_不飽和羰基化合物中共軛碳碳雙鍵的有機小分子選擇性催化還原

1、化學試劑 , 2010, 32(3 , 227230; 260, -不飽和羰基化合物中共軛碳碳雙鍵的有機小分子選擇性催化還原李建惠 , 王周玉 *, 蔣珍菊 , 蔣勝前(西華大學 制藥工程系 , 四川 成都 610039摘要 : , -不飽和 羰基化合物的選擇性還原具有很重要的應用意義 , 同 時具有很大挑戰(zhàn)性 , 利用有機小分子催 化劑、 以 二 氫吡啶酯為氫源可以高化學選擇性、 高對映選擇性地催 化還原 , -不飽和羰基化 合物的共 軛雙鍵。綜述 了有機小分 子 催化劑在 , -不飽和醛、 酮、 酯以及串聯(lián)反 應中 共軛碳 碳雙 鍵選擇 性催 化還 原的研 究進 展 , 總結了 每一 催化

2、體 系的 優(yōu) 缺點。關鍵詞 :有機小分子催化劑 ; 不飽和羰基化合物 ; 二氫吡 啶酯 ; 催化還原中圖分類號 :O621. 3; O643. 3 文 獻標識碼 :A 文章編號 :0258-3283(2010 03-0227-04收稿日期 :2009-05-10基金項目 :四川省教育廳青 年基金資 助項目 (09205035 ; 四 川省重點學科項目和西華大學人才培養(yǎng)基金項目 (R0720523 。 作者簡介 :李建惠 (1986- , 女 , 四川 瀘州人 , 碩 士 , 主要從 事 不對稱氫化還原反應是學術界研究最廣、 工 業(yè)上應用最廣的反應之一 , 2001年諾貝爾化學獎 授予了兩位該領

3、域的科學家 , 足以證明氫化還原 反應的重要性。在過去的幾十年中 , 利用金屬催 化前手性碳碳、 碳氮、 碳氧雙鍵的不對稱還原研究 取得了很大進展1, 2。但是 , 對于 , -不飽和羰基化合物中共軛碳碳雙鍵的選擇性還原還存在一 定的局限性 , 原因在于碳碳雙鍵和羰基都很容易 發(fā)生還原反應 , 一般的試劑選擇性低 , 兩個官能團 會同時發(fā)生還原。特別對于 , -不飽和醛類化 合物 , 由于醛基對很多試劑敏感 , 因此 , 至今 , 高化 學選擇性地催化還原不飽和醛的方法幾乎沒有 , 所報道的還原方法都需要化學計量的試劑、 高溫 ,而且選擇性低 3-5。同時 , 隨著工業(yè)化大生產(chǎn) , 金屬催化劑

4、暴露出其自身存在的缺點 :價格昂貴、 反 應條件苛刻、 易產(chǎn)生環(huán)境污染等。所以尋找價格 便宜、 反應條件溫和、 底物適用范圍廣的新型催化 劑具有重要的理論和實際應用意義。最近幾年一種新型的無金屬有機小分子催化 劑得到迅猛發(fā)展 , 由于它制備簡單、 價格便宜、 性 能穩(wěn)定、 催化反應條件溫和、 可以固載化 , 受到了 各國科學家的重視 , 在很多反應中都取得了突破 性進展6-13。利用有機小分子催化 劑、 以二氫吡啶酯為氫源 , 也可以高化學選擇性、 高對映選擇性 地催化還原 , -不飽和羰基化合物的共軛雙鍵。 本文將介紹有機小分子催化劑在 , -不飽和醛、 酮、 酯以及串聯(lián)反應中共軛碳碳雙鍵選

5、擇性催化 用于 不飽和碳碳雙鍵選擇性還原的有機小分子催化劑和氫源T he organocatalysts and hydrogen sources used i n the selectively reduction of Cbonds in unsaturatedcarbonyl compounds1 , -不飽和醛中共軛碳碳雙鍵的還原 1 1 非手性酸非手性胺鹽催化劑2004年 , List 研究小組 14發(fā)現(xiàn)以二氫吡啶酯227第 32卷第 3期 李建惠等 : , -不飽和羰基化合物中共軛碳 碳雙鍵的有機小分子選擇性催化還原為氫源 , 非手性胺和非手性酸形成的鹽 (1 可以在 很溫和的條件

