一種脯氨醇衍生物誘導具有不對稱催化作用的手性MOFs材料的製作方法

2023-11-01 05:36:42 1

專利名稱：一種脯氨醇衍生物誘導具有不對稱催化作用的手性MOFs材料的製作方法
技術領域：
本發明屬於手性催化材料技術領域，涉及到以脯氨醇衍生物為誘導劑誘導形成單 一手性金屬有機骨架材料及其在非均相不對稱反應的催化作用。
背景技術：
金屬有機配位聚合物(metal-organic frameworks，MOFs)是金屬離子與橋聯有機 配體通過配位作用而自組裝形成的有機_無機複合微孔材料。20世紀90年代中期以來， 由於這類材料兼有有機和無機材料的特性、結構多樣，性能優異，作為功能材料在選擇性催 化，分子識別，氣體吸附，離子交換，超高純度分離材料，生物傳導材料，光電材料，新型半導 體材料，磁性材料和晶片開發等領域顯示了迷人的應用前景，受到了了全球化學、材料學者 的極大關注，成為九十年代後化學和材料學科領域最活躍和最前沿的研究領域。在生物過程中手性的重要性不言而喻，這促使人們一直在致力於手性沸石和相關 的多孔材料的研究。儘管在合成大孔沸石方面已經有了很大的突破，但是至今還沒有合成 出手性沸石。金屬有機配位網絡與傳統的沸石相比更具優勢，它可以在溫和的條件下合成， 並能通過修飾有機配體達到改變多孔材料的物理和化學性質。通過合理選擇恰當的建築模 塊可以得到手性MOFs，已有多孔材料被成功地應用到了手性分離和催化研究的報導。目前 常用的三種合成純手性金屬有機超分子的方法1)螺旋結構的存在能使三維網絡結構產 生手性，例如包含3折和4折螺旋的(10，3)網絡結構，往往會產生外消旋體，化學拆分比較 困難；(2)利用手性模板劑誘導得到手性金屬有機超分子骨架，而模板劑常常存在孔洞中， 從而阻礙其性能的進一步開發及研究；(3)利用手性有機分子單體作網絡結構的聯結點構 建手性金屬有機超分子骨架。正是由於手性金屬有機超分子骨架在構築上有一定的困難， 所以儘管手性MOFs在非均相催化方面有著很大的潛力，但真正應用到催化的例子並不多。為解決上述問題，打破手性MOFs材料在催化不對稱合成方面實際應用的瓶頸，利 用具有催化活性的於性誘導劑誘導合成具有大的孔洞手性MOFs使其展現出手性和催化活 性是一條行之有效的途徑。1.在橋聯配體的選擇上，芳香羧酸具有在結構上具有一定的剛性和穩定性，芳香 環上多個羧基的取代位置可變，配位平面可發生旋轉，取向靈活的特色，成為我們選擇的重佔.
^ \\\ 2.誘導劑的選擇上，脯氨醇作為一種結構簡單而且自然界含量豐富的手性分子， 近幾年來備受關注，它無毒、廉價，兩種對映體均易獲得；反應不需要惰性氣氛，並且可在室 溫下進行；反應不需要對底物進行預修飾；具有水溶性，通過水萃取可簡單除去。咪唑是一 類重要的氮雜環化合物，其具有優良的結構特徵和配位特性，含咪唑基配體的配位聚合物 具有許多特殊的性能，在生命科學、功能材料如選擇性催化、分子識別、可逆性主客體分子 (離子)交換、超高純度分離和微孔器件等方面都有應用，將兩者融合為一體將會更加顯現 出誘人的應用前景。
3.在金屬連結點的選擇上，具有高配位數的稀土元素，易產生多變的結構，成為構 築MOFs的重要組成部分。目前國際上在手性MOFs的構築及其催化的研究上有所報導，Makoto Fujita (Chem. Commun. ，2004，1586 — 1587)禾口 R. Long(J. Am. Chem. Soc. 2008，130， 5854-5855)利用金屬有機骨架結構(MOFs)催化醛的矽氰化反應，但是沒有對映體選擇性， Kimoon Kim(J. Am. Chem. Soc. 2009,131，7524-7525)將脯氨酸衍生物通過後修飾方法嫁接 到MIL-IOl上催化Adol反應，但是未得到晶體結構和高密度的催化位點，導致其催化效率 不高以及其機理無法解釋。因此，由手性配體或手性誘導劑通過水熱方法合成的單一的手 性MOFs，擁有晶體結構和高密度的催化位點，在不對稱催化方面展現出誘人的應用前景。

