CN105854941B - (S)-1-(1-苯乙基)硫脲修饰的Cr-Anderson型杂多酸催化剂、制备方法及其应用 - Google Patents

(S)-1-(1-苯乙基)硫脲修饰的Cr-Anderson型杂多酸催化剂、制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种(S)‑1‑(1‑苯乙基)硫脲修饰的Cr‑Anderson型杂多酸催化剂、制备方法及其应用。本发明首先将钼酸铵与硝酸铬反应生成Cr‑Anderson型杂多酸(NH4)3[Cr(OH)6Mo6O18]；再将其与三羟基氨基甲烷在水热釜中进行水热得到有机单侧氨基修饰的多金属氧酸盐；接着以(S)‑(+)‑1‑苯基乙胺为原料合成(R)‑1‑(1‑苯乙基)异硫氰酸，最后将异硫氰酸与将有机单侧氨基修饰的多金属氧酸盐反应得到目标杂多酸催化剂。本发明制备方法简单，得到的杂多酸催化剂用于烯烃的不对称双羟基化反应，环境友好、可回收利用，具有高对映选择性和高催化活性，适用于工业化生产。

Description

(S)-1-(1-苯乙基)硫脲修饰的Cr-Anderson型杂多酸催化剂、 制备方法及其应用
技术领域
本发明属于催化化学技术领域，尤其涉及不对称选择催化，具体来说是(S)-1-(1-苯乙基)硫脲修饰的Cr-Anderson型杂多酸催化剂、制备方法及其应用。
背景技术
2001年诺贝尔奖获得者Noyori教授指出：“未来的合成化学必须是经济的、安全的、环境友好的以及节省资源和能源的化学，化学家需要为实现‘完美的反应化学’而努力，即以100％的选择性和100％的收率只生成需要的产物而没有废物产生”。手性催化合成作为实现“完美合成化学”的重要途径之一，其中，手性催化剂是手性催化研究中的最核心科学问题。从反应原理上看，手性有机小分子催化是通过和反应底物以不稳定的共价键可逆地形成活性中间体或通过若相互作用，如氧键、范德华力或离子对等活化反应底物。虽然均相手性催化具有高效、高对映选择性和反应条件温和等特点，但大多数情况下，催化剂用量高摩尔分数。要实现这些催化反应在工业上的应用，必须解决昂贵催化剂的回收利用是个严重的问题。
催化是多金属氧酸盐应用中最有前途且最具实用价值的研究方向。多金属氧酸盐同时集酸碱催化剂、氧化还原催化剂、金属氧化物纳米催化剂等的优良特性于一身，被认为是一种应用广泛的绿色的多功能催化剂。早在20世纪初，人们就开始对多酸的催化性能进行了研究。到目前为，已有8个多酸催化工业化项目被成功开发。催化成为了多酸化学中一项永恒的研究课题。自从手性多金属氧酸盐被成功合成以后，人们便开始了手性多酸在不对称催化领域的探索。手性多金属氧酸盐集多酸与手性材料的各种优异性能于一身。其独特的可溶性类矿物金属-氧化物结构，为手性的非生命起源学说及无机固体中手性传递的探索提供了理想的模型；其高的负电性，可调的酸碱性、氧化还原活性及纳米尺寸，更为多功能非线性光学、纳米材料、立体选择性催化以及医药等新材料的设计、合成带来了新的希望。
目前，手性有机小分子催化剂很难实现用于工业化生产，主要由于催化剂活性较低、用量高且不易回收利用。要实现这些催化反应在工业上的应用，必须解决昂贵催化剂的回收利用是个严重的问题。
