双官能团手性有机催化剂的设计、合成及应用

摘要

有机催化的不对称合成方法采用不含金属的、具有较小分子量的有机分子作为催化剂，在本世纪初蓬勃发展，受到人们的广泛关注。一些关键的不对称碳-碳单键和碳-杂单键的形成反应都可以通过有机催化的方法而达到。在最优条件下，用天然的手性化合物及人工设计合成的手性化合物作催化剂，这些反应都可以得到非常高的产率和近乎光学纯的产物。有机催化在近几年的发展过程中，一直被人们视为研究中的热点问题。在这篇论文中，我们的主要工作是设计、合成了大量新型、高效的有机催化剂，我们合成了多系列的双官能团手性仲胺催化剂和离子液体催化剂，提高了催化剂的活性，增加了它们的使用寿命。
　　 首先，我们由商品化的简单手性源原料出发，设计合成了一系列的手性吡咯烷-吡啶双官能团催化剂，并且把它们用于催化各种环状、链状脂肪酮，芳香酮和脂肪醛对硝基烯烃的Michael加成反应中，催化剂显示了较高的活性，可得到较高的产率（最高达到99％）和较好的立体选择性（咖值最高达到99:1，ee值最高达到99%）。我们根据实验结果和ESI-质谱探测到的中间体，对反应中可能存在的过渡态给出了实验证据。
　　 这个系列的催化剂还可以高效催化环酮对查尔酮的不对称Michael加成反应。此反应有诸多优点，体系中只需要5当量的酮就可以顺利发生反应，得到具有1，5二羰基结构的手性化合物，所得产物的非对映选择性最高达>99:1，对映选择性最高达100%。
　　 其次，我们设计合成了第一例能够高效催化不对称Michael加成反应的手性四烷基季铵盐离子液体催化剂。这类催化剂由廉价易得的N-Boc-L-脯胺醇制备而来。它们在催化对硝基烯烃的不对称Michael加成反应中具有较高的活性，可得到最高达100%的产率，99:1的非对映选择性和97%的对映选择性。而且，催化剂与溶剂[Bmim][BF4]均为离子液体容易回收，可以至少重复使用五次，整个催化体系活性没有明显降低。
　　 然后，我们设计合成了一类新型手性磷酸酯和亚磷酸酯催化剂，这类催化剂制备简单，使用方便，并且可以长时间保存活性不降低。它们可以高效催化酮对硝基烯烃的不对称Michael加成和醛与酮的Aldol反应。在不对称Michael反应中，我们使用了绿色、高效的离子液体[Bmim][BF4]作为溶剂，可得到较高产率(92-99%-)和中等至较好的立体选择性(dr值75:25-99:1，ee值9-91%)的加成产物。在不对称Aldol反应中，虽然可以得到高产率的产物，但是立体选择性较差。
　　 最后，我们设计了一个快速、高效催化Knoevenagel缩合反应的绿色、可循环催化体系。在室温下水相中，以DABCO为骨架的离子液体作溶剂，可以催化各种芳香醛、脂肪醛、α,β-不饱和醛和各种脂肪酮与活泼亚甲基的脱水反应，几分钟内即可定量完成，并且只得到E式构型的缩合产物。这种合成方法操作简单，生成的产物不用柱层析的方法提纯，并且用廉价易得的水作溶剂。整个催化体系可以至少使用七次，催化活性不降低。这是一个简单、温和的反应过程，可以用这种方法大规模生产含有拉电子的烯烃。我们将反应放大到了1 mol级别，仍然可以得到分离产率高达94%的产物。