿4的制備 (1R， 2R)-(-)-1，2-二氨基環(huán)己烷酒石酸鹽(1.06 g，5 mmol)置于20 mL乙醇中，加入2，6-二氯苯甲醛(1.75 g，10 mmol)，50 ℃下回流過夜，薄層板檢測直到反應完全，過濾即得目標產物4(圖2)，產率82%.1H NMR (CDCl3，400 MHz)：δ (ppm)=8.46 (s， 2H)，7.26 (d，J=8.4 Hz，4H)，7.16 (m，2H)，3.60 (m，2H)，1.89 (s，6H)，1.64 (s，1H)，1.51(br，1H).希夫堿5，7的合成方法同上(圖3).

圖2 希夫堿4的合成路線Fig. 2 The synthetic route of schiff base 4

圖3 希夫堿5，7的合成路線Fig. 3 The synthetic route of schiff base 5，7

1.2.3 希夫堿6的制備 (R)-(+)-二氨基丙烷二鹽酸鹽(0.294 g，2 mmol)置于3 mL乙醇中，加入2，6-二氯苯甲醛(0.70 g，4 mmol)、三乙胺(0.56 mL，4 mmol)，50 ℃下回流過夜，薄層板檢測直到反應完全，過濾即得目標產物6(圖4)，產率19%.1H NMR (CDCl3，400 MHz)：δ (ppm) = 8.49 (d，J=2 Hz，2H)，7.30 (dd，J= 6.4 Hz，J= 6.0 Hz，4H)，7.22～7.17 (m，2H)，4.04～3.90 (m，3H)，1.45 (d，J= 6.0 Hz，3H).

圖4 希夫堿6的合成路線Fig. 4 The synthetic route of schiff base 6

1.3 金屬鹽的合成

Cu(CH3CN)4PF6的制備如下：稱取氧化亞銅(2 g，14 mmol)于反應瓶中，加入乙腈40 mL，再緩慢加入六氟磷酸(HPF6)(6.2 mmol，7.7 mL)，室溫攪拌至有白色沉淀產生.冷卻至-10 ℃，過夜，過濾，乙醚洗滌，乙腈重結晶，得到白色固體，產率98%.Cu(C6H5CH2CN)4PF6的合成方法同上.

1.4 α-苯基-α-重氮乙酸甲酯的合成

將苯乙酸甲酯(4.9 mL，34.5 mmol)置于反應瓶中，加入乙腈50 mL，緩慢加入對甲苯磺酰疊氮(8.16 g，41.4 mmol)，然后在0 ℃下加入1，8-二氮雜雙環(huán)[5.4.0]十一碳-7-烯(DBU)(6.8 mL，45.5 mmol)，室溫下攪拌反應過夜.旋干溶劑，二氯甲烷萃取，無水硫酸鈉干燥得到紅色液體(圖5)，產率87%.1H NMR(400 MHz)：7.50 (q，J=8.4 Hz，2H)，7.40 (t，J= 8.0 Hz，2H)， 7.20 (m，1H)，3.88 (s，3H).

圖5 α-苯基-α-重氮乙酸甲酯的合成路線Fig. 5 The synthetic route of α-phenyl-α-methyl diazoacetate

1.5 硅氫插入反應的一般反應過程

反應在無水無氧條件下進行.將反應管進行無水無氧預處理，稱取希夫堿3(9.2 mg，0.02 mmol)，Cu(CH3CN)4PF6(7.4 mg，0.02 mmol)于反應管中，加入0.5 mL干燥后的二氯甲烷，室溫攪拌30 min.再加入二甲基苯基硅烷(62 μL，0.4 mmol)，室溫下攪拌10 min. 轉至-40 ℃下，加入含有α-苯基-α-重氮乙酸甲酯(35.2 mg，0.2 mmol)的二氯甲烷0.5 mL，TLC監(jiān)測直到反應完成，轉化率100%，ee值20%.1H NMR，13C NMR見文[4]，HPLC分析：OD—H，25 ℃，n(正己烷)∶n(異丙醇) = 98∶2，流速1.0 mL/min，λ=210 nm，tmajor= 4.60 min，tminor= 12.37 min.MS，m/z，分析C17H20O2Si 284.43，發(fā)現(xiàn) 284.1.

2 結果與討論

2.1 不同金屬對反應的影響

圖6 α-苯基-α-重氮乙酸甲酯與二甲基苯基硅烷的不對稱硅氫插入反應Fig. 6 The reaction of α-phenyl-α-methyl diazoacetate and dimethylphenylsilane

將合成的希夫堿3作為配體，與Cu,Ag,Rh,Ru等金屬配合物共同催化α-苯基-α-重氮乙酸甲酯與二甲基苯基硅烷的不對稱硅氫插入反應(圖6).由表1可知，該配體對金屬的適應性并不廣泛，但是對不同價態(tài)的銅鹽均能進行配合，其中與二價的三氟甲磺酸銅配合催化硅氫加成反應，轉化率能夠達到100%.

