王 磊，彭家建，白 贏，厲嘉云，肖文軍，陳 峰，來國橋

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

水滑石負(fù)載手性席夫堿催化酮不對稱硅氫加成

王 磊，彭家建，白 贏，厲嘉云，肖文軍，陳 峰，來國橋

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

以水滑石為載體，負(fù)載一系列手性α-氨基酸席夫堿來催化潛手性酮硅氫加成反應(yīng)，繼而水解得到手性二級醇.結(jié)果表明，在催化苯乙酮和三乙氧基硅烷的硅氫加成反應(yīng)中，轉(zhuǎn)化率達(dá)95%以上，ee值達(dá)57%.

不對稱催化硅氫加成; 潛手性酮; α-氨基酸席夫堿; 水滑石

光學(xué)活性醇在藥物、農(nóng)藥、香料等精細(xì)化工方面的應(yīng)用十分廣泛，找到一種經(jīng)濟(jì)高效的合成方法是一項非常有意義的研究.又由于潛手性酮是一類非常常見的還原底物，因此潛手性酮不對稱還原制備光學(xué)活性醇引起了學(xué)術(shù)研究和工業(yè)應(yīng)用的濃厚興趣[1-4].潛手性酮的不對稱硅氫加成反應(yīng)是潛手性酮不對稱還原方法之一，即潛手性酮在催化劑作用下先和含氫硅烷形成硅醚，然后經(jīng)過水解作用，得到高純度、高立體選擇性的二級醇.與以銠作催化劑的不對稱催化加氫反應(yīng)和以手性硼氫烷或手性噁唑硼氫試劑還原酮的兩種成熟方法相比，不對稱硅氫加成反應(yīng)表現(xiàn)出操作程序簡便、氫硅烷便宜、穩(wěn)定、無毒等優(yōu)異性能[5].在潛手性酮的不對稱催化方面，已經(jīng)研發(fā)出了多種不對稱硅氫加成反應(yīng)金屬催化劑，此類方法具有條件溫和、轉(zhuǎn)化率高、無需耐高壓技術(shù)、可操作性強等優(yōu)點，已經(jīng)得到了一定程度上的工業(yè)應(yīng)用[6-9].已有的研究結(jié)果表明，水滑石負(fù)載叔丁醇鉀對苯乙酮硅氫加成反應(yīng)有很好的催化效果.水滑石中加入鋅、銅元素可以明顯提高催化劑活性.當(dāng)n(Zn)∶n(Mg)∶n(Al)為2∶1∶1時，Zn-Mg-Al-O-t-Bu催化苯乙酮硅氫加成的轉(zhuǎn)化率達(dá)到99.0%.當(dāng)n(Cu)∶n(Mg)∶n(Al)=2∶1∶1時，Cu-Mg-Al-O-t-Bu催化苯乙酮的轉(zhuǎn)化率達(dá)到98.0%[10].本課題組的研究表明α-氨基酸水楊醛席夫堿配體與二乙基鋅催化劑體系催化苯乙酮的不對稱硅氫加成反應(yīng)時，立體選擇性可以達(dá)到96%，這是目前鋅催化體系催化苯乙酮的不對稱硅氫加成反應(yīng)中最高的光學(xué)選擇性，同時產(chǎn)率也達(dá)到了71%[11].

本文報道以水滑石為載體負(fù)載α-氨基酸水楊醛席夫堿催化潛手性酮不對稱硅氫加成，繼而水解合成手性二級醇，詳細(xì)考察了反應(yīng)溫度、溶劑、不同硅烷等對硅氫加成反應(yīng)的影響.

1 實驗部分

1.1 主要試劑及儀器

1H NMR和13C NMR在Bruker400MHz(用DMSO-d6為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo)，以ppm為單位)上測定.紅外色譜用Nicolet-5700 FT-IR測定.氣相色譜儀使用上?？苿?chuàng)色譜儀器有限公司生產(chǎn)的GC9800，毛細(xì)管柱為CP-ChiralSil-Dex CB 柱.高效液相色譜用Waters公司的高效液相色譜儀測定，手性柱為Chiralcel OD.

3,5-二叔丁基水楊醛和所有的α-氨基酸均購自安耐吉試劑公司，叔丁醇鉀、硝酸鎂、硝酸鋁、氫氧化鈉、硝酸鋅、硝酸銅等以及所需溶劑均從國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司購置，硅膠(100～200 mesh)產(chǎn)自青島海洋化工有限公司.

