Rh-(R,R)-Ph-BPE催化苯乙烯不對稱氫甲?；磻?yīng)研究*

李星星，張一炯，呂志果，郭振美

(青島科技大學(xué) 化工學(xué)院，山東 青島 266042)

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

苯乙烯：分析純，天津市凱信化學(xué)工業(yè)公司；Rh(acac)(CO)2：質(zhì)量分?jǐn)?shù)99%，北京博信達(dá)科技有限公司；(-)-1,2-雙((2R,5R)-2,5-二苯基磷)乙烷[(R,R)-Ph-BPE]：質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%，美國Strem Chemicals公司；合成氣CO/H2[V(CO)∶V(H2)=1∶1]：青島合力氣體有限公司；石油醚：沸點60～90 ℃，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；乙酸乙酯、四氫呋喃：分析純，天津市廣成化學(xué)試劑有限公司；甲苯、丙酮：分析純，煙臺三和化學(xué)試劑有限公司；1,4-二氧六環(huán)：分析純、對苯二酚：質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%，天津市博迪化工有限公司；二氯甲烷：分析純，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司。

數(shù)字自動旋光儀：WZZ-2S，上海申光儀器儀表有限公司；氣相色譜儀：GC-7806，淄博賽科實驗儀器有限公司；薄層層析硅膠板：HSGF245，青島海洋化工有限公司；柱層析硅膠：45～75 μm,煙臺江友硅膠開發(fā)有限公司。

1.2 不對稱氫甲?；磻?yīng)方程式

準(zhǔn)確稱量一定量的Rh(acac)(CO)2、(R,R)-Ph-BPE、對苯二酚、苯乙烯與溶劑一起置于100 mL不銹鋼高壓反應(yīng)釜中，放入轉(zhuǎn)子封釜后，采用CO/H2進(jìn)行氣體置換以排凈釜內(nèi)空氣，充壓至所

需壓力。設(shè)置所需反應(yīng)溫度，調(diào)整一定轉(zhuǎn)速進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，冰浴冷卻并卸壓，旋蒸得粗產(chǎn)品，采用薄層色譜(TLC)分析[V(石油醚)∶V(乙酸乙酯)=15∶1]，初步判斷2-苯基丙醛，采用柱層析分析[V(石油醚)∶V(乙酸乙酯)=100∶1]得純2-苯基丙醛進(jìn)行核磁定性分析。定性分析以后可以直接進(jìn)行GC分析，測定異構(gòu)產(chǎn)物與正構(gòu)產(chǎn)物物質(zhì)的量比(以下稱異正比)和ee值。苯乙烯不對稱氫甲?；磻?yīng)方程式和Rh-(R,R)-Ph-BPE手性雙膦配體結(jié)構(gòu)式見圖1。

圖1 苯乙烯不對稱氫甲?；磻?yīng)方程式和Rh-(R,R)-Ph-BPE手性雙膦配體結(jié)構(gòu)式

1.3 催化反應(yīng)產(chǎn)物的定性和定量分析以及ee值的測定

定性分析：產(chǎn)物NMR譜測定結(jié)果見圖2。

δ圖2 2-苯基丙醛的核磁氫譜圖

1H NMR(CDCl3,500MHZ):1.40～1.48(m,3H,CH3);3.60～3.65(m,1H,CH);7.18～7.21(d,2H,CHarom);7.28～7.31(m,1H,CHarom);7.36～7.39(m,2H,CHarom);9.68(s,1H,CHO)。

定量分析：對產(chǎn)物進(jìn)行GC分析，手性色譜柱為β-Dexw225(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，進(jìn)樣器483 K，檢測器513 K，程序升溫：初始溫度333 K，初始時間2 min，升溫速率8 K/min，終止溫度453 K，終止時間 5 min。

從表4可以看出，非常喜歡和喜歡學(xué)習(xí)漢語的學(xué)生占88.33%；有89.44%的學(xué)生覺得漢語非常有意思和有意思；91.67%的學(xué)生認(rèn)為自己的漢語水平進(jìn)步很大或有進(jìn)步?？梢?，學(xué)生學(xué)習(xí)漢語的態(tài)度是積極的，效果也非常明顯。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)條件考察

