蔣成君

(浙江科技學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院,杭州310023)

手性salen Co催化水解動(dòng)力學(xué)拆分末端環(huán)氧化合物在工業(yè)上有廣泛的應(yīng)用[1-4],均相salen Co催化劑以分子或離子形式起作用,具有高活性和高選擇性。但是均相salen催化劑在反應(yīng)中極易失活[5-6],且存在催化劑分離與重復(fù)利用難等問(wèn)題[7]。從分離的角度來(lái)看,手性salen催化劑的非均相化變得尤為重要,近年來(lái)人們合成了各種多相salen Co催化劑[8]。1999年,Jocobsen小組[9]將手性配體連接到衍生化的PS聚合物上,2006年,鄭曉來(lái)等[10]通過(guò)活性自由基聚合合成聚苯乙烯負(fù)載的salen Co催化劑。最近,李燦等[11]在負(fù)載salen催化劑方面做了重要而系統(tǒng)的工作,巧妙地將salen Co催化劑封裝在SBA-16的納米籠中,從而大大提高了水解動(dòng)力學(xué)拆分環(huán)氧化合物的活性,在底物與催化劑之比為4 000的條件下,反應(yīng)12 h,環(huán)氧化合物的ee值達(dá)到96%,二醇的ee值達(dá)到98%。但是這些催化劑制備過(guò)程復(fù)雜,其工業(yè)應(yīng)用受到一定限制。

殼聚糖(圖1)是甲殼素脫乙?；漠a(chǎn)物,無(wú)毒、無(wú)害、易于降解,其本身具有分子載體的優(yōu)勢(shì),不溶于普通溶劑,易于回收再利用,最近幾年得到了廣泛的應(yīng)用[12]。

圖1 殼聚糖的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of chitosan

本研究設(shè)計(jì)了殼聚糖固載salen Co(Ⅲ)(CF3COO)的合成路線(圖2),合成含陰離子CF3COO-配體的催化劑,期望在手性二胺橋、剛性環(huán)和雙金屬的共同作用下,催化劑能表現(xiàn)出良好的催化活性和對(duì)應(yīng)選擇性。

采用核磁共振(NMR)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、等離子發(fā)射光譜(ICP)和元素分析等手段,對(duì)配體和催化劑進(jìn)行表征,并將催化劑應(yīng)用于環(huán)氧氯丙烷的水解動(dòng)力學(xué)拆分。

圖2 殼聚糖固載salen Co(Ⅲ)(CF3 COO)的合成路線Fig.2 Synthesis of chitosan supported salen Co(Ⅲ)(CF3 COO)complexes

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

(R,R)-1,2-環(huán)己二胺購(gòu)于Adrich;殼聚糖(脫乙酰度≥98.0%);2,6-二甲?；?4-叔丁基苯酚(自制);實(shí)驗(yàn)所用其他試劑均為分析純,溶劑在使用前均按常規(guī)方法精制。

SICT GC-920氣相色譜儀;GAMMA DEXTM225手性毛細(xì)管柱;DXX-500核磁共振儀;Nicolet傅立葉紅外光譜儀,美國(guó)熱電IRIS IntrepidⅡXSP等離子體發(fā)射光譜儀,Flash EA-1112元素分析儀。

1.2 手性salen Co催化劑的合成

1.2.1 2 ,6-二甲?；?4-叔丁基苯酚的合成

在500 mL帶有機(jī)械攪拌裝置的三口燒瓶中加入60.00 g(0.42 mol)的P2O5,滴加40 mL 87%的H3PO4,待H3PO4滴加完畢,在100℃下反應(yīng)3.5 h后再加熱至120℃反應(yīng)1 h。加入11.80 g(0.08 mol)對(duì)叔丁基苯酚和16.60 g(0.12 mol)六次甲基四胺,反應(yīng)5 h,冷卻至室溫后,加入200 mL水,水蒸汽蒸餾,冷凝管中有淡黃色固體析出,用乙醚溶解后蒸干,用石油醚重結(jié)晶,得到淡黃色的晶體12.35 g,溫度100～102℃(文獻(xiàn)值[13]95～96℃)。元素分析,C12 H 14 O3,計(jì)算值(%):C,69.90;H,6.79。實(shí)測(cè)值(%):C,69.80;H,6.74。1HNMR(CDCl3,TMS,δ):1.32(9H,s, —CH 3),7.96(2H,s,Ar-H),10.21(2H,s,—CHO),11.41(1H,s,—OH)。

