李光鋒， 黃焰根

(東華大學 化學化工與生物工程學院 國家染整工程技術(shù)研究中心，上?！?01620)

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通信聯(lián)系人： 黃焰根, 博士, 副教授, Tel. 021-67792612, E-mail: hyg@dhu.edu.cn

光響應(yīng)負載型脯氨酸的合成及其在水相中催化不對稱羥醛縮合反應(yīng)的應(yīng)用

李光鋒， 黃焰根*

(東華大學 化學化工與生物工程學院 國家染整工程技術(shù)研究中心，上海201620)

摘要：應(yīng)用RAFT聚合法合成了含脯氨酸、香豆素及聚乙二醇的光響應(yīng)負載型催化劑(P)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR和元素分析表征。紫外光譜分析表明：在紫外光照前后，P的結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化。催化性能測試結(jié)果表明：P在紫外光照前后均能實現(xiàn)水相中催化環(huán)己酮和4-硝基苯甲醛之間的羥醛縮合反應(yīng)，收率65%~76%， dr>93/7, ee>95%。

關(guān)鍵詞：香豆素; 脯氨酸; RAFT聚合法; 合成； 光響應(yīng); 催化劑； 羥醛縮合反應(yīng)

近年來，有機小分子催化劑相對于其他不對稱催化劑高效、催化條件溫和、易于回收利用及環(huán)境友好等優(yōu)點，已成為不對稱催化領(lǐng)域的研究熱點[1]。脯氨酸及其衍生物以其優(yōu)越的催化性能被廣泛應(yīng)用到Aldol， Mannich和Michael等不對稱 C-C鍵形成反應(yīng)中[2-4]。在不斷對脯氨酸催化劑分子進行改性的同時,該催化劑的負載和回收利用也受到了廣泛關(guān)注[5]。但是，到目前為止，關(guān)于智能響應(yīng)負載型脯氨酸催化劑的研究，只是在溫敏性材料負載催化領(lǐng)域有所涉及[6]。將光敏性材料引入到脯氨酸負載催化領(lǐng)域，利用光敏性材料在光照下結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而改變催化劑結(jié)構(gòu)，研究負載型脯氨酸的催化性能，尚未見文獻報道。

Scheme 1

本文設(shè)計了一種以香豆素為光敏基元，負載了脯氨酸的聚合物，預期通過香豆素結(jié)構(gòu)在紫外光照射下發(fā)生[2+2]環(huán)加成反應(yīng)使聚合物發(fā)生交聯(lián)，從而在水相中由聚合物的團聚形成一個疏水空間，使得不對稱羥醛縮合反應(yīng)可以在其中順利發(fā)生。以7-甲基丙烯酰氧-4-甲基香豆素(1a)或7-對乙烯基芐氧基-4-甲基香豆素(1b),反式-4-甲基丙烯酰氧基-L-脯氨酸鹽酸鹽，聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯(平均分子量400)(3)和十二烷基-1-苯乙基硫代碳酸酯(4)為原料，利用RAFT聚合法合成了含脯氨酸、香豆素及聚乙二醇的光響應(yīng)負載型催化劑(P1和P2, Scheme 1)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR和元素分析表征。紫外光譜分析表明，在紫外光照前后，P的結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化。催化性能測試結(jié)果表明，P在紫外光照前后均能實現(xiàn)水相中催化環(huán)己酮和4-硝基苯甲醛之間的羥醛縮合反應(yīng)(Scheme 2)，收率65%~76%，dr>93/7,ee>95%。

Scheme 2

1實驗部分

1.1　儀器與試劑

U-3310 型紫外分光光度計； Bruker AV 400(400 MHz)型核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標)；Carlo-Erba 1106型全自動元素分析儀。

參考文獻1a和1b[7]， 2[8]， 3[9]和4[10]方法合成；其余所用試劑均為分析純。

1.2　合成

(1) P1和P2的合成通法

在反應(yīng)管中依次加入偶氮二異丁腈(AIBN)0.12 g(0.73 mmol), 2 0.045 g(0.18 mmol), 3 2.43 g(5.13 mmol)， 4 0.01 g(0.036 mmol)， 1 1.8 mmol和干燥DMSO 5 mL，利用液氮冷凍除氧三次，攪拌下于65 ℃反應(yīng)24 h。冷卻至室溫，反應(yīng)液逐滴加至冷乙醚中(析出大量淡黃色油狀物)，滴畢，攪拌30 min。傾出乙醚，殘留物用少量THF溶解，滴入乙醚中沉析，重復上述操作至少三次，所得黃色油狀液體真空干燥得P1(1.86 g,收率63%)和P2(2.10 g,收率71%)，經(jīng)元素分析測定，P1和P2的N含量分別為0.46%和0.48%。

