(S)‑1‑(1‑羥乙基‑1‑異丙基)硫脲修飾的Al‑Anderson型雜多酸催化劑、製備方法及其應用與流程
2023-05-28 11:35:46
本發明屬於催化化學技術領域，尤其涉及不對稱選擇催化領域，具體來說，涉及一種(S)-1-(1-羥乙基-1-異丙基)硫脲修飾的Al-Anderson型雜多酸催化劑、製備方法及其應用。
背景技術：
2001年諾貝爾獎獲得者Noyori教授指出：「未來的合成化學必須是經濟的、安全的、環境友好的以及節省資源和能源的化學，化學家需要為實現『完美的反應化學』而努力，即以100％的選擇性和100％的收率只生成需要的產物而沒有廢物產生」。手性催化合成作為實現「完美合成化學」的重要途徑之一，其中，手性催化劑是手性催化研究中的最核心科學問題。從反應原理上看，手性有機小分子催化是通過和反應底物以不穩定的共價鍵可逆地形成活性中間體或通過若相互作用，如氧鍵、範德華力或離子對等活化反應底物。雖然均相手性催化具有高效、高對映選擇性和反應條件溫和等特點，但大多數情況下，催化劑用量高摩爾分數。要實現這些催化反應在工業上的應用，必須解決昂貴催化劑的回收利用是個嚴重的問題。
催化是多金屬氧酸鹽應用中最有前途且最具實用價值的研究方向。多金屬氧酸鹽同時集酸鹼催化劑、氧化還原催化劑、金屬氧化物納米催化劑等的優良特性於一身，被認為是一種應用廣泛的綠色的多功能催化劑。早在20世紀初，人們就開始對多酸的催化性能進行了研究。到目前為，已有8個多酸催化工業化項目被成功開發。催化成為了多酸化學中一項永恆的研究課題。自從手性多金屬氧酸鹽被成功合成以後，人們便開始了手性多酸在不對稱催化領域的探索。手性多金屬氧酸鹽集多酸與手性材料的各種優異性能於一身。其獨特的可溶性類礦物金屬-氧化物結構，為手性的非生命起源學說及無機固體中手性傳遞的探索提供了理想的模型；其高的負電性，可調的酸鹼性、氧化還原活性及納米尺寸，更為多功能非線性光學、納米材料、立體選擇性催化以及醫藥等新材料的設計、合成帶來了新的希望。
目前，手性有機小分子催化劑很難實現用於工業化生產，主要由於催化劑活性較低、用量高且不易回收利用。要實現這些催化反應在工業上的應用，必須解決昂貴催化劑的回收利用是個嚴重的問題。
自從1993年Zubieta等人在《Nature》上報導採用水熱技術成功製備了類似DNA的手性雙螺旋結構的化合物(Me2NH2)K4[V10O10(H2O)4(OH)4(PO4)7]·H2O後，人們便開始了手性多酸在不對稱催化領域的探索。中國科學院化學所的羅三中教授等更在以有機胺小分子催化劑作為抗衡陽離子，多酸作為催化劑負載載體的領域做出了出色的工作(Organic letters,2007,9(18):3675-3678.)。他們合成了一系列的仲胺-叔胺型脯氨酸衍生物，採用強酸性多陰離子的[PW12O40]3-替代傳統酸-鹼協同催化中的礦物酸，合成了一系列手性有機胺-多酸雜化材料。這些材料對醛酮的直接Aldol反應，不對稱Michael加成反應等都表現出很高的催化活性和手性選擇性，但這些材料沒有明確的分子結構，不能進一步探究催化機理，不能解釋手性胺與多酸的協同作用。大連物化所段春迎課題組利用多金屬氧酸鹽(POMs)的組成、結構的多樣性以及電荷的可調變性，設計組裝一系列具有催化功能的多孔性的POMOFs，實現了它們在多相催化中的應用(Journal of the American Chemical Society,2013,135(28):10186-10189.)，但這些材料同樣沒有明確的分子結構，不能進一步探究催化機理，不能解釋MOFs與POMs的協同作用。
綜上所述，手性有機小分子催化劑很難實現用於工業化生產，主要由於手性有機小分子催化劑活性較低、用量高且不易回收利用。要實現這些催化反應在工業上的應用，必須解決昂貴催化劑的回收利用是個嚴重的問題。現有的手性有機小分子與POMs結合的新型材料，沒有明確的分子結構，不能進一步探究催化機理，不能解釋手性有機小分子與多酸的協同作用。
技術實現要素：
針對現有技術中的上述技術問題，本發明提供了一種(S)-1-(1-羥乙基-1-異丙基)硫脲修飾的Al-Anderson型雜多酸催化劑、製備方法及其應用。本發明解決了現有手性有機小分子催化劑活性較低、用量高且不易回收利用的技術問題，可用於芳香醛催化氧化製備芳香羧酸反應中。
