馬文嬋，楊瑞云，張月成，趙繼全

（河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津 300130）

光學(xué)活性仲醇廣泛存在于天然產(chǎn)物和藥物中，可用作光學(xué)活性化合物合成的中間體。獲得光學(xué)活性仲醇的方法之一是氧化動力學(xué)拆分。目前，人們已開發(fā)了多個用于仲醇氧化動力學(xué)拆分的催化劑或催化體系［1-2］。其中，手性Salen-Mn（Ⅲ）-二乙酸碘苯（PhI（OAc）2）催化體系中的手性Salen-Mn（Ⅲ）配合物具有易制備、易操作以及底物仲醇適用面廣的優(yōu)點［3-4］，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)就受到廣泛關(guān)注［5-8］。Corey等［9］研究發(fā)現(xiàn)，該反應(yīng)進(jìn)行過程中氧化劑PhI（OAc）2首先將 HBr（由KBr或Br2在反應(yīng)循環(huán)中生成）氧化為Br2，Br2再與手性配合物作用生成中間體二溴化手性Salen Mn（Ⅲ）配合物，該中間體與外消旋仲醇中的一個對映體結(jié)合，進(jìn)而通過氫轉(zhuǎn)移使被結(jié)合的對映體醇分子轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的酮。由于該拆分體系中的手性Salen-Mn（Ⅲ）配合物、底物醇在水中溶解度較差，而反應(yīng)體系中必需的溴化鉀在有機(jī)溶劑中幾乎不溶，因此，反應(yīng)最好在相轉(zhuǎn)移催化劑的協(xié)助下進(jìn)行［1］?；诖耍y董紅等［10］合成了含離子液體片段的雙核手性Salen-Mn（Ⅲ）配合物，增加了配合物的水溶性，從而改善了仲醇氧化動力學(xué)拆分的效果。筆者設(shè)計合成了含咪唑鹽離子液體片段的手性Salen-Mn（Ⅲ）配合物，考察了它對仲醇氧化動力學(xué)拆分反應(yīng)的催化性能。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

2-叔丁基苯酚（w＝99%），Aldrich試劑公司；（1S，2S）-二苯基乙二胺（w＝98%），成都麗凱手性技術(shù)有限公司；1-苯乙醇（w＝99%），Acros Organics；二乙酸碘苯，按文獻(xiàn)［11］方法制備；醋酸錳，分析純，天津市化學(xué)試劑三廠；N-甲基咪唑（w＝99%），上海卓銳化工有限公司；其他試劑均購自天津市科瑞思化學(xué)試劑公司。

Bruker AC-P 400核磁共振儀（氘代二甲基亞砜或氘代三氯甲烷作溶劑），德國Brucker公司；Bruker Vector 22型傅里葉變換紅外光譜儀，德國Brucker公司；LCQ Advanted型高分辨質(zhì)譜儀、電噴霧電離源（ESI），美國Finnigan公司；Vario El型元素分析儀，德國Elementar公司。

1.2 手性Salen-Mn（Ⅲ）配合物的合成

手性Salen-Mn（Ⅲ）配合物的合成路線見圖1。

圖1 配合物的合成路線

1.2.1 3-叔丁基-2-羥基苯甲醛（2）的合成

按文獻(xiàn)［12］方法合成，得淡黃色液體，收率40%。1H NMR（400MHz，CDCl3，TMS）：δ＝11.79（s，1H；OH），9.88（s，1H，CHO），7.52（dd，J＝7.6Hz，J＝1.2Hz，1H；CH），7.39（dd，J＝7.6Hz，J＝0.8Hz，1H；CH），6.93（t，J＝7.6Hz，1H；CH），1.42（s，9H；（CH3）3）；IR（KBr），σ／cm-1：3447（s），2960（m），2870（m），1653 （s），1614（m），1268（m），752（s），679（m）。

1.2.2 3-叔丁基-5-氯甲基-2-羥基苯甲醛（3）的合成

按文獻(xiàn)［13-14］方法合成，得淺黃色晶體2.2 g，收率88%，熔點 61～63 ℃。1H NMR（400 MHz，DMSO，TMS）：δ＝11.90（s，1H；OH），9.98（s，1H；CHO），7.74（d，J＝2Hz，1H；CH），7.63（d，J＝2.4Hz，1H；CH），4.81（s，2H；CH2），1.39（s，9H；（CH3）3）；IR（KBr），σ／cm-1：3448（w），2963（m），2863（m），1652（s），1609（m），1265（m），762（m），698（s），606（w）。

