低载量金属模板氢键催化剂的设计及在不对称催化中的应用

摘要

有机小分子催化剂弥补了传统过渡金属催化剂通常存在的稳定性、金属毒性等方面的缺陷，但由于相对柔性的结构特征难以在低载量(＜0.1 mol％)下能实现高效手性传递。而氢键催化剂更是其中的典型代表，基于氢键催化作用的催化体系普遍需要用到5 mol％以上的载量，难以达到一向追求生产成本最低化的工业化生产的需求。因此，发展新型骨架，构建低载量氢键催化剂在学术界和工业界都具有重要意义。本论文基于金属模板设计策略，以配位饱和的过渡金属为骨架，手性源通常位于中心金属，而在外层配体修饰具有氢键活化作用的功能配体，发展了一系列结构新颖的铱(Ⅲ)模板双功能氢键催化剂，在低载量(＜0.1 mol％)下良好地实现了β，β-二取代硝基烯烃的不对称转移氢化和Friedel-Crafts反应构筑全碳手性季碳中心，前者为经典模型反应，后者为有机合成中的挑战性难题。两类反应中的应用充分展示了金属模板在设计低载量“有机催化剂”中的高效性和独特优势。
　　本文主要从以下几方面进行论述：
　　第一部分 工作（第二章）系统阐述了铱(Ⅲ)模板双功能氢键催化剂的设计理念、优化策略、合成以及表征手段。在铱(Ⅲ)模板氢键催化剂中，具有催化活性的双氢键给体与氢键受体被设计在铱(Ⅲ)配合物的外围有机配体上，而中心金属作为惰性手性结构支架。通过对中心金属、外围有机功能配体以及抗衡阴离子地精心设计，借助配体或辅助配体的手性介导，合成了33个具有全新结构的铱(Ⅲ)模板双功能氢键催化剂。这些催化剂具有光学纯度高、稳定性好、结构刚性强、溶解性好等优点。
　　第二部分 探讨了铱(Ⅲ)模板双功能氢键催化剂在不对称催化中的应用——β，β-二取代硝基烯烃的不对称转移氢化（第三章）和Friedel-Crafts反应构筑全碳手性季碳中心（第四章）。在经典模型反应—β，β-二取代硝基烯烃的不对称转移氢化中，通过催化剂结构的系统优化，在保证高产率、高立体选择性的前提下，成功将催化剂载量降低至0.004 mol％。催化剂在低载量下不但具有良好的底物适用性，还可以实现回收再利用而不降低催化活性。此外，核磁共振、与反应底物的共结晶实验、动力学检测等充分证明了催化作用仅仅依赖外围配体与底物间的氢键及范德华力作用，而金属中心提供的稳定手性骨架和刚性分子结构为催化剂的高效率提供了至关重要的因素。之后，将该类催化剂应用于极具挑战性的全碳手性季碳中心的构建中，开发出一种构象更加固定的C2对称型铱(Ⅲ)模板氢键催化剂，在0.05 mol％的载量下，良好地实现了β，β-二取代硝基烯烃与吲哚的不对称Friedel-Crafts反应，并高立体选择性地构建一系列含全碳手性季碳中心的手性吲哚衍生物。
　　本文中设计合成的铱(Ⅲ)模板氢键催化剂综合了传统过渡金属催化剂和有机小分子催化剂的优点，具有高效率、高稳定性、可回收、易修饰等特点，将为高效手性催化剂的研发提供新的思路。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 基于氢键作用的有机小分子催化

1．1．1 基于手性二醇／联萘二酚的氢键催化作用

1．1．2 基于手性脲／硫脲的氢键催化作用

1．1．3 基于手性氮方酸的氢键催化作用

1．1．4 其它类型氢键催化作用

1．2 低载量有机小分子催化

1．3 金属模板“有机催化剂”的设计与应用

1．3．1 以二茂铁为模板的平面手性“有机催化剂”

1．3．2 以半三明治型金属配合物为模板的手性“有机催化剂”

1．3．3 以八面体金属配合物为模板的手性“有机催化剂”

1．4 本章小结

1．5 参考文献

第二章 铱(Ⅲ)模板双功能氢键催化剂的设计与合成

2．1 前言

2．2 铱(Ⅲ)模板双功能氢键催化剂的设计思路

2．2．1 中心金属的选择

2．2．2 铱(Ⅲ)模板双功能氢键催化剂核心结构的建立

2．2．3 铱(Ⅲ)模板双功能氯键催化剂的优化策略

2．3 铱(Ⅲ)模板双功能氢键催化剂的合成及表征

2．3．1 催化剂的合成

2．3．2 催化剂的表征

2．4 本章小结

2．5 实验部分

2．6 参考文献

第三章 铱(Ⅲ)模板氢键催化剂在不对称转移氢化中的应用

3．1 前言

3．2 研究思路

3．3 催化剂的发展

3．4 不对称转移氢化反应底物拓展

3．5 催化剂回收与再利用

3．6 不对称转移氢化反应机理

3．6．1 中心金属铱(Ⅲ)的作用

3．6．2 氢键相互作用

3．6．3 范德华力相互作用

3．7 反应动力学研究

3．8 本章小结

3．9 实验部分

3．10 参考文献

第四章 铱(Ⅲ)模板氢键催化剂在不对称Friedel-Crafts反应构筑全碳手性季碳中心中的应用

4．1 前言

4．2 研究思路

4．3 催化剂的筛选

4．4 不对称Friedei-Crafts反应底物拓展

4．5 不对称Friedel-Crafts反应机理

4．6 本章小结

4．7 实验部分

4．8 参考文献

第五章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 工作展望

致谢

附录

硕博连读期间发表的学术论文