6、下高化學選擇性、 高效地催化還原 不飽和醛的共軛碳碳雙鍵 , 醛基不受影響。他們 對該反應進行了底物擴展 , 結果表明 , 對一系列不 飽和醛類 , 無論 位是單取代的芳香基還是脂肪 基或者是雙取代的不飽和醛化合物 , 該催化劑都 能以高產(chǎn)率 (81%96% 催化其共軛雙鍵 , 其他 官能團如硝基、 腈基、 獨立雙鍵均不受影響 , 同時 , 他們還利用了手性胺的三氟醋酸鹽對一 例 -雙 取代的不飽和醛的共軛雙鍵進行還原 , 得到了高 達 81%的對映選擇性。這是首次發(fā) 現(xiàn)的非金屬 催化氫化反應 , 該方法具有催化劑負載量低、 反應 條件溫和、 化學選擇性高等優(yōu)點。有機小分子催化劑 1催化 ,

7、-不飽和醛的還原 14The catalytic reducti on of , -unsaturated aldehydes wi thorganocatalyst 1141 2 非手性酸手性咪唑啉酮鹽催化劑同年 , Mac Millan 研究小組 15利用手性咪唑啉 酮的三氟醋酸鹽 (2 首次實現(xiàn)了 , -不飽和醛類 化合物的共軛雙鍵對映選擇性催化還原 , 他們以 二氫吡啶酯為氫源 , 利用催化量的手性咪唑啉酮 三氟醋酸鹽 (2 對一系列不飽和醛進行了催化還 原 , 無論 位連接的是芳香基、 烷基還是羰基 , 該 類催化劑對其共軛碳碳雙鍵都有很高的化學選擇 性和對映選 擇性 (90%97%

8、e e 。特別值得 一提的是 , E 、 Z 構型對產(chǎn)物的構型和對映選擇性 沒有影響 , 純構型或者是 E 、 Z 混合構型 , 都能得 到很高的對映選擇性 , 而且產(chǎn)物構型相同 , 這對于 底物構型控制產(chǎn)物構型的金屬催化來講是一巨大 優(yōu)勢。 只 是 該 催 化 體 系 的 催 化 劑 負 載 量 (20mol% 偏高 , 對部分底物的催化效率偏低 (催化時 間高達 72h 。有機小分子催化劑 2催化 , -不飽和醛的還原 15The catalytic reducti on of , -unsaturated aldehydes wi thorganocatalyst 2151 3 手性酸非

9、手性胺鹽催化劑 16鹽催化劑相反 , 2006年 , List 研究小組利用手性磷 酸和非手性胺形成的鹽 (3 作為合成 , -不飽和 醛類化合物的催化劑 , 同樣得到了很高的化學選擇性和對映選擇性。他們認為胺首先和底物形成 亞胺正離子 , 手性磷酸與亞胺正離子形成離子對 , 而進行手性控制的是離子對中的陰離子 , 這一新 的催化策略被稱之為 手性抗衡陰離 子導向催化 (Asymmetriccounteranion -directed catalysis(ACDC 。 他們利用這一催化策略對一系列不同的不飽和醛 進行了催化 , 對 位具有不同芳香基的不飽和醛 都能得到高的產(chǎn)率 (63%90%

10、和很高的對映選 擇性 (96%99%e e ; 同時 , 對于手性咪唑啉 酮鹽 (2 催化效果不好的檸檬醛 , 該催化體系也能 得到高達 90%的對映選擇性 , 其產(chǎn)物香茅醛是合 成薄荷醇的中間體 , 它本身也是一種香料。這是 首次利用 ACDC 催化策略催化碳碳雙鍵 , 雖然取 得了很好效果 , 但是 , 該催化體系對 位具有位 阻較大的脂肪族基團的底物效果不好 , 幾乎沒有 活性 , 同時 , 催化劑負載量偏高。有機小分子催化劑 3催化 , -不飽和醛的還原 16The catalytic reduction of , -unsaturated aldehydes wi thorganoc