1.2.2 化合物1的合成

在500 mL三口燒瓶中加入200 mL甲醇,邊攪拌邊加入15.10 g(0.1 mol)(R,R)-1,2-環(huán)己二胺單鹽酸鹽。待環(huán)己二胺鹽酸鹽完全溶解在甲醇溶液中,再加入20.60 g(0.1 mol)2,6-二甲?；?4-叔丁基苯酚。室溫下攪拌反應(yīng)16 h,減壓抽濾,濾餅用200 mL水、300 mL乙醚洗滌,干燥,得到黃色晶體33.80 g。元素分析,C18H27ClN2O2,計(jì)算值(%):C,63.80;H,8.03。實(shí)測(cè)值(%):C,63.80;H,8.00。IR(KBr):ν=3 423,2 923,2 865,2 553,1 687(s,CN),1 659,1 599,1 454,1 229,1 034。1HNMR(CDCl3,TMS,:1.34(9H,s, —CH 3),1.39(4H,m,—CH2),1.63(2H,m, —CH 2),2.02(2H,m,—CH 2),3.5(H,m,—CH),3.7(H,m,—CH),6.01(1H,s,—OH),7.10(3H,s,NH 3),7.70(H,s,Ar—H),7.76(H,s,Ar—H),8.10(H,s,—CH),10.22(H,s,—CHO)。

1.2.3 配體3的合成

將上述33.80 g(0.1 mol)化合物1加入到200 mL乙醇中,攪拌讓其完全溶解,加入30 mL三乙胺,10.00 g殼聚糖,回流6 h后,抽濾,濾餅用氯仿、甲醇洗滌,干燥,得到黃色片狀固體,將23.40 g(0.1 mol)3,5-二叔丁基水楊醛溶于200 mL乙醇中,加入上述黃色片狀固體,在乙醇溶液中回流8 h,待溶液冷卻后抽濾,得黃色片狀固體10.51 g。元素分析,(C41 H 57 N3O7)n,計(jì)算值(%):C,69.00;H,7.99。實(shí)測(cè)值(%):C,69.10;H,8.00。IR(KBr):ν=3 366,2 918,2 870,1 642(s,CN),1 599,1 421,1 379,1 325,1 153,1 075(s,chitosan backbone),1 032,897。

1.2.4 以三氟醋酸為軸向陰離子的催化劑的合成

稱取0.20 g配體與0.25 g Co(OAc)2?4H 2O在乙醇溶液中回流8 h,抽濾得棕褐色片狀固體。將得到的棕褐色片狀固體與1 mL三氟醋酸,在二氯甲烷中通氧氣狀態(tài)下反應(yīng)4 h,抽濾,干燥得到黑色片狀固體0.22 g,ICP測(cè)定的鈷含量為13.1%,IR(KBr):ν=3 401,3 358,2 929,2 868,1 634,1 563,1 408,1 073,896,654。

1.3 水解動(dòng)力學(xué)拆分環(huán)氧氯丙烷

在250 mL三口圓底燒瓶中加入0.000 5 mol催化劑(以ICP測(cè)定的鈷含量計(jì)算),然后加入18.30 g(0.2 mol)外消旋環(huán)氧化合物和100 mL四氫呋喃,20℃下將2 mL(0.11 mol)的水滴加到反應(yīng)混合物中,間隔一定時(shí)間取樣,氣相色譜分析,柱溫50℃,檢測(cè)器溫度130℃,氣化室溫度130℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 水解動(dòng)力學(xué)拆分環(huán)氧氯丙烷

salen Co(Ⅲ)(CF3COO)與salen Co(Ⅲ)OAc比較的結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出,在20℃,催化劑用量為0.25 mol%,水用量為環(huán)氧氯丙烷0.55倍條件下,salen Co(Ⅲ)(CF3COO)顯示了較優(yōu)越的催化效果。CS-salen Co(Ⅲ)(CF3COO)催化水解動(dòng)力學(xué)拆分反應(yīng)2 h,環(huán)氧氯丙烷ee值達(dá)到78.0%,反應(yīng)8 h,CS-salen Co(Ⅲ)(CF3COO)催化的反應(yīng),環(huán)氧氯丙烷 ee值達(dá)到 99.8%。這說(shuō)明CS-(salen)Co(Ⅲ)(CF3COO)在催化此類反應(yīng)時(shí)活性并沒(méi)有降低。據(jù)分析是因?yàn)闅ぞ厶潜旧硭哂械氖中缘?、鏈狀的結(jié)構(gòu)促使反應(yīng)按一定的取向進(jìn)行[14-16]。