發明內容
本發明以N-叔丁氧羰基-2-咪唑-1-吡咯烷為手性源構築單一手性金屬有機骨 架及其在不對稱催化上的應用，由於其在高溫高壓條件下的穩定性，使它作為催化劑提供 前提，其在多種溶劑中的不溶解性，使它易與催化產物分離，為催化劑的可再生提供可能。 而且本發明涉及的金屬有機骨架材料製備簡單，原料廉價。本發明採用的技術解決方案是以L-N-叔丁氧羰基-2-咪唑-1-吡咯烷或D-N-叔丁氧羰基_2_咪唑吡咯 烷(L-BCIP或D-BCIP)為手性源，以5，5，-亞甲基二異酞酸(H4MDIP)，4，4，-聯苯二酸 (H2BPDC)，3，3，，4，4，-聯苯四酸(H4BPTC)，4，4，-磺醯苯二酸(H2SDBC)為聯接配體 L，稀土 金屬離子(Ln3+)作為節點通過水熱方法構築三維孔道結構(Ln-MDIP)，其通式如下Ln3++L+L-BCIP or D-BCIP — Ln_L其中反應原料L-N-叔丁氧羰基-2-咪唑-1-吡咯烷或D-N-叔丁氧羰基_2_咪 唑-1-吡咯烷以L-脯氨醇或D-脯氨醇為起始原料參照文獻方法合成(S.Z.Luo， J. P. Cheng, Tetrahedron2007，63，1923-1930)，5，5，-亞甲基二異酞酸(H4MDIP)是以間苯 二甲酸為原料按文獻(MazikM，Konig A. Eur. J. Org. Chem. 2007，36，3271-3276.)方法製備。 將稀土金屬的硝酸鹽，L-N-叔丁氧羰基-2-咪唑-1-吡咯烷或D-N-叔丁氧羰基-2-咪 唑-1-吡咯烷和5，5』 -亞甲基二異酞酸按照2 1 2比例加入水中，並用三乙胺調節溶 液至弱酸性(一般PH = 6)，放置於烘箱燒制有晶體析出，過濾乾燥即為目標材料Ln-MDIP。上述的功能材料Ln-MDIP可以選擇生成如下特徵結構一類以5，5』_亞甲基二異酞酸(H4MDIP)為橋聯配體的催化材料，可以具有如下結
構特徵formula see original document page 5 一類是4，4』 -聯苯二酸(H2BPDC)為橋聯配體的催化材料，可以具有如下結構特 徵
formula see original document page 6一類是以3，3』，4，4』 -聯苯四酸(H4BPTC)為橋聯配體的催化材料，可以具有如下
結構特徵
formula see original document page 6一類是以4，4』_磺醯苯二酸(H2SDBC)為橋聯配體的催化材料，可以具有如下結構
特徵
formula see original document page 6該目標材料Ln-MDIP可以對不對稱反應進行催化作用。稀土元素具有較高的配位 數和多變的配位方式，使得在合成中對於稀土元素的控制相對於過渡金屬困難，但是這也 為獲得更多的新結構提供可能。配位不飽和性，可以作為Lewis酸，催化芳香醛的矽氰化反 應能夠產生幾乎純的對映體化合物。催化過程均為非均相，可以通過過濾使催化劑得到循 環利用而且催化效率並未降低。本發明的效果和益處是Ln-MDIP催化材料採用一步合成簡單易操作，原料價格低 廉，產率高，得到的功能材料化學性質穩定，易於大面積推廣應用。MOFs催化材料比表面積 大，使用量只需要底物的百分之二，就有很好立體選擇性，適合工業大規模生產之用。


圖1實施例3的結果實施例3的材料的合成程序，結構及CD色譜圖。圖2a實施例3的結果實施例3的材料熱穩定性能圖。圖2b實施例3的結果實施例3的材料紅外測試圖。圖3實施例5的結果實施例3的材料對芳香醛矽氫化反應催化性能測試圖。圖4實施例6的結果實施例3的材料催化循環利用圖。圖5實施例6的結果實施例3的材料催化後結構測試圖。