11、atalyst 3161 4 手性多肽非手性酸鹽催化劑2008年 , Kudo 研究小 組 17, 18利 用樹 脂固載 的多肽三氟醋酸鹽 (4 作為催化劑、 二氫吡啶酯為 氫源在含水介質中對 , -不飽和醛進行還原 , 共 軛碳碳雙鍵可以選擇性地被還原 , 其他基團不受 影響 , 得 到 了很 高 的 對 映 選 擇 性 (90%96%e e , 多肽中亮氨酸 肽鏈對催化活 性和催化對 映選擇性都有很重要的作用。雖然該催化體系的 活性不高 , 收率偏低 (48h, 53%76% , 催化劑 負載量偏高 (20mol% , 但是 , 這是首次利用非金 屬催化 劑在含 水介質 中對 碳碳雙 鍵進

12、行 還原 ,有機小分子催化劑 4催化的 , -不 飽和醛的還原 17The catalytic reduction of , -unsaturated aldehydes wi th417228化 學 試 劑 2010年 3月該過程更類似酶在細胞里的催化。 2 , -不飽和酮中共軛碳碳雙鍵的還原2006年 , List 研究小組 19利用手性磷酸手性 氨基酸鹽 (5 對 , -不飽和酮進行了還原研究 , 對一系列催化劑篩選后 , 他們發(fā)現(xiàn)催化劑中手性 酸對產(chǎn)物的對映選擇性的影響大于手性胺 , 其中催化劑 5可以高對映選擇性還原共軛碳碳雙鍵 , 在二丁醚中 , 五元、 六元以及七元環(huán)狀不飽和酮都

13、 可 以 被 高 效 地 還 原 , 得 到 很 高 的 對 映 選 擇 性 (84%98%e e , 開環(huán)的不飽和酮也可以被還 原 , 但 只 有 中 等 的 對 映 選 擇 性 (70%84%e e 。這是利用有機小分子催化劑首次實現(xiàn)對 不飽和酮的共軛雙鍵的還原 , 同時催化劑的負載 量也得到了大大的降低 (5mol% , 只是催化時間 偏長 (48h 。有機小分子催化劑 5催化的 , -不飽和 酮的還原 19The catalytic reduction of , -unsaturated ketones wi thorganocatalyst 519幾乎 與 List 研 究 小 組

14、發(fā) 表 報 道 的 同 時 , Mac Millan 研究小組20也將他們的手性咪唑啉酮三氟醋酸鹽催化體系的應用拓展到了 , -不飽和酮的氫化還原上 , 他們發(fā)現(xiàn)原來對 , -不飽和 醛的催化有很高活性的催化劑對不飽和酮的催化 效果很差 , 在對手性咪唑啉酮進行修飾以及對一 系列的二氫吡啶酯進行篩選后 , 他們發(fā)現(xiàn)催化劑 6與二氫吡啶叔丁酯 9c 的配合可以高對映選擇 性地還原 , -不飽和酮。相對于 List 研究小組 的催化體系 , 該催化體系的反應時間大大縮短 , 絕 大部分反應在 24h 內能完成 , 部分反應在 1h 就 能得到較高的收率 , 不過 , 該催化體系催化劑負載 量偏高

15、(20mol% 。有機小分子催化劑 6催化 , -不飽和酮的還原20The catalytic reduction of , -unsaturated ketones wi th 6203 , -不飽和酯中共軛碳碳雙鍵的還原2008年 , List 研究小組 21利用硫脲 衍生物 7為催化劑、 二氫吡啶酯為氫源在甲苯中成功的對 , -不飽和酯的碳碳雙鍵進行了還原 , 得到了很 高的對映選擇性 (89%95%e e , 如圖所示 , R 基團可以是芳香基、 脂肪基 , 也可以是不飽和的其 他基團 , 催化劑 7都可以高對映選擇性地對其共 軛碳碳雙鍵進行還原 , 而其他基團不受影響。與 前述還原不