1.2.3 3-叔丁基-5-（3′-（N-甲基咪唑））-2-羥基苯甲醛氯鹽（4）的合成

氮氣保護(hù)下，于100mL三口瓶中加入1.00 g（4.4mmol）3-叔丁基-5-氯甲基-2-羥基苯甲醛，40mL無水甲苯，磁力攪拌下，緩慢滴入含0.36g（4.4mmol）N-甲基咪唑的無水甲苯溶液，室溫攪拌4h。氮氣保護(hù)下壓濾出溶劑，以無水甲苯洗滌5次，抽濾，得白色粉末狀物質(zhì)1.0g。收率74%。1H NMR（CDCl3）δ：1.41（s，9H），4.01（s，3H），5.61（s，2H），7.18（d，J＝5.13Hz，2H），7.56（s，1H），7.85（s，1H），9.95（s，1H），11.11（s，1H），11.95（s，1H）。IR（KBr），σ／cm-1：3418（s），3143（w），3073（m），2871（w），1648（s），1568（m），1442（s），1162（w），755（s），613（w），529（m）。

1.2.4 手性Salen配體（5）的合成

氮氣保護(hù)下，于100mL三口瓶中加入1.00 g（3.2mmol）取代水楊醛（4），30mL無水乙醇；磁力攪拌下，緩慢滴入含0.25g（1.2mmol）（1S，2S）-二苯基乙二胺的無水乙醇溶液，室溫攪拌0.5h，加熱回流5h，旋蒸除去溶劑，柱色譜分離。產(chǎn)物為亮黃色固體0.54g，收率57%。1H NMR（CDCl3），δ：1.37（s，9H），4.03（s，3H），4.72（s，1H），5.36（d，J＝14.27Hz，1H），5.49（d，J＝14.28Hz，1H），7.16（s，1H），7.20（m，6H），7.35（d，J＝2.01Hz，1H），7.60（s，1H），8.36（s，1H），10.76（s，1H），14.12（s，1H）。IR（KBr），σ／cm-1：3412（s），2948（m），1627（s），1598（w），1446（m），1274（w），1167（s），708（s），613（w）。HR-MSESI＋（［M-Cl］＋），m／z：757.4006（計 算 值757.4177）。元素分析，C46H54N6O2Cl2，計算值（實驗值），%：C 69.12（69.60），H 6.48（6.86），N 10.80（10.59）。

1.2.5 手性Salen-Mn（Ⅲ）配合物（6）的合成

氮氣保護(hù)下，于100mL三口瓶中加入0.269 g（0.34mmol）配體5，溶于30mL無水乙醇后，加入0.17g（0.69mmol）Mn（OAc）2·4H2O。回流4h后，降至室溫，加入0.043g（1.02 mmol）無水LiCl，在空氣中攪拌3h，蒸除溶劑，柱分離得到0.296g亮棕色粉末（6），收率99%。IR（KBr），σ／cm-1：3408（s），2948（m），1611（s），1543（w），1426（m），1269（w），575（m），488（w）。HR-MS-ESI＋（［M-3Cl］3＋），m／z：258.4499（計算值258.3628）。元素分析（C46H52N6O2Cl3Mn），計算值（實驗值），%：C 62.88（62.62），H 5.74（5.94），N 9.40（9.53）。

1.3 （±）-1-苯乙醇氧化動力學(xué)拆分

在0℃于25mL單口燒瓶中加入1mmol底物α-苯乙醇，摩爾分?jǐn)?shù)0.5%催化劑Salen-Mn（Ⅲ）和摩爾分?jǐn)?shù)8%的添加劑KBr，然后加入2 mL CH2Cl2、4mL H2O，攪拌數(shù)分鐘后加入氧化劑二乙酸基碘苯（0.7mmol），開始反應(yīng)。采用山東魯南瑞虹化工儀器有限公司SP-6800A型氣相色譜儀對反應(yīng)液組成變化進(jìn)行監(jiān)測，氫火焰檢測器，N2為載氣。色譜柱為手性毛細(xì)管柱（Cyclodex-β，30m×0.25mm （i.d.），0.25mm），N-2000雙通道工作站（浙江大學(xué)智能信息工程有限公司）。