本發明從有機小分子催化劑的設計思路出發，創新性地提出利用「酸-鹼」協同催化策略，以具有潛在催化活性的手性有機小分子作為前軀體，通過有機修飾等方法，巧妙地使有機小分子與高Bronsted酸性的缺位多陰離子結合，構築手性多酸材料的思路，並在實現這一思路的同時，有機修飾的多酸不但保留了多酸原有的結構，而且拓展了多酸的研究領域，使其在催化、藥物和功能材料方面具有潛在應用價值。以期望實現高的催化活性和高的對映選擇性催化的同時，解決昂貴催化劑的回收利用是個嚴重的問題。
本發明的技術方案具體介紹如下。
本發明提供一種(S)-1-(1-羥乙基-1-異丙基)硫脲修飾的Al-Anderson型雜多酸催化劑的製備方法，具體步驟如下：
1)將二水合鉬酸鈉與六水合三氯化鋁在酸性條件下反應生成Al-Anderson型雜多酸Na3[Al(OH)6Mo6O18]·10H2O；
2)將上述得到的Al-Anderson型雜多酸母體Na3[Al(OH)6Mo6O18]·10H2O與三羥基氨基甲烷進行水熱反應後，再室溫下和四丁基溴化銨TBAB反應得到有機單側氨基修飾的Al-Anderson型多金屬氧酸鹽[TBA]3{[NH2C(CH2O)3]AlMo6O18(OH)3}；
3)以L-纈氨醇為原料合成(S)-1-(1-羥乙基-1-異丙基)異硫氰酸酯；
4)將(S)-1-(1-羥乙基-1-異丙基)異硫氰酸酯與有機單側氨基修飾的Al-Anderson型多金屬氧酸鹽反應得到(S)-1-(1-羥乙基-1-異丙基)硫脲修飾的Al-Anderson型雜多酸催化劑。
本發明中，步驟1)中，二水合鉬酸鈉和六水合三氯化鋁的摩爾比為1:1～1:2，pH值在1.5～2之間；優選的，pH用鹽酸或者鹽酸和醋酸的混合物調節。
本發明中，步驟2)中，水熱反應的溫度為135～145℃，反應時間為20～30h；Al-Anderson型雜多酸母體Na3[Al(OH)6Mo6O18]與三羥基氨基甲烷的摩爾比為1:2～1:5；Al-Anderson型雜多酸母體Na3[Al(OH)6Mo6O18]和四丁基溴化銨TBAB的摩爾比為1：3～1:5。
本發明中，步驟4)中，有機單側氨基修飾的Al-Anderson型多金屬氧酸鹽與(S)-1-(1-羥乙基-1-異丙基)異硫氰酸酯的摩爾比為1:3～1：5；反應溫度為45～55℃，反應時間為2～3天，反應溶劑為極性非質子溶劑。
本發明還提供一種上述製備方法得到的(S)-1-(1-羥乙基-1-異丙基)硫脲修飾的Al-Anderson型雜多酸催化劑。
本發明進一步提供上述(S)-1-(1-羥乙基-1-異丙基)硫脲修飾的Al-Anderson型雜多酸催化劑在芳香醛催化氧化製備芳香羧酸反應中的應用。應用方法如下：
取適量芳香醛，在50～70℃的溫度、以水為溶劑的條件下，加入(S)-1-(1-羥乙基-1-異丙基)硫脲修飾的Al-Anderson型雜多酸催化劑，在氧化劑作用下反應，得到芳香羧酸。優選的，使用過氧化氫作為氧化劑，(S)-1-(1-羥乙基-1-異丙基)硫脲修飾的Al-Anderson型雜多酸催化劑的使用量為芳香醛的0.5mol％～2mol％。
和現有技術相比，本發明的有益效果在於：本發明不僅可以利用手性有機小分子的共價修飾作用打破多酸的高對稱性，引入手性，提高其在催化反應中的立體選擇性，而且也能將有機手性小分子的不對稱催化或生物醫藥活性等功能特性引入多酸，並使有機部分與無機的多陰離子有機地結合為一個整體，從而產生協同作用獲得更多新穎的性質。該催化劑具有反應條件溫和、環境友好、高效、高對應選擇性和可回收利用等優點，可適用於工業化生產。同時，以常見非貴金屬為中心原子，使得本催化劑具有更加低廉的生產成本，更具有市場推廣價值。
附圖說明
圖1是本發明的合成路線圖。
圖2是母體Na3[Al(OH)6Mo6O18]的紅外譜圖。
圖3是(S)-1-(1-羥乙基-1-異丙基)異硫氰酸酯的核磁譜圖。
圖4是單側氨基修飾的Al-Anderson型多金屬氧酸鹽的紅外譜圖。
圖5是(S)-1-(1-羥乙基-1-異丙基)硫脲修飾的Al-Anderson型雜多酸催化劑的核磁譜圖。
具體實施方式
以下採用實施例來詳細說明本發明的實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題，並達成技術效果的實現過程能充分理解並據以實施。
圖1是本發明的合成路線圖。
實施例1
Al-Anderson型雜多酸母體Na3[Al(OH)6Mo6O18]的製備