2.1.1 反應(yīng)溫度對反應(yīng)結(jié)果的影響

以甲苯為溶劑，苯乙烯1.0 g(9.6 mmol)，Rh(acac)(CO)21.68 mg(0.006 4 mmol )，n[Rh(acac)(CO)2]∶n(苯乙烯)=1∶1 500；(R,R)-Ph-BPE 19.45 mg(0.038 4 mmol)，n[(R,R)-Ph-BPE)]∶n[Rh(acac)(CO)2]=3;對苯二酚 5 mg，合成氣3 MPa；反應(yīng)時間3 h，考察反應(yīng)溫度對反應(yīng)的影響，結(jié)果見表1。

表1 反應(yīng)溫度對苯乙烯不對稱氫甲?；挠绊?/p>

由表1可見，在60～80 ℃內(nèi)溫度升高對于收率的影響不是很大，但異正比隨著溫度的升高明顯減小，溫度過高不利于異構(gòu)體的生成，ee值隨著溫度升高而降低，是因為反應(yīng)溫度升高會使部分產(chǎn)品消旋化。綜合考慮醛收率和ee值，60 ℃為最佳反應(yīng)溫度。

2.1.2 反應(yīng)壓力對反應(yīng)結(jié)果的影響

反應(yīng)溫度設(shè)置60 ℃，n[Rh(acac)(CO)2]∶n(苯乙烯)=1∶1 500，n[(R,R)-Ph-BPE]∶n[Rh(acac)(CO)2]=3，對苯二酚5 mg，反應(yīng)時間3 h，考察反應(yīng)壓力對反應(yīng)的影響，結(jié)果見表2。

表2 合成氣壓力對苯乙烯不對稱氫甲?；挠绊?/p>

由表2可見，隨著反應(yīng)壓力的升高，醛的收率先提高再降低，異正比先增大再減小，光學(xué)收率也是先增大再減小。反應(yīng)壓力在一定范圍內(nèi)增大有利于合成氣(CO/H2)的插入，提高反應(yīng)速率，有利于克服配體的空間立體障礙，反應(yīng)壓力過高，則會產(chǎn)生較多乙苯等副產(chǎn)物[12]。最佳反應(yīng)壓力為2 MPa。

2.1.3 反應(yīng)時間對反應(yīng)結(jié)果的影響

反應(yīng)溫度為60 ℃，壓力為2 MPa，n[Rh(acac)(CO)2]∶n(苯乙烯)=1∶1 500，n[(R,R)-Ph-BPE]∶n[Rh(acac)(CO)2]=3，對苯二酚5 mg，考察反應(yīng)時間對反應(yīng)的影響，結(jié)果見表3。

表3 反應(yīng)時間對苯乙烯不對稱氫甲?；挠绊?/p>

由表3可見，反應(yīng)時間1～4 h內(nèi)隨反應(yīng)時間的增加，醛收率、異正比、ee值逐漸提高，4 h以后開始下降。3～4 h時合成氣吸收平衡，達(dá)到較高的收率和立體選擇性，若延長時間則會破壞平衡，產(chǎn)品也會消旋化。因此最佳反應(yīng)時間為4 h。

2.1.4 催化劑用量對反應(yīng)結(jié)果的影響

反應(yīng)溫度為60 ℃，反應(yīng)壓力為2 MPa，n[(R,R)-Ph-BPE]∶n[Rh(acac)(CO)2]=3，對苯二酚5 mg，反應(yīng)時間4 h，考察催化劑用量對反應(yīng)的影響，結(jié)果見表4。

表4 催化劑用量對苯乙烯不對稱氫甲?；挠绊?/p>

由表4可見，隨著Rh用量的增多，醛收率先增大再減小，異正比減小，光學(xué)收率先增大后減小。這是由于在一定范圍內(nèi)銠的量增多會使H2加氫步驟加快，從而使催化不對稱氫甲酰化循環(huán)中最后一步還原消除反應(yīng)加快，導(dǎo)致產(chǎn)生較多的醛，異正比減小。在n[Rh(acac)(CO)2]∶n(苯乙烯)=1∶2 000時，雖然醛收率比n[Rh(acac)(CO)2]∶n(苯乙烯)=1∶1 500時低一點但是ee值較高，所以最佳催化劑用量應(yīng)選擇n[Rh(acac)(CO)2]∶n(苯乙烯)=1∶2 000。