1.3　水相羥醛縮合反應(yīng)

在反應(yīng)管中加入對硝基苯甲醛38 mg(0.25 mmol)和環(huán)己酮0.104 mL(1.0 mmol)，超聲振蕩5 min，加入催化劑P1或P2(5 mol%)(若為光照后催化，則反應(yīng)液需在500 W紫外燈下照射30 min)，加入去離子水0.5 mL，超聲15 min得白色乳狀混合溶液，于室溫反應(yīng)96 h。反應(yīng)液經(jīng)快速柱層析[洗脫劑：V(石油醚)/V乙酸乙酯=5/1]純化，真空干燥得淡黃色固體2-[(4-硝基苯基)羥甲基]環(huán)己酮;1H NMRδ: 8.22~8.19(t,J=8.6 Hz, 2H), 7.57~7.49(m, 2H), 4.91(d,J=8.3 Hz, 1H), 4.12(s, 1H), 2.65~2.32(m, 3H), 2.15~2.10(m, 1H), 1.90~1.82(m, 1H), 1.72~1.22(m, 4H)。

2結(jié)果與討論

2.1　合成與表征

用以合成P1和 P2的關(guān)鍵中間體1a， 1b和2均可按文獻方法便利地合成。隨后在自由基聚合反應(yīng)條件下，順利實現(xiàn)RAFT聚合，以良好的收率獲得負載了脯氨酸和香豆素的聚合物P1和 P2，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR和元素分析表征。

以P1的1H NMR(圖1)為例，可以看出，在δ5.5(c)處出現(xiàn)了很小的凸起，該峰歸屬于聚合物上脯氨酸單體上的氫質(zhì)子；δ7.0~8.0(a)處兩個明顯的吸收峰歸屬聚合物中苯環(huán)上的氫(其中包含了氘代氯仿的吸收峰)；δ6.2(b)附近吸收峰則歸屬于香豆素上烯烴的氫。由此可以判斷脯氨酸單體2和香豆素單體1a已經(jīng)成功地共聚到聚合物上。聚乙二醇亞甲基上的氫吸收峰出現(xiàn)在δ2.3~4.5(d)，聚合物骨架上的烷基氫吸收峰出現(xiàn)在δ0.7~2.3(e)處。綜上分析，可以確定成功制得了目標分子P1。

δ

λ/nm

為了進一步探究所得負載催化劑P1和P2的光響應(yīng)性能，對其進行了紫外光譜測試。以P2為例，結(jié)果見圖2。由圖2可見，在紫外光照射下，P2結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化，在320 nm處的最大吸收在10 min內(nèi)的轉(zhuǎn)化率達到了55%。由此可以說明，P2對光有很好的響應(yīng)作用。這是因為在紫外燈照射下， P2中香豆素結(jié)構(gòu)中的雙鍵會發(fā)生[2+2] 環(huán)加成反應(yīng)，形成一個四元環(huán)，從而影響吸收強度。P1的光響應(yīng)稍弱于P2，在2 h內(nèi)的轉(zhuǎn)化率為30%。

2.2　催化性能

以環(huán)己酮和對硝基苯甲醛作為反應(yīng)底物[3]，探究P1和P2對羥醛縮合反應(yīng)的催化性能，結(jié)果見表1。由表1可以看出，在紫外光照射前，P1和P2均能夠成功地在水相中催化不對稱羥醛縮合反應(yīng)，分別獲得了74%和65%的收率和優(yōu)異的立體選擇性[dr93/7,ee96%(No.1);dr95/5,ee97%(No.3)]。 P1和P2在365 nm紫外光照后，催化結(jié)果顯示產(chǎn)物立體選擇性沒有明顯變化，但催化收率有輕微提高。這是由于紫外光照射后，聚合物上香豆素單元發(fā)生了二聚作用，使得聚合物主鏈發(fā)生交聯(lián)，從而更有利于疏水反應(yīng)空間的形成，提高了催化微空間內(nèi)反應(yīng)底物的濃度，促使反應(yīng)收率的微弱上升。