2 結(jié)果與討論

2.1 配合物的合成與表征

中間體3中的氯甲基與N-甲基咪唑發(fā)生烷基化反應(yīng)得到季銨鹽中間體4，其1H NMR及紅外光譜表征與預(yù)期結(jié)構(gòu)相符。氮氣保護(hù)條件下，2分子的中間體4與1分子的（1S，2S）-二苯基乙二胺在無水乙醇中回流得到配體（5），其1H NMR及紅外光譜表征與預(yù)期結(jié)構(gòu)一致，HR-MS的分子離子峰為整體分子失去一個氯原子［M-Cl］＋后的離子峰，實驗值與計算值相符。表征結(jié)果與圖1中配體（5）的結(jié)構(gòu)一致。按合成Salen-Mn（Ⅲ）配合物的常規(guī)方法高收率地合成了水溶性手性Salen-Mn（Ⅲ）配合物（6），HR-MS顯示的是整體分子裂解后的裂片再結(jié)合氫生成如圖2所示的片段分子失去一個氯原子的分子離子峰，實驗值與計算值相符。

圖2 配合物裂片分子結(jié)構(gòu)

圖3給出了配體5和配合物6的紅外光譜。由圖3可見，配體1627cm-1處是亞胺鍵C=N伸縮振動吸收峰，1598cm-1處是芳香環(huán)的骨架振動吸收峰，1446cm-1處是咪唑環(huán)上C=N伸縮振動吸收峰，1274cm-1處是芳環(huán)上酚氧基v（C—O）伸縮振動吸收峰。形成配合物后，各個吸收峰的位置均發(fā)生了相應(yīng)的變化。與配體相比，配合物的C=N伸縮振動帶均出現(xiàn)了明顯紅移，這是由于氮原子參與配位減弱了C=N雙鍵的強(qiáng)度，使之振動吸收發(fā)生紅移［15］。生成配合物后，酚羥基的氧原子參加配位，電子進(jìn)入錳原子的d軌道，使得C—O鍵減弱，也使其伸縮振動頻率降低。配合物與配體相比在575和488cm-1出現(xiàn)新的吸收峰，分別歸屬為配合物分子中Mn-N和Mn-O的伸縮振動峰［16］。此外，配合物中苯環(huán)的振動波數(shù)也與配體中的不同。結(jié)合元素分析結(jié)果，進(jìn)一步證明配合物6的生成。

圖3 配體5和配合物6的FT-IR譜

2.2 配合物對（±）-1-苯乙醇氧化動力學(xué)拆分的催化性能

手性Salen-Mn（Ⅲ）配合物催化的仲醇的氧化動力學(xué)拆分通常受反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間以及反應(yīng)試劑的投料量等因素的影響，因此，在固定條件（KBr摩爾分?jǐn)?shù)8%、CH2Cl2用量2mL、H2O用量4mL）下，以（±）-1-苯乙醇的氧化動力學(xué)拆分為模型反應(yīng)，以剩余醇的對映體過量值（ee）和拆分常數(shù)Krel為指標(biāo)，考察了上述因素對配合物6催化性能的影響。

2.2.1 配合物6用量

在0℃考察了配合物6的用量對拆分結(jié)果的影響，結(jié)果如表1所示。由表1可知，隨著催化劑用量增加，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率逐漸增加，而e.e.值和krel值則先升高后降低。理想情況下，仲醇的氧化動力學(xué)的轉(zhuǎn)化率為50%，e.e.值為100%，此時krel無限大，仲醇得到完全拆分。因此，從仲醇氧化動力學(xué)拆分角度看配合物6比文獻(xiàn)［2-5］中催化劑的催化性能要差?？赡苁荂5（5’）的叔丁基被咪唑鹽取代后空間位阻降低，不利于氧化過程中仲醇對映體分子的選擇性配位［9］所致。但是，從氧化反應(yīng)活性來看，配合物6的用量僅為文獻(xiàn)［4］中催化劑用量的1／4，而且0℃的反應(yīng)速率比文獻(xiàn)中20℃的反應(yīng)速率還要高，說明配合物6的C5（5’）位并入了咪唑鹽，使得催化劑的水溶性增強(qiáng)，配合物與溴正離子的接觸幾率增加，加快反應(yīng)速率；同時，由于配合物含有2個咪唑鹽基，具有相轉(zhuǎn)移催化劑的功能，使得催化劑分子處于油-水兩相界面，有利于底物與催化活性中心的結(jié)合，進(jìn)而提高反應(yīng)速率。