2.1.5 手性配體用量對反應(yīng)結(jié)果的影響

反應(yīng)溫度為60 ℃，壓力為2 MPa，n[Rh(acac)(CO)2]∶n(苯乙烯)=1∶2 000，反應(yīng)時間4 h,對苯二酚5 mg，考察手性配體用量對反應(yīng)的影響，結(jié)果見表5。

表5 手性配體用量對苯乙烯不對稱氫甲?；挠绊?/p>

由表5可見，提高手性膦配體的用量，催化劑的活性有所降低，光學(xué)收率有所降低。這是由于兩個配體和一個銠組成的配合物即金屬和膦之間形成的咬角有利于苯乙烯的侵入，若配體量增多則使配合物結(jié)構(gòu)式增大，空間障礙作用不利于苯乙烯的插入[13]。因此最佳n[(R,R)-Ph-BPE]∶n[Rh(acac)(CO)2]=2。

2.1.6 溶劑對反應(yīng)結(jié)果的影響

反應(yīng)溫度為60 ℃，反應(yīng)壓力2 MPa,n[Rh(acac)(CO)2]∶n(苯乙烯)=1∶2 000，n[(R,R)-Ph-BPE]∶n[Rh(acac)(CO)2]=2，對苯二酚5 mg，反應(yīng)時間4 h，考察溶劑對反應(yīng)的影響，結(jié)果如表6。

表6 溶劑對苯乙烯不對稱氫甲?；挠绊?/p>

由表6可見，溶劑是影響反應(yīng)快慢的重要因素，極性溶劑不利于反應(yīng)進(jìn)行，而且立體控制性也差。在非極性溶劑中，產(chǎn)物醛的生成速率加快，光學(xué)收率高。以甲苯為溶劑，醛收率為96%，異正比為98∶2，ee值為67%，雖然醛收率不是最高但是異正比和ee值都是較高的，以1,4二氧六環(huán)為溶劑，ee值相對以甲苯為溶劑要小很多，所以較佳的溶劑為甲苯。

2.2 不對稱氫甲?；磻?yīng)機(jī)理探究

不對稱氫甲酰化反應(yīng)機(jī)理見圖3。

圖3 銠催化不對稱氫甲酰化反應(yīng)機(jī)理

首先是羰基銠和手性配體形成手性膦螯合的二羰基氫化銠配合物1，末端烯烴作為η-配位基與銠的配合物進(jìn)行配位，相繼進(jìn)行遷移插入反應(yīng)或者是烯烴插入金屬和氫鍵之中的氫金屬化反應(yīng)形成烷基絡(luò)合物，這種烷基絡(luò)合物有兩種異構(gòu)體即正構(gòu)和異構(gòu)，一種是新的碳-金屬鍵可以連接在烯烴的末端位置(路徑A)形成烷基金屬絡(luò)合物3′，最終生成直鏈醛。另一種途徑是碳-金屬鍵連接在烯烴的內(nèi)部位置(路徑B)形成絡(luò)合物3，最終生成支鏈醛[14]，故這一步?jīng)Q定了區(qū)域選擇性，決定性因素是中心金屬的本質(zhì)。氫金屬化反應(yīng)之后，CO作為配合基加入到金屬中心從而形成復(fù)合物4′和4，4′和4進(jìn)行CO遷移到C—Rh鍵形成烷基銠物種5′和5。對于異構(gòu)烷基反應(yīng)此步驟決定了對映選擇性，其決定性因素是手性膦的不對稱誘導(dǎo)，不對稱誘導(dǎo)能力越強(qiáng)，對映選擇性越高。帶有金屬的螯合物插入到H2中，此步要使H—H鍵斷裂，形成兩個Rh—H鍵，因此活化能最高，也是反應(yīng)中最慢的速控步驟。接著進(jìn)行還原消除反應(yīng)，螯合物銠上的?；c氫結(jié)合生成產(chǎn)物醛離開金屬中心，催化劑恢復(fù)成為手性膦螯合的二羰基氫化銠，完成催化反應(yīng)并實現(xiàn)催化劑的循環(huán)使用。

