酸活化生物質(zhì)制備負(fù)載型手性salen Co (Ⅱ)/活性炭催化劑及其催化活性初探

楊一思，徐心悅，石會(huì)麗，張龔

(1.催化材料制備及應(yīng)用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 黃岡 438000；2.黃岡師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，湖北 黃岡 438000)

S-環(huán)氧氯丙烷是一種重要的三碳手性合成子，在醫(yī)藥、農(nóng)藥、化工、材料等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。特別是近年來(lái)手性藥物行業(yè)發(fā)展迅猛，使得S-環(huán)氧氯丙烷作為一種重要醫(yī)藥中間體的地位更加突出[1]。1997年，Jacobsen小組首次成功地把水解動(dòng)力學(xué)拆分技術(shù)運(yùn)用于外消旋末端環(huán)氧化合物的拆分，取得了令人鼓舞的結(jié)果[2]。在salen (Co)(Ⅲ)(OAc)的催化下，對(duì)外消旋環(huán)氧氯丙烷進(jìn)行水解， S-環(huán)氧氯丙烷的ee值(對(duì)映體過(guò)量百分率)達(dá)到98%，產(chǎn)率也可達(dá)到了40%。從此，工業(yè)化拆分環(huán)氧氯丙烷使用的就是此催化劑。但由于此催化劑為均相催化劑，雖然在反應(yīng)體系中溶解度好，反應(yīng)速度快，拆分效果較好，但催化劑無(wú)法回收，不僅造成了生產(chǎn)成本增加，還導(dǎo)致副產(chǎn)品——R-氯甘油的污染，繼而產(chǎn)生一些固廢。

為了解決此問(wèn)題，催化劑固載就成為催化劑回收再利用的一個(gè)方法。相對(duì)于有機(jī)載體，無(wú)機(jī)載體具有物理、化學(xué)性質(zhì)更加穩(wěn)定，成本低的特點(diǎn)[3]。常見的無(wú)機(jī)載體包括硅基材料(如MCM-41[4]，SBA-15[5]等)、金屬氧化物(如氧化鋁[6])和碳材料(如活性炭[7])，其中活性炭材料是最為引人注目的。它具有便宜易得，比表面積大，吸附性強(qiáng)，不溶于有機(jī)溶劑，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，是一種非常理想的催化劑載體[8]。而使用活性炭作為載體制備負(fù)載型催化劑，常用的方法為浸漬法[9]和離子交換法[10]。這兩種方法制備的負(fù)載型催化劑都有一個(gè)弊端，即催化劑在活性炭上負(fù)載不牢固，其一，容易污染反應(yīng)體系，不利于反應(yīng)的后處理；其二，催化劑重復(fù)使用時(shí)，催化效能急劇下降，從而無(wú)法重復(fù)使用。生物質(zhì)通過(guò)酸或堿等活化劑反應(yīng)來(lái)改變內(nèi)部空間碳骨架結(jié)構(gòu)，刻蝕造孔提高孔容和比表面積，但使用大多為質(zhì)子酸和無(wú)機(jī)堿，也會(huì)通過(guò)摻雜的方式，在多孔炭材料中引入雜原子，但雜原子大多為N、O、S、B、P等，過(guò)渡金屬很少[11]。

為了克服上述問(wèn)題，本文采用在生物質(zhì)——蓮子殼制備活性炭過(guò)程中，使用無(wú)機(jī)酸——磷酸和路易斯酸——醋酸鈷雙重對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行活化，而后燒制成活性炭，此時(shí)生物質(zhì)造孔的同時(shí)，金屬離子就固載在制備好的活性炭孔道壁中。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

無(wú)機(jī)酸——磷酸和路易斯酸——醋酸鈷雙重對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行活化，而后燒制成活性炭(圖1)，此種制備的負(fù)載金屬離子的活性炭，金屬離子不易流失，且有一定的吸附性，可以有效地吸附反應(yīng)底物，提高反應(yīng)速度，再加入手性配體，通過(guò)配體與金屬離子形成離子鍵和配位鍵，從而形成負(fù)載型手性salen Co(Ⅱ)催化劑(圖2)，以期獲得具有較高催化活性、能多次重復(fù)使用的負(fù)載型salen Co(Ⅱ)催化劑。

圖1 負(fù)載型salen Co(Ⅱ)催化劑制備過(guò)程

圖2 環(huán)氧氯丙烷的手性拆分反應(yīng)

1.2 儀器與試劑

儀器： RE-52型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器(上海亞榮生化儀器廠)、Agilent6820氣相色譜儀、WZZ-1自動(dòng)旋光儀、IRTracer-100傅立葉變換紅外光譜儀、Zeiss Supra55掃描電鏡， Brucker-300 MHz核磁儀。