具體實施例方式為了更清楚地說明本發明內容，用具體實施例說明如下，具體實施例不限定本發 明內容範圍。實施例1(催化劑的合成)L-N-叔丁氧羰基脯氨醇(11. 3g，56mmol) IOOmL吡啶溶液在0 °C下緩慢加入對甲苯黃醯氯(13. Ig, 68. Smmol)攪拌過夜，用350mL的乙酸乙酯稀釋並分別用IN HCl(200mLX5)j@*NaHC03(150mLX2)和食鹽水(IOOmLX 2)萃取，有機層用無水硫酸鈉 乾燥，旋幹得到黃色油狀物。取黃色油狀物(6.6g，18.6mmol)60mL乙腈溶液中加入咪唑鈉 鹽(2.51g，27. 9mmol)加熱回流1. 5h，冷卻至室溫，用氯仿萃取，旋乾乾燥，得到淺黃色固體 l-n-叔丁氧羰基-2"咪唑-1-吡咯烷(bcip)。1H-NmrgoomHz, cdcl3) :d 1. 27-1. 28 (1h, m)，1. 48 (9H, s)，1. 60-1. 75 (2H, br)，1. 89-1. 94 (1H, m)，3. 14-3. 37 (2H, m)，3. 99-4. 08 (2H, m)，4. 22-4. 26 (1h, m)，6. 87 (1h, s)，7. 04 (1h, s)，7. 44 (1h, s).實施例2 (催化劑的合成)在IOOOml的圓底燒瓶中依次加入Isophthalic acid(99g，0. 6mol)、濃度為50%的 發煙硫酸300ml、多聚甲醛(9.3g，0.3mol)。該混合物在118°c下攪拌反應6h，然後停止加熱。 待冷卻到室溫後將該反應混合物小心的倒入盛有大量冰塊的玻璃容器中，用玻璃棒攪拌約 20min，靜置一段時間後抽濾，將抽濾得到的淺黃色沉澱真空乾燥。將上面反應得到的黃色固 體溶於300ml的飽和hcl甲醇溶液中，95°c下回流lh，冷卻至室溫後將反應混合物抽濾，得到 黃色的粗產物。將該粗產物溶於300ml氯仿中，濾出不溶物後將濾液旋蒸，得到淺橙色固體。 將該淺橙色固體用乙酸乙酯洗滌、真空乾燥後得到接近於白色的固體產物27g，產率22%。 1h-nmr (400mhz, cdcl3) δ = 8. 55 (t，2η)，8. 05 (d，4η)，4. 16 (s，2h)，3. 93 (s，12h)。在 1000ml 圓底燒瓶中力口入 3，3' ,5,5' -Tetrakis (methoxycarbonyl)-dipheny lmethane (12g,30mmol)、thf (300ml)、NaOH (19. 2g,480mmol)、蒸餾水 300ml，該反應混合物 在95°c下回流ih後、減壓蒸餾將thf除去，剩餘的水溶液在該溫度下繼續反應4h。停止 加熱，待反應混合物冷卻到室溫後用50%的硫酸溶液處理，待出現大量白色沉澱後抽濾、水 洗、真空乾燥，得到白色產物 10g，產率97%。1h-匪r(400mhz，dms0-d6) δ = 13. 28(s，4h)， 8. 32 (t, 2h)，8. 07 (d, 4h)，4. 28 (s, 2h)實施例3 (催化劑的合成)5，5，-亞甲基二異酞酸(H4MDIP) (0.086g，0.25mmol)，六水合硝酸鈰(0. 0217g, 05mmol)，L-N-叔丁氧羰基_2_咪唑-1-吡咯烷(0. 125g，0. 5mmol)溶於水中，並用三苯胺 調節溶液的ph值達到6左右，攪拌均勻後，置於烘箱中，100°c燒制3天，關閉烘箱，冷卻至 室溫，無色塊狀晶體產生，過濾，乾燥，產率60%。Anal calc. for C17H11CeO9-H2O=C 39.46， H 2. 53% ；Found :C 38. 53，H 2. 91% .實施例4 (催化劑的合成)5，5，-亞甲基二異酞酸(H4MDIP) (0.086g，0.25mmol)，六水合硝酸鈰(0. 0217g, 05mmol), D-N-叔丁氧羰基-2-咪唑-1-吡咯烷(0. 125g，0. 5mmol)溶於水中，並用三苯胺 調節溶液的ph值達到6左右，攪拌均勻後，置於烘箱中，100°c燒制3天，關閉烘箱，冷卻至 室溫，無色塊狀晶體產生，過濾，乾燥，產率60%。Anal calc. for C17H11CeO9-H2O=C 39.46， H 2. 53% ；Found :C 38. 53，H 2. 91% .