3 結(jié) 論

以Rh(acac)(CO)2和(R,R)-Ph-BPE的配合物為催化體系催化苯乙烯的不對稱氫甲?；磻?yīng)，綜合考慮產(chǎn)物2-苯基丙醛的收率和ee值，較佳反應(yīng)條件為：溫度60 ℃，合成氣壓力2 MPa；反應(yīng)時間4 h；n[Rh(acac)(CO)2]∶n(苯乙烯)=1∶2 000；n[(R,R)-Ph-BPE]∶n[Rh(acac)(CO)2]=2；溶劑為甲苯，最高收率為96%，最高ee值達(dá)67%。

[1] BIANCHI D,CESTIP,PINAC,et al.Process for the continuous biotechnological preparation of optical isomerS(+) of 2-(6-methoxy-2-naphthyl) propionic acid：US5229280[P].1993-07-20.

[2] XU K，ZHENG X，WANG Z，et al.Easily accessible and highly tunable bisphosphine ligands for asymmetric hydroformylation of terminal and internal alkenes[J].Chemistry - A European Journal，2014，20(15):4357-4362.

[3] DENG Y，WANG H，SUN Y，et al.Principles and applications of enantioselective hydroformylation of terminal disubstituted alkenes[J].Cheminform，2016，47(11):6828-6837.

[4] NOZAKI K，TAKAYA H，HIYAMA T.Enantioselective hydroformylation of olefins catalyzed by rhodium (I) complexes of chiral phosphine-phosphite ligands[J].Topics in Catalysis，1997，4(3/4)：175-185.

[5] AGBOSSOU F，CARPENTIER J F，MORTREUX A.Asymmetric hydroformylation[J].Chemical Reviews，1995，95(7):35-64.

[6] SEREGIN I V，GEVORGYAN V.Direct transition metal-catalyzed functionalization of heteroaromatic compounds[J].Chemical Society Reviews，2007，36(7)：1173-1193.

[7] ABRAMS M L，F(xiàn)OARTA F，LANDIS C R.Asymmetric hydroformylation ofZ-enamides and enol esters with rhodium-bisdiazaphos catalysts[J].ChemInform，2015，46(15):14583-14588.

[8] LV Z,JIANG Y,ZHOU C,et al.Synthesis and evaluation of stable,efficient,and recyclable carbonylation catalysts：polyether-substituted lmidazolium carbonyl cobalt lonic liquids[J].Journal of Molecular Catalysis A Chemical,2016,415:89-95.

[9] 樊保敏，謝建華，周章濤，等.手性螺環(huán)單磷配體在不對稱氫甲?；磻?yīng)中的應(yīng)用[J].高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報，2006，27(10):1894-1896.

[10] RUBIO M，SUAREZ A，ALVAREZ E，et al.Asymmetric hydroformylation of olefins with Rh catalysts modified with chiral phosphine-phosphite ligands[J].Organometallics，2007，26(25)：6428-6436.

[11] ARRIBAS I,VARGAS S,RUBIO M,et al.Chiral phosphine-phosphite ligands with a substituted ethane backbone.influence of conformational effects in rhodium-catalyzed asymmetric olefin hydrogenation and hydroformylation reactions[J].Organometallics，2010，29(22):5791-5804.

[12] 殷元騏，蔣耀忠.不對稱催化反應(yīng)進(jìn)展[M].北京：科學(xué)出版社，2000:135-156.

[13] KLOSIN J，LANDIS C R.Ligands for practical rhodium-catalyzed asymmetric hydroformylation[J].Accounts of Chemical Research，2007，40(12)：1251-1259.

[14] TONKS I A,FROESE R D,LANDIS C R.Very Low pressure Rh-catalyzed hydroformylation of styrene with (S,S,S-bisdiazaphos):regioselectivity inversion and mechanistic insights[J].Acs Catalysis，2013，3(12):2905-2909.