表1 不同金屬配合物對反應的影響Tab. 1 Effects of different metal complex on the Si—H insert reaction

反應條件：希夫堿10 mol%，金屬鹽10 mol%，二氯甲烷為溶劑，α-苯基-α-重氮乙酸甲酯0.2 mmol，二甲基苯基硅烷0.4 mmol，-40 ℃；a：TLC監(jiān)測，括號中為分離產率；b：HPLC測定.

2.2 不同希夫堿對反應的影響

采用希夫堿3雖然能夠提高α-苯基-α-重氮乙酸甲酯與二甲基苯基硅烷的不對稱硅氫插入反應的活性，但是其對應選擇性并不是很高，筆者又合成了其他一系列的希夫堿(圖7)用于催化該反應.從表2可以看出當希夫堿4與Cu(CH3CN)4PF6配合使用時轉化率達到100%，而且ee值能夠達到76%.

表2 不同希夫堿對反應的影響Tab. 2 Effects of different schiff base on the Si—H insert reaction

反應條件：希夫堿12 mol%，金屬配合物10 mol%，二氯甲烷為溶劑，α-苯基-α-重氮乙酸甲酯0.2 mmol，二甲基苯基硅烷0.4 mmol，-40 ℃；a：TLC監(jiān)測；b：HPLC測定；c：希夫堿為10 mol%；d：補加了1 mol%的氧化亞銅.

圖7 不同的希夫堿Fig. 7 Different schiff bases

2.3 催化體系對不同硅氫底物的適應性

考察了希夫堿4與Cu(CH3CN)4PF6的催化體系對不同硅氫底物(圖8)的適應性.實驗結果表明，硅原子上的取代基對反應活性有顯著影響，當采用二甲基苯基硅烷時反應具有優(yōu)良的產率(100%)和對映選擇性(76%).

圖8 不同硅氫底物Fig. 8 Different substrates containing Si—H group

3 結 論

本研究合成了一類分子結構中含有氮和磷的新型希夫堿，能分別與Cu(I)、Cu(II)化合物配合催化硅氫插入反應合成含硅基團有機化合物.對不同的希夫堿和金屬配合物組成的催化體系催化不同的硅氫化合物進行硅氫加成反應開展研究，取得了較好的結果.新型希夫堿在有機合成反應中的應用有待于進一步研究.

[1] 馮輝霞，李漢峰，王利杰.希夫堿類金屬配合物催化劑催化氧化烯烴研究進展[J].應用化工，2011，40(2):315-318.

[2] Cozzi P G. Metal-salen schiff base complexes in catalysis: practical aspects[J]. Chem Soc Rev,2004,33(7):410-421.

[3] Dakin L A, Schaus S E, Jacobsen E N,etal. Carbenoid insertion into the silicon-hydrogen bond catalyzed by chiral copper(I) schiff base complexes[J]. Tetrahedron Letters,1988,39(49):8947-8950.

[4] Zhang Yongzhen, Zhu Shoufei, Wang Lixin,etal. Copper-catalyzed highly enantioselective carbenoid insertion into Si—H bonds[J]. Angew Chem Int Ed,2008,47(44):8496-8498.

[5] Yasutomi Y, Suematsu H, Katsuki T. Iridium(III)-catalyzed enantioselective Si—H bond insertion and formation of an enantioenriched silicon center[J]. J Am Chem Soc,2010,132(13):4510-4511.

[6] Wang Jingcui， Xu Zhenjiang， Guo Zhen,etal. Highly enantioselective intermolecular carbene insertion to C—H and Si—H bonds catalyzed by a chiral iridium(III) complex of a D4-symmetric halterman porphyrin ligand[J]. Chem Commun,2012,48(36):4299-4301.

TheSynthesisofChiralSchiffBaseanditsApplicationintheCatalysisofAsymmetricSi—HInsertReaction

YANG Wei, YANG Kefang, ZHENG Zhanjiang, XU Liwen

(Key Laboratory of Organosilicon Chemistry and Material Technology of Ministry of Education, Hangzhou Normal University,Hangzhou 311121, China)

New chiral Schiff base containing nitrogen and phosphorus was successfully synthesized. The chiral Schiff base cooperated with different metal complexes were used to catalyze the asymmetric Si—H insert reaction of α-phenyl-α-methyl diazoacetate and the compounds containing Si—H groups. The paper investigated the effects of the copper complexes and the Schiff base on the reaction, and discussed the suitability of this catalytic system on the substrates containing Si—H groups. When using the Schiff base4/Cu(CH3CN)4PF6to catalyze the asymmetric Si—H insert reaction of α-phenyl-α-methyl diazoacetate and dimethyphenylsilane,the reaction had excellent yield(100%) and good enantioselectivity(76%).

chiral Schiff bases; Si—H insertion; asymmetric; catalysis

2013-09-18

國家自然科學基金項目(21173064；51203037).

楊科芳(1979—)，女，助理研究員，博士，主要從事有機催化合成化學與新型高分子催化材料的研究.E-mail：kfyang@hznu.edu.cn

10.3969/j.issn.1674-232X.2013.06.002

O626.5

A

1674-232X(2013)06-0486-05