藥品：磷酸、環(huán)氧氯丙烷、1,2-環(huán)己二胺、L-酒石酸、乙酸、四水醋酸鈷、3,5-二叔丁基水楊醛、碳酸鉀、甲醇均為分析純?cè)噭?，由中?guó)國(guó)藥集團(tuán)生產(chǎn)；對(duì)照品：產(chǎn)物Ⅰ、產(chǎn)物Ⅱ、產(chǎn)物Ⅲ(湖北黃岡華陽(yáng)藥業(yè)有限公司提供)；蓮子殼為黃岡地區(qū)產(chǎn)。

1.3 催化劑的合成

1.3.1活性炭的制備

將蓮子殼洗凈烘干，用粉碎機(jī)粉碎，過(guò)80目篩得到蓮子殼粉。稱量5 g蓮子殼粉于小燒杯中，加入5 mL去離子水。依據(jù)本課題組前期研究結(jié)果[12]， 磷酸與蓮子殼粉的質(zhì)量比1∶1，所得到的活性炭的形態(tài)及吸附性最好；因此，本實(shí)驗(yàn)將按照質(zhì)量比1∶x∶1，稱量5 g磷酸和四水醋酸鈷xg，倒入燒杯中，與燒杯內(nèi)糊狀蓮子殼粉混合備用。

將取好備用的混合物放入水熱反應(yīng)釜中，在110 ℃下12 h，然后放入110 ℃烘箱，烘24 h后將其在研缽中研磨成粉末。制備出活化過(guò)的蓮子殼粉固體。所得產(chǎn)物放入到瓷坩堝中(蓋上坩堝蓋，向其內(nèi)通1min的氬氣，并用錫箔紙包裹)，放入馬弗爐中，程序升溫10 ℃/min升溫，在800 ℃下灼燒2 h，后自然降溫。燒制完后倒入小燒杯，樣品用1 mol·L-1的鹽酸超聲洗滌1次，隨之用熱水洗滌1次，用去離子水洗，至洗滌液中性且無(wú)色，真空烘干得到相應(yīng)得到活性炭。x=0.5、1.5、1時(shí)，活化后制備的活性炭分別命名為活性炭①、活性炭②和活性炭③，產(chǎn)率分別為76%、68%、72%。

1.3.2手性salen配體的制備

1.3.3負(fù)載型salen Co(Ⅱ)催化劑Ⅲ的制備

在燒瓶中稱取1 g活性炭①、②、③，再加入5 g手性salen配體，50 mL乙醇，回流反應(yīng)4 h，過(guò)濾，用乙醇對(duì)濾餅進(jìn)行多次洗滌，直到洗滌液無(wú)色為止，將固體放入到真空干燥中80 ℃干燥12 h。得到負(fù)載型salen Co(Ⅱ)催化劑①、催化劑②和催化劑③。

1.4 環(huán)氧氯丙烷水解拆分及重復(fù)使用實(shí)驗(yàn)

在50 mL的三口燒瓶中，加入30 mL外消旋環(huán)氧氯丙烷，0.6 g salen Co(Ⅱ)催化劑和0.53 g冰乙酸，攪拌下通入空氣，在10 ℃下反應(yīng)半小時(shí)，溶液逐漸變黑。半小時(shí)后，在10 ℃下滴加入4 mL蒸餾水，滴完后，室溫反應(yīng)12小時(shí)，即到達(dá)終點(diǎn)。

將反應(yīng)液過(guò)濾，得到催化劑濾餅和深褐色液體濾液。對(duì)濾液進(jìn)行減壓蒸餾，收集的產(chǎn)物為(S)-環(huán)氧氯丙烷和水的混合物，對(duì)混合物進(jìn)行分液，得到目標(biāo)產(chǎn)物(S)-環(huán)氧氯丙烷。稱重，計(jì)算收率，通過(guò)氣相色譜法，測(cè)定其ee值。催化劑60 ℃真空干燥，無(wú)需其他處理，直接應(yīng)用于下步催化拆分實(shí)驗(yàn)中。

1.5 檢測(cè)表征

1.5.1傅里葉紅外光譜表征

將樣品在真空烘箱中充分脫水干燥后，與適量色譜級(jí)溴化鉀研磨混合均勻，用壓片機(jī)壓片后，采用IRTracer-100傅立葉變換紅外光譜儀對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行表征，測(cè)試條件：掃描波長(zhǎng)4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1。

1.5.2掃描電鏡表征

使用場(chǎng)發(fā)射SEM對(duì)樣品的表面微觀形貌和結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行表征。SEM成像條件：Vacc=0.1～30 kV，WD=0.1～45 mm，束流為20nA，圖像采集時(shí)間為40 s，自動(dòng)設(shè)置的圖像對(duì)比度和亮度為30%和50%。

1.5.3氣相色譜檢測(cè)

