咪唑型離子液體/苯兩相體系下不對(duì)稱催化氫化合成手性泛內(nèi)酯*

朱 琳，崔菲菲，金 欣

(青島科技大學(xué) 化工學(xué)院，山東 青島 266042)

手性泛內(nèi)酯是泛酸鈣[1]、泛酸醇[2]、泛酰硫氫乙胺[3]和泛磺酸[4]等化學(xué)品大規(guī)模生產(chǎn)的重要原料，也是廣泛用作合成天然產(chǎn)物的手性助劑。目前，已開發(fā)了幾種制備手性泛內(nèi)酯的方法，如外消旋體的拆分[5]、酮基泛內(nèi)酯的不對(duì)稱氫化[6]、微生物合成[7]。其中利用手性過渡金屬催化劑的不對(duì)稱氫化法是獲得手性泛內(nèi)酯綠色化學(xué)的方法[8-11]。但是，由于常用的貴金屬催化劑價(jià)格昂貴，并且催化結(jié)束后催化劑難以回收利用，增加了生產(chǎn)成本和規(guī)?；a(chǎn)的難度。

相對(duì)于傳統(tǒng)均相催化反應(yīng)，在離子液體中進(jìn)行的反應(yīng)具有不同的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)行為，這往往會(huì)有利于催化劑催化性能的提高，獲得更好的催化活性和選擇性。此外，離子液體增強(qiáng)了手性金屬催化劑的穩(wěn)定性，易于產(chǎn)品和催化劑的回收利用[12-18]。咪唑型離子液體具有低熔點(diǎn)、低飽和蒸氣壓等優(yōu)點(diǎn)，成為目前研究最廣泛的一類離子液體[19-21]，咪唑型離子液體作為液/液兩相催化的理想溶劑，廣泛應(yīng)用于烯胺、脫氫氨基酸、芳香酮和β-酮酸酯等底物的不對(duì)稱氫化反應(yīng)中[22]。

關(guān)于咪唑型離子液體應(yīng)用于不對(duì)稱氫化反應(yīng)的報(bào)道較多，但是至今未見其應(yīng)用于不對(duì)稱氫化酮基泛內(nèi)酯的報(bào)道。作者重點(diǎn)考察1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([EMIM]BF4)、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([BMIM]BF4)、1-丁基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽([BMIM]Tf2N)咪唑型離子液體(見圖1)，將已有報(bào)道的膦配體Ⅰ～Ⅴ[23](見圖2)應(yīng)用于咪唑離子液體/苯兩相體系，考察不對(duì)稱氫化酮基泛內(nèi)酯的規(guī)律，實(shí)現(xiàn)手性催化劑的高效循環(huán)利用。

圖1 離子液體的結(jié)構(gòu)

圖2 膦配體Ⅰ～Ⅴ的結(jié)構(gòu)

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1試劑與儀器

離子液體([BMIM]BF4、[EMIM]BF4、[BMIM]Tf2N)：上海邦成化工有限公司；氫化鈣：阿拉丁化學(xué)試劑有限公司；苯：天津市博迪化工有限公司；以上試劑均為分析純；溶劑采用標(biāo)準(zhǔn)的Schlenk技術(shù)脫氧除水；膦配體Ⅰ～Ⅴ：按參考文獻(xiàn)[23]制備；雙(1,5-環(huán)辛二烯氯化銠)[Rh(COD)Cl]2：阿拉丁化學(xué)試劑有限公司。

循環(huán)水式多用真空泵：SHB-Ⅲ，恒溫加熱磁力攪拌器：CL-3A，鄭州長城科工貿(mào)有限公司；旋片式真空泵：2XZ-2，浙江黃巖寧溪醫(yī)療器械有限公司；電子天平：YP402N，上海精密科學(xué)儀器有限公司；氣相色譜儀：SP-2100A，CP-ChiraSil-DEX CB毛細(xì)管柱，北分瑞利儀器集團(tuán)公司；高壓反應(yīng)釜：60 mL，西安泰康生物科技有限公司。

