钌系催化剂在不对称催化氢化反应中的应用

钌系催化剂在不对称催化氢化反应中的应用何伟平 20083310 应化 08-1 班摘要：潜手性酮不对称加氢生成的手性仲醇是合成手性药物和精细化学品的重要中间体，钌催化剂对催化无论是简单酮还是0 -酮酸酯的不对称加氢反应具有显著的优越性。关键字：不对称氢化、钉、酮、0 -酮酸酯。不对称催化反应作为一个手性增量过程已成为人工合成旋光性产物最有效的手段之一。 其中不对称氢化反应发展较快,是研究得较多的一类反应。不对称催化具有容量大、产率高 反应速度快、产物分离相对容易、催化剂的手性易于通过改变配体来修饰等优点，使该领域 成为国际化学家研究的热点。酮的不对称催化加氢已成为合成手性醇最重要的方法之一，而 钌催化剂对催化酮的不对称加氢反应具有的高活性和高对映选择，使它一直被各国化学家所 关注。本文对钌系催化剂不对称催化氢化简单酮和0 -酮酸酯的最新进展进行综述。1 简单酮的不对称氢化对不含官能团的简单芳香酮来说，由于除酮羰基外不具有与催化剂中心金属进行配位的 辅助功能基团, 因此导致钌-膦配合物催化剂对这类酮加氢的对映选择性不高。直到1995 年Noyori发现Ru(II) BINAP-diam ineKOH催化体系后，才使得简单芳香酮的不对称催化加 氢在催化活性和对映选择性上有了突破性的进展。此后，膦配体、钌、手性二胺形成的三元图 1 可能的过渡态配合物常用作简单酮进行不对称催化氢化反应的催化剂。机理研究表明，手性双胺双膦钉催化剂之所以获 得很高的催化活性和对映选择性 一个可能的原因 是：在反应过程中，上述催化剂可与反应底物酮生成 催化活性的六元环过渡态。首先，手性胺膦钉络合物 在碱的作用下生成Ru-H络合物，红外光谱已证实了 该结构的存在。此外，手性配体中的“NH”官能团， 在催化反应过程中，通过形成氢一氧键，可能生成电 荷交替的六元环过渡态(图1)。同时，催化剂各配体的存在使底物酮只能沿着特 定的反应通道与催化剂络合，从而有利于单一对映体产物的生成。厦门大学李岩云等根据金属原子簇络合物含有多个金属中心，可望发挥多个金属原子间 的协同作用，参与对底物的有效络合与活化的依据，成功设计并合成了用羰基钉原子簇Ru (CO) 作为催化剂的前体，分别与手性双胺双膦配体组合的手性原子簇催化体系。相对 3 12 于单核钉催化剂，其转化率和 ee 值均有大幅提高(表 1)。表 1 原子簇/手性胺膦配体混和体系催化芳香酮的不对称转移氢化酮手性催化剂产率 (%)ee (%)1 苯乙酮苯乙酮Ru3(CO)12/5Ru3(CO)12/1911181833苯乙酮Ru3(CO)12/596824苯乙酮Ru3(CO)12/594955苯乙酮Ru3(CO)12/598966苯乙酮Ru3(CO)12/172927苯乙酮Ru3(CO)12/193928苯乙酮Ru3(CO)12/548999苯乙酮Ru3(CO)12/5799910苯乙酮Ru3(CO)12/1309411苯乙酮Ru3(CO)12/16690另著名的 Noyori 单核钌催化剂对异丁基苯酮的不对称氢转移氢化 , 其转化率和对映选择性分别为 41%和 83% , ee 值 23%。近年来, 对手性双膦和手性二胺的研究已成为不对称催化领域的研究热点。以下是几 种该类催化剂。图2 非手性膦配体钌催化剂C膦配体、钌、手性二胺形成的三元配合物催化剂其条件温和，反应温度为室温，氢压2MPa左右。转化率都接近或超过90%, ee值也较高。但其作为均相催化剂，难以与手性产 物分离。因此，实现易循环的多相不对称催化剂成为研究热点。四川大学熊伟等以L-脯氨 酸做为修饰剂，修饰Ru-PPh3/ Y-A12O3催化剂催化芳香酮不对称加氢反应，成功实现了传 统均相催化剂难分离的缺点。2 B -酮酸酯的不对称氢化B -酮酸酯通过加氢得到的光学产物B -羟基酸酯是合成多种物质的手性原料，因而具 有重要的研究价值。目前常用的方法有多相、两相和均相体系不对称加氢。多相法中兰尼镍 (Ni/Ta)是首选的催化剂前体，通过不同的修饰剂改性来提高催化性能；两项和均相法通 常用到过度金属配合物催化剂，在此对钌在该方面的进展简述。常用的钌配体有 BINAP、MeO-BIPHEP、P-Phos 等。 研究表明，对带有官能团的酮的不对称加氢反应，含有卤素的 Ru-BINAP 络合物要优 于 含有二羧酸酯的Ru-BINAP。