Agilent6820氣相色譜儀，檢測(cè)器為氫火焰離子化檢測(cè)器(FID)。色譜柱： SUPELCO EDXTM225石英毛細(xì)管柱，規(guī)格為30M×0.25μm×0.25 mm。載氣流速(高純氮)120 kPa，分流比10∶1。將S-環(huán)氧氯丙烷樣品用甲醇以體積比1∶100進(jìn)行稀釋，進(jìn)氣相進(jìn)行測(cè)定。柱溫：60 ℃，輔助Ⅰ溫度：160 ℃， 檢測(cè)器溫度：160 ℃，進(jìn)樣量：0.1 μL ，S-環(huán)氧氯丙烷出峰時(shí)間8.0 min，R-環(huán)氧氯丙烷出峰時(shí)間8.6 min。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅外譜圖數(shù)據(jù)分析

由紅外光譜圖(圖3)可知，催化劑①、催化劑②和催化劑③重合了手性配體的大部分特征吸收峰，可見手性催化劑都固載在活性炭上了。由于金屬鈷離子的d空軌道與C=N雙鍵的配位作用導(dǎo)致催化劑③的苯環(huán)上的C=C骨架伸縮振動(dòng)發(fā)生了很明顯的紅移(表1)，說(shuō)明salen Co制備較好。反觀催化劑①和催化劑②的苯環(huán)上的C=C骨架伸縮振動(dòng)并未發(fā)生改變，可見催化劑③通過(guò)金屬鈷進(jìn)入活性炭骨架，并鍵連配體得到的催化劑固載效果更好。之所以催化劑③有明顯的紅移，可能因其金屬離子負(fù)載的較多，從而最終負(fù)載的催化劑也是最多的，而催化劑①、催化劑②由于金屬離子負(fù)載量較少，實(shí)際的負(fù)載催化劑量很少，從而沒(méi)有明顯的紅移，此結(jié)果也和后面的催化應(yīng)用效果相一致。

表1 手性配體及催化劑的部分紅外特征吸收峰

2.2 SEM圖譜分析分析

從SEM圖譜圖4可知，催化劑①和②中活性炭的造孔效果不理想，雖孔道中固載了salen Co(Ⅱ)催化劑，且量較少。相對(duì)比于催化劑①和②，可以非常清晰地看到催化劑③中的活性炭造孔效果更好，且有大量的salen Co(Ⅱ)催化劑能均勻的分布在活性炭孔道中，固載效果最佳。

催化劑①

2.3 催化劑對(duì)環(huán)氧氯丙烷的拆分活性及重復(fù)使用效果

催化劑對(duì)環(huán)氧氯丙烷進(jìn)行手性拆分，結(jié)果如表2所示。從表2中結(jié)果可知，催化劑①和催化劑②的ee值和收率都較低，而催化劑③的ee值卻達(dá)到了99%，收率也高出很多。此結(jié)果與前面我們對(duì)催化劑①、催化劑②和催化劑③的紅外表征和SEM表征結(jié)果向吻合，說(shuō)明催化劑③的載體造孔效果更好，salen Co(Ⅱ)固載的量也是最多的。催化劑③在重復(fù)使用時(shí)，第一次重復(fù)使用時(shí)，收率下降有點(diǎn)大，說(shuō)明有少量催化劑固載得并不牢固，但ee值依舊有99%，說(shuō)明催化劑反應(yīng)活性保持較好，而第二次重復(fù)使用時(shí)，收率基本保持，而ee值也保持很高(97%)，證明在催化劑③中salen Co(Ⅱ)固載的牢固程度很強(qiáng)，利于重復(fù)使用，利于工業(yè)化。之所以催化劑①、催化劑②和催化劑③的催化活性差別很大，可能源于蓮子殼活化過(guò)程中的磷酸和醋酸鈷的比例不同而引起的。當(dāng)醋酸鈷的量較少時(shí)(催化劑①)，金屬離子負(fù)載量低，從而導(dǎo)致催化劑的負(fù)載量不高，從而催化活性低；而醋酸鈷的量太高時(shí)(催化劑②)，會(huì)影響活化劑對(duì)生物質(zhì)的造孔，孔道中太多的金屬離子導(dǎo)致孔道的堅(jiān)固程度變低，孔道容易塌陷等，實(shí)際負(fù)載的金屬離子減少，從而導(dǎo)致催化活性變低(圖5)。

表2 催化劑對(duì)環(huán)氧氯丙烷的拆分及重復(fù)使用

消旋環(huán)氧氯丙烷

通過(guò)磷酸和路易斯酸共同活化生物質(zhì)，簡(jiǎn)易方法燒制Co2+活性炭，絡(luò)合手性salen配體后制備出負(fù)載手性salen Co(Ⅱ)催化劑，使用紅外、SEM等對(duì)催化劑進(jìn)行了表征，并結(jié)合催化劑對(duì)環(huán)氧氯丙烷拆分和重復(fù)使用結(jié)果，證實(shí)了磷酸、四水醋酸鈷、蓮子殼粉質(zhì)量比1∶1∶1時(shí)，所得到負(fù)載型催化劑③的載體孔道、負(fù)載量、負(fù)載的牢固程度是最好的。此方法為salen Co(Ⅱ)催化劑固載開辟了一條新的路徑，而載體的低成本也使其具有很好的工業(yè)化應(yīng)用前景。