配合物6用量（摩爾分?jǐn)?shù)，下同）大于0.5%時，e.e.值明顯降低。原因是配合物6的空間位阻較低，當(dāng)含量過高時，底物仲醇的兩個對映體分子與催化劑活性中心無選擇性配位的幾率增大，導(dǎo)致一對對映體分子同時被氧化所致。

表1 配合物6用量對1-苯乙醇氧化動力學(xué)拆分反應(yīng)的影響

2.2.2 反應(yīng)溫度

表2是反應(yīng)溫度對拆分效果的影響。由表2可知：在0℃時e.e.值和krel值達(dá)到最高值。在-10℃時e.e.值較低的原因是溫度過低，反應(yīng)物分子的運動受限，不利于底物分子與催化劑活性中心的配位，發(fā)生不經(jīng)催化劑催化的直接氧化所致；而反應(yīng)溫度高于0℃，底物仲醇的兩個對映體分子與催化劑活性中心無選擇性配位的幾率增大，使得對映體分子同時被氧化所致。

表2 反應(yīng)溫度對1-苯乙醇的氧化動力學(xué)拆分反應(yīng)的影響

2.2.3 氧化劑用量

表3是氧化劑用量對拆分結(jié)果的影響。由表3可知：當(dāng)氧化劑用量為0.7mmol時，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、e.e.值、krel值均達(dá)到最佳。當(dāng) PhI（OAc）2用量小于0.7mmol時，Br-不能及時被氧化為Br2，不利于形成關(guān)鍵中間體二溴化手性Salen Mn（Ⅲ）配合物，使得PhI（OAc）2直接將醇氧化，導(dǎo)致e.e.值較低［9］；PhI（OAc）2用量大于0.7 mmol時，過量的PhI（OAc）2也可直接氧化醇，導(dǎo)致e.e.值降低。

表3 氧化劑用量對1-苯乙醇氧化動力學(xué)拆分反應(yīng)的影響

2.2.4 反應(yīng)時間

表4是反應(yīng)時間對拆分效果的影響。由表4可知：隨著反應(yīng)時間的延長，轉(zhuǎn)化率逐漸上升，而e.e.值和krel值在30min時達(dá)到最大值。仲醇氧化動力學(xué)拆分的關(guān)鍵指標(biāo)是拆分系數(shù)，拆分系數(shù)越高，拆分效果越好。因此，最佳反應(yīng)時間為30 min。時間過長，拆分系數(shù)降低的原因是隨著時間延長，另一對映體分子開始被氧化。

表4 反應(yīng)時間對1-苯乙醇氧的化動力學(xué)拆分反應(yīng)的影響

綜上所述，配合物6催化的1-苯乙醇氧化動力學(xué)拆分的優(yōu)化反應(yīng)條件為：反應(yīng)時間30min，反應(yīng)溫度0℃，溶劑為二氯甲烷和水的混合物，添加物溴化鉀摩爾分?jǐn)?shù)8%，催化劑摩爾分?jǐn)?shù)0.5%，氧化劑二乙酰基碘苯用量70%，e.e.值為40%，krel為2.46。

3 結(jié) 論

合成了C5位含咪唑鹽基的水溶性的手性Salen-Mn（Ⅲ）配合物并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。以1-苯乙醇的氧化動力學(xué)拆分為模型反應(yīng)，考察了水溶性手性Salen-Mn（Ⅲ）配合物對仲醇氧化動力學(xué)拆分反應(yīng)的催化性能，結(jié)果表明水溶性咪唑鹽基的引入賦予了手性配合物相轉(zhuǎn)移催化劑的功能，提高了拆分反應(yīng)的速率，但與經(jīng)典的手性Salen Mn（Ⅲ）配合物相比，由于C5位空間位阻的減弱，降低了拆分反應(yīng)的拆分性能。由此預(yù)期，在不降低手性Salen Mn（Ⅲ）配合物空間位阻的其他部位引入水溶性基團(tuán)，將有可能獲得催化活性高、拆分系數(shù)高的用于仲醇氧化動力學(xué)拆分的催化劑。

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