1987年，Noyori报导了以RuX2(BINAP)配合物在温和的条件 下催化B -酮酸酯加氢，产物的光学纯度接近100%。这为它的实际应用提供了非常有利的工 业化条件。其原因是这些官能团在催化加氢中能起到导向作用，立体识别的关键因素是它们 具有辅助基团的杂原子，使得多数功能化的酮都以高对映选择性和可预见构型的方式被加 氢。在研究中发现Ru-双膦催化剂用于B -芳基酮酸酯的加氢时，其对映选择性要比用于B 烷基酮酸酯的低。这是因为!#芳基酮酸酯中的芳基能和BINAP中的一个苯基形成弱的n - n堆叠而形成一个不利的过渡态，这个弱的堆叠对这个不利的过渡态有轻微的稳定作用， 导致对映选择性下降。B -酮酸酯的催化机理为当催化剂与氢气接触时Ru失去一个氯离子形成RuHCl(BINAP) 然后它与酮酸酯可逆地形成酮酯络合物B，B再从中心Ru向配位酮的负氢转移形成C，D 再与氢气反应 ，完成催化循环(图 3)。其他配体的钌系催化剂催化机理类是。图3 Ru-BINAP催化0 -酮酸酯的不对称氢化的机理四川大学彭宗海等通过一系列的对烷氧基取代 MeO-BIPHEP 型手性双膦钌配合物催化B -酮酸酯不对称加氢反应(图4)。发现对位长链烷氧基的引入对反应活性的影响不大， 但可显著提高产物的对映选择性。当苯基对位取代基为正丁氧基时, 催化剂对产物 的对映选择性最高。当底物羰基上的取代基R为吸电子基或空间位阻较大时，产物的对映选择性明 显下降；但当酯基 上的取代基R具 有较大的空间位阻 时， 加氢反应仍能 获得较高的活性和 对映选择性。当 R 为芳基或取代芳基 时， 反应活性有所 降低， 但加氢产物 的 ee 值仍然较高 (90.6%以上)。此外，部分科学CO2R出百Ligand L*OH4吋Ar - jpHOC6H4Ar = CH3（CH2）sOC6H4 （7?-1c: Ar -/j-CH3（CH2）7）C6H4Ar 分CHWH$i OC6H4 （尺卜 1 巴 Ar -家直接将单质钌特殊处理后催化不对称加成也取得了不错的效果。3 结论随着科学技术的发展和人类生活质量的提高，人类对生命的重视和对药物需求的日益高 涨，不对称加氢已越来越受到人们的关注。由于酮尤其是B -酮酸酯的不对称加氢产物(B - 羟基酸酯)是合成多种物质的手性原料，对它的进一步研究将具有重要的理论意义和实用价 值。而钌催化剂对催化酮的不对称加氢反应具有的高活性和高对映选择，使对其理论研究还 将不断深入，并逐渐转化为具有实际生产意义。参考文献1陶明，陈丽，熊伟等。RuCl(BISBI)(R,R)-DPEN催化苯乙酮不对称加氢反应研究J。有机化学， 2006，26(4):559-562.2；2 NoyoriR, OhkumaTAsymmetric catalysis by architectural and functionalmolecular engineering: practical chemoand stereoselective hydrogenation of ketones J. Ang ew Chem Int Engl, 2001,0( 1):073.3 陶明，熊伟，陈华等。RuClP(CH)-(R,R)-DPEN催化萘乙酮不对称加氢反应J。催化学报，2006, 27(12)；4 熊伟、汤波、刘德蓉等。(1S，2S) -DPEN修饰的负载型钉膦配合物催化苯乙酮及其衍生物不对称加 氢反应研究J。化学研究与应用，2008，8 (20)；5 Ohkuma T, Ooka H, Ikariya T, Noyori R. Practical enantioselective hydrogenation of aromatic ketones J. J Am Chem Soc, 1995, 117( 9): 26752676；6 李岩云、董振荣、张娟等。手性胺膦配体在不对称催化中的应用J。中国科学：化学，2011，4 (41)；7 蒋召雪，张 宇，杨玉霞。三苯基膦-氯化钉-DPEN催化取代苯乙酮不对称加氢J。西昌学院学报自 然科学版， 2008， 6( 22)；8 吴进。B -酮酸酯的不对称加氢反应研究进展J。西昌学院学报自然科学版.2005, 9 (19) 3；