2.2 催化劑的循環(huán)使用

回收后催化劑的催化效果直接決定了催化劑的品質(zhì)。通常水解動(dòng)力學(xué)拆分用催化劑salen Co(Ⅲ)(OAc)的回收主要有以下2種方法:一是待反應(yīng)完全后,還原三價(jià)的鈷,高真空室溫蒸餾收集產(chǎn)物(S)-環(huán)氧氯丙烷,然后再減壓蒸餾收集3-氯-1,2-丙二醇,將剩余的催化劑回收;二是待反應(yīng)完全后,還原三價(jià)的鈷,高真空室溫蒸餾收集產(chǎn)物(S)-環(huán)氧氯丙烷,然后加水萃取,得到3-氯-1,2-丙二醇和回收的催化劑。不同于傳統(tǒng)的均相salen Co(Ⅲ)(OAc)催化劑,殼聚糖固載的CS-salen Co(Ⅲ)(CF3COO)可以通過(guò)簡(jiǎn)單的過(guò)濾得到,催化劑的回收率為95%?；厥蘸蟮拇呋瘎┮廊豢捎蒙鲜龇磻?yīng)條件參與催化。

考察了催化劑在回收后直接使用及再生使用兩種情況。

2.2.1 催化劑在回收后直接使用

取反應(yīng)溫度20℃,水的用量為環(huán)氧氯丙烷的0.55倍,催化劑用量為外消旋環(huán)氧氯丙烷的0.25 mol%進(jìn)行反應(yīng),與回收前salen催化劑比較,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出,第一次使用時(shí),反應(yīng)10 h,可獲得ee值為99.8%的環(huán)氧氯丙烷,第二次使用時(shí)可獲得ee值為95.0%的環(huán)氧氯丙烷,當(dāng)?shù)谒拇问褂脮r(shí)僅僅可獲得ee值為88.2%的環(huán)氧氯丙烷,催化劑在使用過(guò)程中活性不斷下降。

2.2.2 催化劑在回收后經(jīng)過(guò)再生再重復(fù)使用

再生的方法即是重新絡(luò)合酸,取反應(yīng)溫度20℃,水的用量為環(huán)氧氯丙烷的0.55倍,催化劑用量為外消旋環(huán)氧氯丙烷的0.25 mol%進(jìn)行反應(yīng),與回收前salen催化劑比較,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖3 不同催化劑催化水解動(dòng)力學(xué)拆分環(huán)氧氯丙烷Fig.3 HKRof ECH catalyzed by different catalysts

由圖5可以看出,回收的催化劑經(jīng)過(guò)活化,反應(yīng)10 h,均可獲得高光學(xué)純的環(huán)氧氯丙烷。通過(guò)回收催化劑的催化效果比較,可以看出,催化劑回收后如果不經(jīng)過(guò)再生,則催化劑的選擇性略有降低,而再生后的催化效果依然明顯,產(chǎn)物(S)-環(huán)氧氯丙烷的ee值依然能夠達(dá)到97%以上。通過(guò)催化劑活化后催化劑的活性略有下降的現(xiàn)象推出催化劑失活的原因可能是在反應(yīng)過(guò)程中絡(luò)合Lewis酸的結(jié)構(gòu)被破壞。

3 結(jié) 語(yǔ)