1.2 Zn-Mg-Al水滑石的制備[10,12]

將一定量的硝酸鋅、硝酸鎂和硝酸鋁混合物(物質(zhì)的量比為2∶1∶1)溶解在100 mL蒸餾水中.室溫，氮氣保護(hù)下，攪拌狀態(tài)下滴加2 mol/L的NaOH溶液，直至溶液pH為10.攪拌反應(yīng)2 h，然后過濾，80 ℃干燥即制備得到水滑石.

1.3 α-氨基酸席夫堿的制備[11]

席夫堿1～6(圖1)的制備：以L-纈氨酸3,5-二叔丁基水楊醛席夫堿為例介紹1～6的合成方法.在100 mL的燒瓶中，加入0.31 g (5.5 mmol) KOH和15 mL甲醇攪拌使其溶解，并保持在冰水浴中，再向溶液中加入5.5 mmol的 L-纈氨酸，充分?jǐn)嚢枋蛊淙咳芙?加入5 mmol 3,5-二叔丁基水楊醛甲醇(15 mL)溶液，溶液立刻變成亮黃色，再繼續(xù)攪拌2 h停止反應(yīng).反應(yīng)液用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀旋干，所得固體用正己烷(10 mL)-乙醚(10 mL)混合液溶解，過濾除去不溶的雜質(zhì)，濾液旋蒸除去溶劑，得到亮黃色粉末狀固體L-纈氨酸水楊醛席夫堿，把配體貯存于CaCl2的干燥器中.

圖1 Schiff 堿結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structures of Schiff base ligands prepared

2 結(jié)果與討論

2.1 合成產(chǎn)物的核磁表征

氨基酸席夫堿的氫譜和碳譜數(shù)據(jù)如下.

席夫堿1：Yellow powder, Yield, 1.5 g (81%);1H NMR (DMSO-d6, 400 MHz) δ 8.253 (s, 1H), 7.161 (d,J= 2.4 Hz, 2H), 3.375 (d,J= 5.2 Hz,1H), 2.191～2.289 (m, 1H), 1.361 (s, 9H), 1.233 (s, 9H), 0.859 (bm, 3H), 0.841 (bm, 3H);13C NMR (DMSO-d6, 100 MHz), δ 173.14, 164.77, 162.48, 137.58, 137.01, 126.28, 117.54, 79.08, 35.04, 34.14, 31.77, 31.40, 29.78, 20.8, 18.92.

席夫堿2：Yellow powder, Yield, 1.5 g (81%);1H NMR (DMSO-d6, 400 MHz) δ 8.251 (s, 1H), 7.160 (d,J= 2.4 Hz， 2H), 3.374 (d,J= 5.2 Hz, 1H), 2.191～2.289 (m, 1H), 1.360 (s, 9H), 1.232 (s, 9H), 0.859 (s, 3H), 0.841 (s, 3H);13C NMR (DMSO-d6, 100 MHz), δ 173.12, 164.75, 162.49, 137.55, 137.01, 126.26, 117.53, 79.07, 35.04, 34.13, 31.76, 31.40, 29.76, 20.8, 18.92.

席夫堿3：Yellow powder, Yield, 1.6 g (83%);1H NMR (DMSO-d6, 400 MHz) δ 8.267 (s, 1H), 7.163 (d,J= 2.0 Hz，2H), 3.457 (d,J= 5.6 Hz, 1H), 1.978～2.040 (m, 1H), 1.358 (s, 9H), 1.232 (s, 9H), 1.025～1.069 (m, 2H), 0.855 (m, 3H), 0.838 (m, 3H);13C NMR (DMSO-d6, 100 MHz), δ 173.45, 164.75, 162.33, 137.63, 136.97, 126.24, 117.60, 78.56, 38.05, 35.01, 34.09, 31.74, 29.78, 25.27, 16.94, 12.01.

席夫堿4：Yellow powder, Yield, 1.3 g (76%);1H NMR (DMSO-d6, 400 MHz) δ 8.335 (s, 1H), 7.164 (d,J= 2.4 Hz，2H), 3.757 (t,J= 6.8 Hz,1H), 1.358 (s, 9H), 1.358 (bm, 3H), 1.236 (s, 9H);13C NMR (DMSO-d6, 100 MHz), δ 173.89, 164.19, 162.83, 137.44, 137.20, 126.61, 126.40, 117.42, 66.67, 35.04, 34.15, 31.77, 29.79, 20.92.