取14g(59.6mmol)鉬酸鈉加入到500mL去離子水中，充分攪拌得到澄清液，室溫下維持強力攪拌，開始緩慢加入6g(37.2mmol)氯化鋁固體，緩慢加入200mL冰醋酸。之後滴加36％濃鹽酸，將體系的pH調到1.5～2.0。停止攪拌，將液體傾倒入燒杯中靜置，待白色針狀晶體長出。抽濾，得到11.48g白色晶狀固體原料，收率82％。
母體Na3[Al(OH)6Mo6O18]的紅外譜圖如圖2所示。
實施例2
(S)-1-(1-羥乙基-1-異丙基)異硫氰酸酯的製備
在乾燥的反應容器中加入L-纈氨醇(5mmol)，用20mL醇溶解，隨後分別緩慢加入加CS2(0.1142g,15mmol)和三乙胺(0.506mg,5mmol)，在室溫攪拌反應1h後，隨後在0℃條件下加入二碳酸二叔丁酯(Boc2O)(1.091mg,5mmol)和4-二甲氨基吡啶(DMAP)(18mg,0.15mmol)，在室溫攪拌反應2h後(在攪拌的過程有氣體產生，應注意放氣減壓)，可獲得0.7451g(S)-1-(1-羥乙基-1-異丙基)異硫氰酸酯。
(S)-1-(1-羥乙基-1-異丙基)異硫氰酸酯的核磁譜圖數據如圖3所示。
1H NMR(501MHz,CDCl3)δ7.3-7.5(dt,J＝12.3,7.7Hz,5H),4.90-4.95(q,J＝6.7Hz,1H),1.65-1.70(d,J＝6.8Hz,3H).
實施例3
單側氨基修飾的Al-Anderson型多金屬氧酸鹽的製備
將上述得到的Anderson母體Na3[Al(OH)6Mo6O18]1.071g(1mmol)用10mL去離子水中溶解，得到淺無色透明清液後，緩慢加入三羥基氨基甲烷0.402g(3mmol)。之後將上述體系加入水熱釜，在水熱釜中加熱到140℃，反應進行24h後，在85℃條件下將4.83g四丁基溴化銨加如上述溶解的溶液中，產生大量白色沉澱即粗產物，抽濾即可得到無色透明液體，放置得到結晶，即為有機單側氨基修飾的Al-Anderson型多酸[TBA]3{[CH2NH2C(CH2O)3]AlMo6O18(OH)3}。
單側氨基修飾的Al-Anderson型多金屬氧酸鹽的紅外譜圖如圖4所示。
實施例4
(S)-1-(1-羥乙基-1-異丙基)硫脲修飾的Al-Anderson型雜多酸催化劑的製備
將有機單側氨基修飾[TBA]3{[CH2NH2C(CH2O)3]AlMo6O18(OH)3}0.5g(0.279mmol)用5mL的DMF在50℃條件下溶解後，加入(S)-1-(1-羥乙基-1-異丙基)異硫氰酸酯0.224g(1.375mmol)，維持50℃攪拌條件下，反應時間2～3天，反應結束後將無色澄清液放置乙醚氛圍中結晶，若干天后可得到無色透明晶體，即獲得(S)-1-(1-羥乙基-1-異丙基)硫脲修飾的Al-Anderson型雜多酸催化劑。
(S)-1-(1-羥乙基-1-異丙基)硫脲修飾的Al-Anderson型雜多酸催化劑的核磁譜圖數據如圖5所示。
1H NMR(501MHz,DMSO)δ7.90(s,2H),7.22(d,J＝52.0Hz,5H),2.99(d,J＝136.8Hz,23H),1.52(s,24H),1.23(d,J＝43.5Hz,24H),0.89(s,36H)。
應用實施例
(S)-1-(1-羥乙基-1-異丙基)硫脲修飾的Al-Anderson型雜多酸催化劑催化氧化芳香醛製備芳香羧酸的反應
在反應管中加入1mmol的芳香醛以及0.1mol％的(S)-1-(1-羥乙基-1-異丙基)硫脲修飾的Al-Anderson型雜多酸催化劑，加入5ml H2O作為溶劑，加入4mmol的H2O2作為氧化劑，在50～70℃下反應24h。反應進度及產率可通過GC-Ms進行測試。催化的產物及收率結果見表1。催化劑(苯甲醛催化反應體系)回收利用所得到的結果見表2。
表1.Al-Anderson型雜多酸催化劑催化氧化芳香醛的反應結果
表2催化劑回收利用的實驗結果
所有上述的首要實施這一智慧財產權，並沒有設定限制其他形式的實施這種新產品和/或新方法。本領域技術人員將利用這一重要信息，上述內容修改，以實現類似的執行情況。但是，所有修改或改造基於本發明新產品屬於保留的權利。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非是對本發明作其它形式的限制，任何熟悉本專業的技術人員可能利用上述揭示的技術內容加以變更或改型為等同變化的等效實施例。但是凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬於本發明技術方案的保護範圍。