實施例5 (矽氰化反應催化實驗)芳香醛(0.5mmol)，三甲基矽氰(1. 2mmol)，催化劑 Ce-MDIP (2mol % )在 25°C 乙腈 溶液中攪拌，通過薄層色譜法(TCL)跟蹤反應，反應Ilh後，加溶劑淬滅反應，將催化劑過濾 出來乾燥待下次使用。產率用1H-NMR測定，ee值用高效液相色譜法測定。測試結果見附圖 3。實施例6 (催化劑的循環利用)芳香醛(0. 5mmol)，三甲基矽氰(1. 2mmol)，回收的催化劑Ce_MDIP(2mol % )在 25°C乙腈溶液中攪拌，反應Ilh後，停止反應，回收催化劑。測定產率和ee。再用這次回收 的催化劑催化該反應，測定其產率和ee。測試結 果見附圖4。
權利要求
一種脯氨醇衍生物誘導具有不對稱催化作用的手性MOFs材料，其特徵在於，以L-BCIP或D-BCIP為手性源，以5，5』-亞甲基二異酞酸、4，4』-聯苯二酸、3，3』，4，4』-聯苯四酸或4，4』-磺醯苯二酸為聯接配體，Ln3+作為節點通過水熱方法構築三維孔道結構，其結構通式如下Ln3++L+L-BCIP or D-BCIP→Ln-L其中，Ln3+為稀土金屬離子；L為聯接配體；L-BCIP為L-N-叔丁氧羰基-2-咪唑-1-吡咯烷；D-BCIP為D-N-叔丁氧羰基-2-咪唑-1-吡咯烷；
2.根據權利要求1所述的一種脯氨醇衍生物誘導具有不對稱催化作用的手性MOFs材 料，其特徵在於，以5，5』 -亞甲基二異酞酸(H4MDIP)為橋聯配體，具有如下結構特徵formula see original document page 2
3.根據權利要求1所述的一種脯氨醇衍生物誘導具有不對稱催化作用的手性MOFs材 料，其特徵在於，以4，4』 -聯苯二酸(H2BPDC)為橋聯配體，具有如下結構特徵formula see original document page 2
4.根據權利要求1所述的一種脯氨醇衍生物誘導具有不對稱催化作用的手性MOFs材 料，其特徵在於，以3，3』，4，4』 -聯苯四酸(H4BPTC)為橋聯配體，具有如下結構特徵formula see original document page 2
5.根據權利要求1所述的一種脯氨醇衍生物誘導具有不對稱催化作用的手性MOFs材 料，其特徵在於，以4，4』 -磺醯苯二酸(H2SDBC)為橋聯配體，具有如下結構特徵formula see original document page 2
6.權利要求1-5任一所述手性MOFs材料的製備方法，其特徵在於，將稀土金屬的硝酸 鹽，L-N-叔丁氧羰基-2-咪唑-1-吡咯烷或D-N-叔丁氧羰基-2-咪唑-1-吡咯烷和橋聯配體按照2 1 2比例加入水中，並用三乙胺調節溶液至弱酸性，放置於烘箱燒制至有晶 體析出。
全文摘要
本發明公開了一種脯氨醇衍生物誘導具有不對稱催化作用的手性MOFs材料，屬於手性催化材料技術領域。其以L-BCIP或D-BCIP為手性源，以5，5』-亞甲基二異酞酸、4，4』-聯苯二酸、3，3』，4，4』-聯苯四酸或4，4』-磺醯苯二酸為聯接配體，Ln3+作為節點通過水熱方法構築三維孔道結構，其結構通式如下Ln3++L+L-BCIP or D BCIP→Ln-L；其中，Ln3+為稀土金屬離子；L為聯接配體；L-BCIP為L-N-叔丁氧羰基-2-咪唑-1-吡咯烷；D-BCIP為D-N叔丁氧羰基-2-咪唑-1-吡咯烷。該材料能作為非均相催化劑用於不對稱矽氰化反應，因而催化劑可循環利用，產率高達100％，ee值也達到99％。因此該手性MOFs材料可以在對映體純的化合物合成、藥物中間體的合成等方面具有很好的應用前景。此材料經適當處理可再生利用。
文檔編號B01J31/22GK101830920SQ20101018073
公開日2010年9月15日 申請日期2010年5月20日 優先權日2010年5月20日
發明者何成, 武鵬彥, 段春迎, 謝忠 申請人:大連理工大學