席夫堿5：Yellow powder, Yield, 1.5 g (78%);1H NMR (DMSO-d6, 400 MHz) δ 8.342 (s, 1H), 7.179 (d,J= 2.4 Hz，2H), 3.701 (dd,J1= 4.8 Hz,J2= 4 Hz, 1H), 1.572～1.731 (m, 2H), 1.468～1.571 (m, 1H), 1.354 (s, 9H), 1.233 (s, 9H), 0.879 (d,J= 6.8 Hz, 3H), 0.842 (d,J= 6.4 Hz, 3H);13C NMR (DMSO-d6, 100 MHz), δ 174.14, 164.76, 161.54, 137.97, 136.74, 126.30, 117.78, 71.30, 43.47, 34.99, 34.12, 31.76, 29.77, 25.07, 23.93, 22.12.

席夫堿6：Yellow powder, Yield, 1.6 g (83%);1H NMR (DMSO-d6, 400 MHz) δ 8.342 (s, 1H), 7.179 (d,J= 2.4 Hz，2H), 3.701 (d,J= 4.8 Hz,1H), 1.572～1.730 (m, 1H), 1.468～1.570 (m, 1H), 1.354 (s, 9H), 1.233 (s, 9H), 0.879 (d,J= 6.8 Hz, 3H), 0.841 (d,J= 6.4 Hz, 3H);13C NMR (DMSO-d6, 100 MHz), δ 173.34, 164.77, 161.48, 137.58, 136.71, 126.30, 117.77, 71.30, 43.47, 34.98, 34.12, 31.75, 29.78, 25.06, 23.92, 22.12.

2.2 合成水滑石的紅外表征

合成的水滑石的紅外表征如圖2所示.

圖2 制備水滑石紅外測試圖Fig. 2 IR of hydrotalcite

3 催化酮的不對稱硅氫加成反應(yīng)

圖3 酮的硅氫加成反應(yīng)式Fig. 3 Asymmetric hydrosilylation of ketone with silan

3.1 催化劑的制備

將制備的水滑石、α-氨基酸水楊醛席夫堿以及叔丁醇鉀按照一定的比例(1.0 g水滑石+1.0 g配體+0.3 g叔丁醇鉀)在THF溶液中攪拌5 h，減壓除去溶劑即可得到催化劑.

表1 不同溶劑和溫度對硅氫加成反應(yīng)的影響Tab. 1 Solvent and temperature screening for the asymmetrichydrosilylation

反應(yīng)條件:苯乙酮1.0 mmol，三乙氧基硅烷2.5 equiv.，催化劑0.03 g,四氫呋喃/叔丁醇(V(四氫呋喃)/V(叔丁醇),3∶0.4),室溫下反應(yīng),24 h；a：分離產(chǎn)率；b：立體選擇性，用裝有CP-ChiralSil-Dex CB柱的氣相測得.

3.2 不同溶劑和溫度對硅氫加成反應(yīng)的影響

以三乙氧基氫硅烷為氫源、THF/t-BuOH(V(THF)/V(t-BuOH)=3∶0.4)為溶劑的條件下，用纈氨酸席夫堿/Zn-Mg-Al水滑石催化苯乙酮的不對稱硅氫加成反應(yīng)，結(jié)果列于表1.可見，不同溶劑對苯乙酮的不對稱硅氫加成反應(yīng)有一定的影響.四氫呋喃作為溶劑時，效果最好，這大概和四氫呋喃的極性適中有關(guān).無溶劑時，苯乙酮加氫反應(yīng)的產(chǎn)率和立體選擇性都較差，這可能是反應(yīng)物不能充分接觸所致.表中結(jié)果還表明高溫對于立體選擇性有較大影響，而低溫下催化劑活性很低，在室溫下效果最佳，這也是該系列催化劑的一大亮點.

3.3不同席夫堿制備的催化劑對硅氫加成反應(yīng)的催化性能

以三乙氧基氫硅烷為氫源，THF/t-BuOH(V(THF)/V(t-BuOH)=3∶0.4)為溶劑，在室溫下，用席夫堿1～6/Zn-Mg-Al水滑石催化苯乙酮的不對稱硅氫加成反應(yīng)，結(jié)果列于表2.可以發(fā)現(xiàn)這類催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能，席夫堿扮演著非常重要的作用，其中以1和2的催化效果最好，不對稱選擇性分別達(dá)到57%和52%，而其它的立體選擇性則相對差一些.