自从1993年Zubieta等人在《Nature》上报道采用水热技术成功制备了类9似DNA的手性双螺旋结构的化合物(Me2NH2)K4[V10O10(H2O)4(OH)4(PO4)7]·H2O后，人们便开始了手性多酸在不对称催化领域的探索。中国科学院化学所的罗三中教授等人在以有机胺小分子催化剂作为抗衡阳离子，多酸作为催化剂负载载体的领域做出了出色的工作(Organicletters,2007,9(18):3675-3678.)。他们合成了一系列的仲胺-叔胺型脯氨酸衍生物，采用强酸性多阴离子的[PW12O40]3-替代传统酸-碱协同催化中的矿物酸，合成了一系列手性有机胺-多酸杂化材料。这些材料对醛酮的直接Aldol反应，不对称Michael加成反应等都表现出很高的催化活性和手性选择性。有机胺小分子作为抗衡阳离子与多酸通过静电作用组装，但这些材料没有明确的分子结构，不能进一步探究催化机理，不能解释手性胺与多酸的协同作用。大连物化所段春迎课题组迎利用多金属氧酸盐(POMs)的组成、结构的多样性以及电荷的可调变性，设计组装一系列具有催化功能的多孔性的POMOFs，实现了它们在多相催化中的应用(Journal of the American Chemical Society,2013,135(28):10186-10189.)，但这些材料同样没有明确的分子结构，不能进一步探究催化机理，不能解释MOFs与POMs的协同作用。
综上所述，手性有机小分子催化剂很难实现用于工业化生产，主要由于手性有机小分子催化剂活性较低、用量高且不易回收利用。要实现这些催化反应在工业上的应用，必须解决昂贵催化剂的回收利用是个严重的问题。现有的手性有机小分子与POMs结合的新型材料，没有明确的分子结构，不能进一步探究催化机理，不能解释手性有机小分子与多酸的协同作用。
发明内容
针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了(S)-1-(1-苯乙基)硫脲修饰的Cr-Anderson型杂多酸催化剂、制备方法及其应用。本发明解决了现有手性有机小分子催化剂活性较低、用量高且不易回收利用的技术问题，本发明的催化剂可用于不对称催化合成领域。
本发明从有机小分子催化剂的设计思路出发，创新性地提出利用“酸-碱”协同催化策略，以具有潜在催化活性的手性有机小分子作为前躯体，通过有机修饰等方法，巧妙地使有机小分子与高Bronsted酸性的缺位多阴离子结合，构筑手性多酸材料。本发明构筑的有机修饰的多酸不但保留了多酸原有的结构，而且拓展了多酸的研究领域，使其在催化、药物和功能材料方面具有潜在应用价值。此外，多酸具有亲水性，可用绿色、廉价的水作溶剂进行催化反应，反应结束可向体系中加入有机溶剂(乙醇、甲醇等)后，多酸极易析出，可进行回收利用。
本发明提供一种(S)-1-(1-苯乙基)硫脲修饰的Cr-Anderson型杂多酸催化剂的制备方法，具体步骤如下：
1)以钼酸铵和硝酸铬为原料，用酸调节体系的pH值在4～5之间，在80℃～100℃温度下制备Cr-Anderson型杂多酸母体(NH4)3[Cr(OH)6Mo6O18]；
2)按照摩尔比1:2～1：5将上述得到的Cr-Anderson型杂多酸母体(NH4)3[Cr(OH)6Mo6O18]与三羟基氨基甲烷按在135-145℃温度下进行水热反应，得到有机单侧氨基修饰的Cr-Anderson型多金属氧酸盐；
3)以(S)-(+)-1-苯基乙胺为原料合成(S)-1-(1-苯乙基)异硫氰酸酯；
4)将(S)-1-(1-苯乙基)异硫氰酸与有机单侧氨基修饰的Cr-Anderson型多金属氧酸盐在有机溶剂中反应得到(S)-1-(1-苯乙基)硫脲修饰的Cr-Anderson型杂多酸催化剂。
本发明中，步骤1)中，钼酸铵和硝酸铬的摩尔比为1:1～1：2。
本发明中，步骤1)中，酸为硝酸。
本发明中，水热反应时间为20h～30h。
本发明中，步骤2)中，所述有机单侧氨基修饰的Cr-Anderson型多金属氧酸盐为[TBA]3{[NH2C(CH2O)3]CrMo6O18(OH)3}，其通过将水热反应后产物与四丁基溴化铵混合，在80℃～90℃温度下制备得到，Cr-Anderson型杂多酸母体(NH4)3[Cr(OH)6Mo6O18]和四丁基溴化铵的摩尔比为1:3～1:5。