1.2 咪唑離子液體/苯兩相體系下不對(duì)稱氫化酮基泛內(nèi)酯的一般過程

原位制備了咪唑型陽離子Rh催化劑。在氬氣氣氛下，分別將1 g咪唑型離子液體([EMIM]BF4、[BMIM]BF4、[BMIM]Tf2N)和1 mg[Rh(COD)Cl]2(2×10-3mmol)以及2.2倍量膦配體(4.4×10-3mmol)加入到60 mL高壓反應(yīng)釜中，在25 ℃下進(jìn)行攪拌形成催化劑前體，將酮基泛內(nèi)酯(1.3 mg，400×10-3mmol)充分溶解于2 mL的脫氣苯溶液中，將其轉(zhuǎn)移至高壓反應(yīng)釜。在t=50 ℃、p(H2)=5.0 MPa、n=400 r/min條件下反應(yīng)4 h，GC在CP-ChiraSil-DEX CB(25 m ×0.25 mm) 手性柱上檢測(cè)。

1.3 咪唑離子液體/苯兩相體系下銠催化劑循環(huán)的一般過程

在氬氣氣氛下，將1 g咪唑離子液體[EMIM]BF4和1 mg[Rh(COD)Cl]2(2×10-3mmol)以及2.2倍量的配體Ⅲ(3 mg，4.4×10-3mmol)加入到60 mL高壓反應(yīng)釜中，在25 ℃下進(jìn)行攪拌形成催化劑前體，再在高壓反應(yīng)釜中加入2 mL苯溶解的酮基泛內(nèi)酯(1.3 mg，400×10-3mmol)，在p(H2)=5.0 MPa，t=50 ℃，n=400 r/min條件下反應(yīng)4 h。冰水浴下猝滅反應(yīng)，靜置一段時(shí)間后，開釜快速取出上層溶液，減壓蒸餾除掉反應(yīng)釜中殘留的苯，再將新的底物和苯溶劑加入到離子液體中進(jìn)行下一步的催化劑回收。

2 結(jié)果與討論

2.1 咪唑型離子液體/苯兩相體系下不對(duì)稱氫化酮基泛內(nèi)酯

考察了配體結(jié)構(gòu)和離子液體對(duì)不對(duì)稱氫化酮基泛內(nèi)酯催化劑活性的影響,見表1。

由表1可知，咪唑修飾的手性配體(配體Ⅴ)表現(xiàn)出較差的活性和對(duì)映選擇性。而對(duì)于氨基酸修飾的配體，配體Ⅰ至配體Ⅳ的結(jié)構(gòu)在3種離子液體中對(duì)催化劑的活性和對(duì)映選擇性有相同的規(guī)律。當(dāng)氨基酸手性中心遠(yuǎn)離吡咯烷環(huán)結(jié)構(gòu)時(shí)，催化劑的催化活性和對(duì)映選擇性提高(配體Ⅰ～Ⅲ)，隨著氨基酸的手性中心接近吡咯烷環(huán)結(jié)構(gòu)時(shí)，催化劑的活性和選擇性又開始降低(配體Ⅲ～Ⅳ)。這說明氨基酸手性中心與手性催化劑的手性中心產(chǎn)生了消極的相互作用，這與之前發(fā)表的文章規(guī)律相似[23]。

表1 在咪唑型離子液體/苯兩相體系下配體結(jié)構(gòu)對(duì)酮基泛內(nèi)酯不對(duì)稱氫化的影響1)

為了證明離子液體結(jié)構(gòu)對(duì)不對(duì)稱加氫反應(yīng)的影響，考察了不同溶劑條件下對(duì)催化活性的影響，結(jié)果表明，配體Ⅰ至配體Ⅴ整體催化活性和對(duì)映選擇性在[EMIM]BF4/苯兩相體系中最高，對(duì)映選擇性表現(xiàn)最明顯，[EMIM]BF4對(duì)配體Ⅰ～Ⅴ的固載能力更強(qiáng)，更有利于催化劑的回收循環(huán)實(shí)驗(yàn)。配體Ⅲ在[EMIM]BF4/苯兩相體系下的催化活性和對(duì)映選擇性是相對(duì)最高的。