16、飽和醛酮不同的是 , 底物的立體構型 對產(chǎn)物的構型和對映選擇性的影響很大 , 不同構 型的底物得到不同構型的產(chǎn)物 , 若底物為混合構 型 , 得到的幾乎是消旋體。這是首次利用硫脲類 催化劑對碳碳雙鍵的還原 , 其產(chǎn)物經(jīng)過簡單的氫 化還原即可得到 -氨基酸 , 為 -氨基酸的制備提 供了一條簡便可行的路線。有機小分子催化劑 7催化 , -不飽和酯的還原 21The catalytic reduction of , -unsaturated esters withorganocatalyst 7214 串聯(lián)反應中共軛碳碳雙鍵的還原對于大部分涉及到羰基 位的反應 , 可以用 烯胺催化的方法完成 ,

17、而亞胺鹽催化方法常用于 不飽和醛酮的環(huán)加成或共軛碳碳雙鍵的還原 , 這 兩種催化方法聯(lián)系非常緊密 , 一般烯胺催化會形 成亞胺鹽而亞胺鹽催化通常會導致烯胺中間體的 形成 , 所以 , 同一催化劑通?？梢杂糜诖呋@兩類 不同的反應。 2005年 , List 研究小組 22將這兩種 催化策略聯(lián)合使用 , 首次用有機小分子催化劑咪 唑啉酮鹽酸鹽 (8 催化了 , -不飽和醛酮的共軛 雙鍵還原和 Michael 加成的串聯(lián)反應 , 一鍋法得到 了高對映選擇性的系列五元、 六元環(huán)狀手性羰基有機小分子催化劑 8催化串聯(lián) 反應中共軛碳碳雙鍵的還原 22The catalytic reduction of

18、conjugate Cbonds incascade 22229第 32卷第 3期 李建惠等 : , -不飽和羰基化合物中共軛碳 碳雙鍵的有機小分子選擇性催化還原化合物 (86%97%e e 。此法具 有很高的化 學選擇性、 區(qū)域選擇性、 非對映選擇性、 對映選擇 性 , 而且反應條件溫和、 易操作 , 在天然產(chǎn)物的合 成中具有很好的應用前景。惟一不足的是該催化 劑的負載量偏高 (20mol% 。5 結束語綜上所述 , 可以看出 , 無論是咪唑啉酮鹽類催 化劑、 硫脲類催化劑還是聯(lián)萘酚磷酸胺鹽催化劑 , 在催化還原不飽和羰基化合物共軛碳碳雙鍵中都 表現(xiàn)出非常大的潛力 , 其優(yōu)越性能是顯而易見的

19、 :高化學選擇性、 高區(qū)域選擇性、 高立體選擇性、 底 物普適性廣、 反應條 件溫和、 無 需高溫高 壓。另 外 , 氫源二氫吡啶酯是輔酶 (NADH 的類似物 , 相 對于傳統(tǒng)氫源氫氣 , 具有價廉、 易操作的特點。特 別值得一提的是多肽三氟醋酸鹽可以在含水介質 中選擇性催化還原共軛碳碳雙鍵 , 這些優(yōu)點都是 金屬催化劑不能媲美的。但同時這類催化劑也存 在一些不足 , 如催化劑負載量普遍偏高、 部分催化 劑合成難度大、 價格昂貴。所以設計、 合成真正簡 單、 便宜、 性能優(yōu)良、 能在含水介質中催化的催化 劑將是有機小分子催化劑未來發(fā)展的方向。參考文獻 :1KNOWLES W S. Asymm

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31、影 響 , 為了滿足液晶化合物分子的長寬比例 , 要求大 基團應處在環(huán)己烷的平伏鍵上。而由 1 2 4合成 的 5-反 -4 -(反 -4 -正 丙基環(huán)己 基 環(huán)己基 -1,3-二氟 苯 , 有一部分苯基處在 不希望的直立鍵上。 為了提高全反式構象的產(chǎn)物的含量 , 我們用 :1 強 有機堿叔丁醇鉀攫取環(huán)己烷 1位平伏鍵上的氫質 子 , 生成碳負離子 , 然后轉位為全反式構象的產(chǎn) 物 ; 2 路易斯酸 AlCl 3處理使環(huán)己烷 1位碳帶部分 正離子 , 進一步形成反式構象為主的產(chǎn)物。反應 過程 , 合成路線如下。參考文獻 :1孟 凡寶 , 廉嬌 , 高永梅 , 等 . 含氟液晶研究進展 J. 化

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