本发明中，步骤4)中，(S)-1-(1-苯乙基)异硫氰酸与有机单侧氨基修饰的Cr-Anderson型多金属氧酸盐的摩尔比为3：1～5:1。
本发明中，步骤4)中，反应温度为45～55℃，有机溶剂选自DMF、DMSO或者NMP中的任意一种或多种。体系反应结束后，若反应液不澄清，应用针头过滤器处理，得到澄清液后放置***氛围中结晶，既可以得到本发明的目标催化剂。
本发明还提供以上述的制备方法得到的(S)-1-(1-苯乙基)硫脲修饰的Cr-Anderson型杂多酸催化剂。
本发明进一步提供上述(S)-1-(1-苯乙基)硫脲修饰的Cr-Anderson型杂多酸催化剂在烯烃的不对称双羟基化反应领域的应用。应用方法具体如下：将烯烃和(S)-1-(1-苯乙基)硫脲修饰的Cr-Anderson型杂多酸催化剂加入到水和乙腈组成的混合溶剂中，30℃～50℃温度下反应，得到邻二醇化合物；其中：(S)-1-(1-苯乙基)硫脲修饰的Cr-Anderson型杂多酸催化剂的投料量为烯烃的0.5mol％～5mol％。优选的，水和乙腈的摩尔比为1:1～3:1，过氧化氢为氧源，其和烯烃的摩尔比为1：1～3:1。
上述催化反应结束后，向体系中加入有机溶剂(乙醇、甲醇等)，多酸析出，过滤，真空干燥，回收的多酸可再用于烯烃的不对称双羟基化反应。
和现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)本发明的不仅利用手性有机小分子的共价修饰作用打破多酸的高对称性，引入手性，提高其在催化反应中的立体选择性，而且也将有机手性小分子的不对称催化或生物医药活性等功能特性引入多酸，并使有机部分与无机的多阴离子有机地结合为一个整体，从而产生协同作用获得更多新颖的性质；
2)本发明的制备方法反应条件温和，环境友好；
3)本发明的得到的催化剂催化活性高、对映选择性高，可回收利用，适用于工业化生产。
附图说明
图1是本发明目标催化剂的结构图示。
图2是本发明的合成路线图。
图3是母体(NH4)3[Cr(OH)6Mo6O18]的红外谱图。
图4是(S)-1-(1-苯乙基)异硫氰酸酯的核磁谱图。
图5是单侧氨基修饰的Cr-Anderson型多金属氧酸盐的红外谱图。
图6是(S)-1-(1-苯乙基)硫脲修饰的Cr-Anderson型杂多酸催化剂的核磁谱图。
具体实施方式
以下采用实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
实施例1
Cr-Anderson型杂多酸母体(NH4)3[Cr(OH)6Mo6O18]的制备
取7.41g(6mmol)钼酸铵加入到20mL去离子水中，充分搅拌得到澄清液，之后滴加浓硝酸，将体系的pH调到4～5.加热到沸腾，维持强力搅拌，开始缓慢加入1.66g(7mmol)硝酸铬固体，搅拌至有大量粉红色固体产生，停止搅拌，静置15～30分钟。抽滤，得到5.26g粉红色晶状固体原料，收率82％。
母体(NH4)3[Cr(OH)6Mo6O18]的红外谱图见图3。
实施例2
(S)-1-(1-苯乙基)异硫氰酸酯的制备
在干燥的反应容器中加入(S)-(+)-1-苯基乙胺(0.606g,5mmol)，用20mL乙酸乙酯溶解，随后分别缓慢加入加CS2(0.1142g,15mmol)和三乙胺(0.506mg,5mmol)，在室温搅拌反应1h后，随后在0℃条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)，在室温搅拌反应2h后(在搅拌的过程有气体产生，应注意放气减压)，可获得0.79g(R)-1-(1-苯乙基)异硫氰酸酯。收率97％。
(S)-1-(1-苯乙基)异硫氰酸酯的核磁谱图见图4。具体数据如下：
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).