為了解決催化劑在反應(yīng)后不易回收的難題,本研究合成了殼聚糖固載的手性CS-salen Co(Ⅲ)(CF3COO)催化劑,并催化環(huán)氧氯丙烷的水解動(dòng)力學(xué)拆分。得到如下結(jié)論:CS-salen Co(Ⅲ)(CF3COO)都有很好的催化活性,反應(yīng)溫度20℃,水的用量為環(huán)氧氯丙烷的0.55倍,催化劑用量為外消旋環(huán)氧氯丙烷的0.25 mol%,反應(yīng)8 h,手性環(huán)氧氯丙烷的ee值達(dá)到99.8%。反應(yīng)完后催化劑可以通過(guò)過(guò)濾得以簡(jiǎn)單方便地分離,回收的催化劑如果不經(jīng)活化,則其選擇性有所降低,而再生后的催化劑效果依然明顯,產(chǎn)物手性環(huán)氧氯丙烷的ee值在相同反應(yīng)條件下仍可達(dá)到97%以上,工業(yè)上有一定的應(yīng)用前景。

[1] LARROW J F,HEMBERGER K E,JASMIN S,et al.Commercialization of the hydrolytic kinetic resolution of racemic epoxides:Toward the economical large-scale production of enantiopure epichlorohydrin[J].Tetrahedron:Asymmetry,2003,14(22):3589-3592.

[2] BLASER H U,SCHIM IDT E.Asymmetric catalysis on industrial scale:Challenges,approaches and solutions[M].Wiley-VCH:Weinheim,2004:165.

[3] SCHAUS S E,LARROW J F,JACOBSEN E N.Practical synthesis of enantiopure cyclic 1,2-amino alcohols via catalytic asymmetric ring opening of meso epoxides[J].JOrg Chem,1997,62(12):4197-4199.

[4] BALEIZAO C,GARCIA H.Chiral salen complexes:An overview to recoverable and reusable homogeneous and heterogeneous catalysts[J].Chem Rev,2006,106(9):3987-4043.

[5] BELSER T,JACOBSEN E N.Cooperativecatalysis in the hydrolytic kinetic resolution of epoxides by chiral[salen Co(Ⅲ)]complexes immobilized on gold colloids[J].Adv Synth catal,2008,350(7/8):967-971.

[6] BEIGI M,ROLLER S,HAAG R,et al.Polyglycerol-supported Co-and Mn-salen complexes as efficient and recyclable homogeneous catalysts for the hydrolytic kinetic resolution of terminal ekoxides and asymmetric olefin epoxidation[J].Eur J Org Chem,2008(12):2135-2141.

[7] 李煜,陳志榮,尹紅.水解動(dòng)力學(xué)拆分合成手性環(huán)氧氯丙烷用催化劑研究[J].工業(yè)催化,2006,14(4):42-46.

[8] 蔣成君,陳志榮.手性(salen)Co配合物的合成及其在水解動(dòng)力學(xué)拆分中的應(yīng)用[J].化學(xué)進(jìn)展,2008,20(9):1294-1305.

[9] ANNIS D A,JACOBSEN E N.Polymer-supported chiral Co(salen)complexes:Synthetic applications and mechanistic investigations in the hydrolytic kinetic resolution of terminal epoxides[J].JAm Chem Soc,1999,121(17):4147-4154.

[10] ZHENG X L,JONESC W,WECK M.Poly(styrene)-supported Co-salen complexes as efficient recyclable catalysts for the hydrolytic kinetic resolution of epichlorohydrin[J].Chem Eur J,2005,12(2):576-583.

[11] YANG H Q,ZHANG L,ZHONG L,et al.Enhanced cooperative activation effect in the hydrolytic kinetic resolution of epoxides on[Co(salen)]catalysts confined in nanocages[J].Angew Chem Int Ed,2007,46(36):6861-6865.

[12] JIANG C J,XU M Q.Kinetics of heterogeneous deacetylation ofβ-Chitin[J].Chem Eng Techno,2006,29(4):511-516.

[13] 陳展虹.2,6-二甲?；?4-叔丁基苯酚的合成[J].新疆教育學(xué)院學(xué)報(bào),1998(1):65-66.

[14] READY J M,JACOBSEN E N.Highly active oligomeric(salen)Co catalysts for asymmetric epoxide ring opening reactions[J].J Am Chem Soc,2001,123(11):2687-2688.

[15] READY J M,JACOBSEN E N.A practical oligomeric(salen)Co catalyst for asymmetric epoxide ring opening reactions[J].Angew Chem Int Ed,2002,41(8):1374-1377.

[16] WHITE D E,JACOBSEN E N.New oligomeric catalyst for the hydrolytic kinetic resolution of terminal epoxides under solvent-free conditions[J].Tetrahedron Asymmetry,2003,14(22):3633-3638.