2.2 咪唑離子液體/苯兩相體系銠催化劑的循環(huán)

氨基酸離子修飾的配體因極性較大，所以與咪唑離子液體有較強(qiáng)的親和力，增大了咪唑離子液體對(duì)催化劑的固載能力，配體與銠前體在[BMIM]BF4、[BMIM]Tf2N和[EMIM]BF43種離子液體中的溶解度較大，形成離子液體/苯兩相反應(yīng)體系，催化劑被固載到離子液體相中，產(chǎn)品能溶解在苯層中，反應(yīng)結(jié)束后將苯層分離再加入底物即可實(shí)現(xiàn)催化劑的循環(huán)利用。通過表1篩選出配體Ⅲ在[EMIM]BF4/苯均相體系下進(jìn)行催化劑的循環(huán)利用，見表2。

表2 Rh-配體Ⅲ在[EMIM]BF4/苯兩相體系中的循環(huán)1)

由表2可知，配體Ⅲ催化循環(huán)2次仍然保持相對(duì)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)化率和對(duì)映選擇性，在催化循環(huán)第3次之后，催化活性出現(xiàn)明顯的降低，根據(jù)在[EMIM]BF4/苯兩相體系催化劑回收的結(jié)果顯示，金屬Rh流失量為5.87%，因此，認(rèn)為催化劑活性和對(duì)映體選擇性迅速喪失是由于Rh損失引起的催化劑失活。

為了克服Rh損失的問題。將n(配體)∶n(Rh)增加至原來的2倍，同時(shí)將反應(yīng)時(shí)間延長為之前的2倍，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 Rh-配體Ⅲ在[EMIM]BF4/苯兩相體系中的循環(huán)1)

由表3可知，底物的轉(zhuǎn)化率得到了極大地提升，前3次循環(huán)過程中轉(zhuǎn)化率呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，主要原因是由于增加了配體的量，使得配體將貴金屬Rh包裹的更加嚴(yán)密，占據(jù)了底物在金屬螯合配體上的位置，使得底物與Rh配位的機(jī)會(huì)降低，所以會(huì)導(dǎo)致剛開始轉(zhuǎn)化率低。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，過量的配體在循環(huán)過程中部分被氧化分解，致使與Rh金屬螯合的配體量降低，進(jìn)而提升了底物與催化劑螯合的機(jī)會(huì)，底物轉(zhuǎn)化率得到提升。在第3次循環(huán)后，轉(zhuǎn)化率達(dá)到最高值，并且對(duì)映選擇性仍然保持較高的水平。催化劑在循環(huán)5次以后轉(zhuǎn)化率和選擇性略有降低，但也保持與表2中相當(dāng)?shù)拇呋钚?。?中銠流失為3.1%，比表2低，是由于過量的手性膦配體與Rh結(jié)合的更加緊密，有效降低Rh損失，從而提高了手性催化劑的可回收性能。

3 結(jié) 論

將膦配體Ⅰ～Ⅴ應(yīng)用于Rh在咪唑基離子液體/苯兩相體系的不對(duì)稱氫化酮基泛內(nèi)酯反應(yīng)，考察不對(duì)稱氫化酮基泛內(nèi)酯的規(guī)律，實(shí)現(xiàn)催化劑的循環(huán)利用。結(jié)果顯示，對(duì)于帶有氨基酸標(biāo)記的配體，其在氨基酸中的手性中心位置對(duì)其催化效率有至關(guān)重要的影響。隨著氨基酸手性中心遠(yuǎn)離吡咯烷環(huán)，催化活性和對(duì)映體的選擇性下降，這可能是由于氨基酸中手性中心與Rh之間的負(fù)相互作用。配體Ⅲ在[EMIM]BF4/苯兩相體系下的催化活性和對(duì)映選擇性相對(duì)最高。循環(huán)實(shí)驗(yàn)表明，n(配體)∶n(Rh)能增加催化劑的穩(wěn)定性，降低金屬Rh的流失，在[EMIM]BF4/苯兩相體系下催化劑回收循環(huán)5次仍能夠保持較高的催化活性和對(duì)映選擇性。