表1　紫外光照前后P的催化效果

*aIrradiated with ultraviolet;bEvaluated by1H NMR spectroscopic analysis of the crude product;cDetermined by HPLC using a chiral column AD-H(hexane/IPA=80/20)

3結(jié)論

通過RAFT聚合反應(yīng)合成了光響應(yīng)負載型脯氨酸催化劑(P1和P2)。二者在紫外光照射前即可實現(xiàn)水相催化羥醛縮合反應(yīng)，說明P1和P2在水相中發(fā)生團聚形成了疏水空間可以催化反應(yīng)在其中進行。紫外光照射后，催化性能有輕微提升。盡管該催化劑沒有達到預期的光響應(yīng)智能催化效果，但可作為有效的水相羥醛縮合反應(yīng)催化劑，也為將來負載脯氨酸的設(shè)計提供了一種新的思路。

[1]Special issue on organocatalysis[J].Acc Chem Res,2004,37:487-631.

[2]Mukaiyama T. The unexpected and the unpredictable in organic synthesis[J].Tetrahedron,1999,55:8609-8670.

[3]Gruttadauria M, Giacalone F, Marculescu A M,etal. Hydrophobically directed Aldol reactions:Polystyrene-supported L-proline as a recyclable catalyst for direct asymmetric Aldol reactions in the presence of water[J].Eur J Org Chem,2007(28):4688-4698.

[4]Benaglia M, Celentano G. Poly(ethylene-glycol)-supported proline:A recyclable aminocatalyst for the enantioselective synthesis ofγ-nitroketones by conjugate addition[J].J Mol Catal A,2003,(204):157-163.

[5]劉玉霞,楊柳,馬志偉,等. 負載脯氨酸及其衍生物催化的不對稱 C-C 鍵形成反應(yīng)研究進展[J].Chin J Catal,2011,32:1295-1311.

[6]Zayas H A, Lu A, Valade D,etal. Thermoresponsive polymer-supported L-proline micelle catalysts for the direct asymmetric Aldol reaction in water[J].ACS Macro Lett,2013,2:327-331.

[7]趙艷瓊. 雙親性共聚物的制備及其包覆性能研究[D].無錫:江南大學，2011.

[8]Lu A, Contanda P, Patterson J P,etal. Aldol reactions catalyzed by L-proline functionalized polymeric nanoreactors in water[J].Chem Commun,2012,48:9699-9701.

[9]Yang J, He W D, He C,etal. Hollow mesoporous silica nanoparticles modified with coumarin-containing copolymer for photo-modulated loading and releasing guest molecule[J].J Polym Sci,Part A:Polym Chem,2013,51:3791-3799.

[10]Lu A, Smart T P, Epps III T H,etal. L-proline functionalized polymers prepared by RAFT polymerization and their assemblies as supported organocatalysts[J].Macromolecules,2011,44:7233-7241.

Synthesis of Photo-sensitive Supported-Proline and Their

Application in Asymmetric Aldol Reaction in Water

LI Guang-feng，HUANG Yan-gen*

(National Engineering Research Center for Dyeing and Finishing of Textiles, College of Chemistry,

Chemical Engineering and Biotechnology, Donghua University, Shanghai 201620, China)

Abstract：RAFT polymerization was successfully applied to the synthesis of the photo-sensitive supported catalysts(P) containing L-proline, coumarin and polyethylene glycol. The structures were characterized by1H NMR and elemental analysis. UV spectra showed that the structures of P changed before and after UV irradiation. The catalytic performance indicated that Aldol reaction between cyclohexanone and 4-nitrobenzaldehyde in water can be achieved under the catalysis of P both before and after UV irradiation. The yields were 65%~76%, dr>93/7, and ee>95%.

Keywords：coumarin; proline; RAFT polymerization; synthesis; photo-sensitive; catalyst; Aldol reaction

中圖分類號：O625.15

文獻標志碼：A

DOI：10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2016.01.15039

作者簡介：李光鋒(1989-)，男，漢族，安徽廣德人，碩士研究生，主要從事有機小分子催化研究。

基金項目：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2232015D3-13); 上海市教委科研創(chuàng)新項目(13ZZ047)

收稿日期：2015-01-30;

修訂日期：2015-11-03