表2 不同席夫堿/水滑石催化劑催化硅氫加成反應(yīng)

反應(yīng)條件:苯乙酮1.0 mmol，三乙氧基硅烷2.5 equiv.，催化劑0.03 g,四氫呋喃/叔丁醇(V(四氫呋喃)/V(叔丁醇),3∶0.4),室溫下反應(yīng),24 h；a：分離產(chǎn)率；b：立體選擇性，用裝有CP-ChiralSil-Dex CB柱的氣相測得.

表3 三乙氧基氫硅烷用量及其它不同氫硅烷對反應(yīng)的影響

反應(yīng)條件:苯乙酮1.0 mmol，催化劑 0.03 g,四氫呋喃/叔丁醇(V(四氫呋喃)/V(叔丁醇),3∶0.4),室溫下反應(yīng),24 h；a：分離產(chǎn)率；b:立體選擇性,用裝有CP-ChiralSil-Dex CB柱的氣相測得.

3.4 三乙氧基氫硅烷用量及其它不同氫硅烷對反應(yīng)的影響

選用席夫堿1/水滑石,在室溫條件下催化苯乙酮的不對稱硅氫加成反應(yīng)，考察三乙氧基硅烷用量及不同氫硅烷對反應(yīng)的影響，結(jié)果見表3.結(jié)果表明，苯乙酮的轉(zhuǎn)化率隨著三乙氧基硅烷用量的增加而增加，n(三乙氧基硅烷)/n(苯乙酮)=2.5時，苯乙酮產(chǎn)率達(dá)到71%.三乙氧基硅烷、三甲氧基硅烷與苯乙酮加成反應(yīng)具有較高的產(chǎn)率，并且反應(yīng)的不對稱選擇性沒有太大的區(qū)別，而三乙基硅烷、二甲基苯基硅烷和苯乙酮沒有反應(yīng).這可能是因為相對于乙基、甲基而言，三乙氧基、三甲氧基更加容易使Si上的氫解離.

4 結(jié) 論

本研究合成了一系列新型的α-氨基酸水楊醛席夫堿，并將其負(fù)載到水滑石，進(jìn)而催化潛手性酮不對稱硅氫加成反應(yīng).結(jié)果發(fā)現(xiàn)這類催化劑有較高的催化活性和立體選擇性，尤其是當(dāng)使用L-纈氨酸與3,5-二叔丁基水楊醛合成的席夫堿作為配體，與Zn-Mg-Al水滑石組成的負(fù)載型催化劑催化苯乙酮的不對稱硅氫加成反應(yīng)時，不對稱選擇性ee值可以達(dá)到57%，產(chǎn)率達(dá)到95%.同時探究了反應(yīng)溫度、不同硅烷和溶劑對催化反應(yīng)的影響.這一類新型的席夫堿/水滑石催化體系具有廉價、合成簡單、催化效率(產(chǎn)率和光學(xué)選擇性)高、反應(yīng)條件溫和、較環(huán)保等一系列優(yōu)點.

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AsymmetricHydrosilylationofProchiralKetoneCatalyzedwithSchiffBaseSupportedonHydrotalcite

WANG Lei, PENG Jiajian, BAI Ying, LI Jiayun, XIAO Wenjun, CHEN Feng, LAI Guoqiao

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

The exploration for economical and effective synthesis methods of chiral alcohols is a rewarding research, owing to the numerous applications in the fields of pharmaceuticals, flavors, cosmetics and agrochemicals. Using a new method with a series of chiral α-amino acid schiff base supported on hydrotalcite as catalyst to catalyze the prochiral ketones hydrosilylation reaction, chiral secondary alcohols were obtained after the hydrolysis. The results indicate that the conversation rate is above 95% andeevalue is up to 57% in the hydrosilylation of catalyzing acetophenone and triethoxysilane.

catalytic asymmetric hydrosilylation; prochiral ketones; α-amino acid schiff base; hydrotalcite

2013-09-11

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目(21203049).

彭家建(1966—)，男，研究員，博士，主要從事催化化學(xué)研究.E-mail：jjpeng@hznu.edu.cn

10.3969/j.issn.1674-232X.2013.06.001

TQ426.6

A

1674-232X(2013)06-0481-05