实施例3
单侧氨基修饰的Cr-Anderson型多金属氧酸盐的制备
将上述得到的Anderson母体(NH4)3[Cr(OH)6Mo6O18]1.071g(1mmol)用10mL去离子水中溶解，得到浅红色清液后，缓慢加入三羟基氨基甲烷0.402g(3mmol)。之后将上述体系加入水热釜，在水热釜中加热到140℃，反应进行24h后，在85℃条件下将4.83g四丁基溴化铵加如上述溶解的溶液中，产生大量粉红色沉淀即粗产物，抽滤即可得到红色液体，放置得到结晶，即为有机单侧氨基饰修的Cr-Anderson型多酸[TBA]3{[CH2NH2C(CH2O)3]CrMo6O18(OH)3}。
单侧氨基修饰的Cr-Anderson型多金属氧酸盐的红外谱图如图5所示。
实施例4
(S)-1-(1-苯乙基)硫脲修饰的Cr-Anderson型杂多酸催化剂的制备
将有机单侧氨基修饰[TBA]3{[CH2NH2C(CH2O)3]CrMo6O18(OH)3}0.5g(0.275mmol)用5mL的DMF在50℃条件下溶解后，加入(S)-1-(1-苯乙基)异硫氰酸酯0.224g(1.375mmol)，维持50℃搅拌条件下，反应时间2～3天，反应结束后将水红澄清液放置***氛围中结晶，若干天后可得到红色晶体，即获得(R)-1-(1-苯乙基)硫脲修饰的Cr-Anderson型杂多酸催化剂。
(S)-1-(1-苯乙基)硫脲修饰的Cr-Anderson型杂多酸催化剂的核磁谱图如图6所示。具体数据如下：
1H NMR(501MHz,DMSO)δ7.64–6.93(m,5H),3.17(s,24H),1.98(s,2H),1.57(s,24H),1.32(s,24H),1.24(s,3H),0.94(s,36H).
实施例5
(S)-1-(1-苯乙基)硫脲修饰的Cr-Anderson型多酸催化烯烃的不对称双羟基化反应
在干净的反应瓶中加入1.0415g(0.01mol)苯乙烯，再加入10ml混合溶剂(水和乙腈的摩尔比为1:1～3:1)，最后加入1.7g 30％过氧化氢和0.0213g(S)-1-(1-苯乙基)硫脲修饰的Cr-Anderson型多酸催化剂，反应24h，取5ml乙醇加入反应体系，离心使催化剂沉降，再加入3ml乙醇再次分离催化剂，过滤，得到催化剂，真空干燥。用乙酸乙酯将反应体系萃取3次，所得到的产品减压除去溶剂，柱层析分离得到邻二醇化合物，得到产品1.3552g，收率为99％。产品的对映体过量由手性高效液相色谱测得，ee值达99％。该催化剂都能够不同程度的催化反应的进行，并且具有较好的立体选择性。使用不同的烯烃和催化剂反应，方程式如下所示，所得到的实验结果见表1。
将上述回收得到的催化剂直接用于下一个反应(苯乙烯的双羟基化反应)，所得到产品的对映体过量值由HPLC测定(手性AS-H柱，异丙醇：正己烷＝3:7,254nm,20℃,0.5mL/min)。催化剂回收利用所得到的结果见表2。
表1 多酸催化烯烃的不对称双羟基化反应实验结果
表2 催化剂回收利用的实验结果
所有上述的首要实施方式，并不是对其他形式的实施这种新产品和/或新方法的限定。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，基于本发明新产品的所有修改或改造属于本发明保留的权利。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种(S)-1-(1-苯乙基)硫脲修饰的Cr-Anderson型杂多酸催化剂的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)以钼酸铵和硝酸铬为原料，用酸调节体系的pH值在4～5之间，在80℃～100℃温度下制备Cr-Anderson型杂多酸母体(NH4)3[Cr(OH)6Mo6O18]；
2)按照摩尔比1:2～1：5，将上述得到的Cr-Anderson型杂多酸母体(NH4)3[Cr(OH)6Mo6O18]与三羟基氨基甲烷在135-145℃温度下进行水热反应，得到有机单侧氨基修饰的Cr-Anderson型多金属氧酸盐；
3)以(S)-(+)-1-苯基乙胺为原料合成(S)-1-(1-苯乙基)异硫氰酸酯；
4)将(S)-1-(1-苯乙基)异硫氰酸酯与有机单侧氨基修饰的Cr-Anderson型多金属氧酸盐在有机溶剂中反应得到(S)-1-(1-苯乙基)硫脲修饰的Cr-Anderson型杂多酸催化剂。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，钼酸铵和硝酸铬的摩尔比为1:1～1：2。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，酸为硝酸，步骤2)中，水热反应时间为20h～30h。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述有机单侧氨基修饰的Cr-Anderson型多金属氧酸盐为[TBA]3{[NH2C(CH2O)3]CrMo6O18(OH)3}，其通过将水热反应后产物与四丁基溴化铵混合，在80℃～90℃温度下制备得到，Cr-Anderson型杂多酸母体(NH4)3[Cr(OH)6Mo6O18]和四丁基溴化铵的摩尔比为1:3～1:5。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中，(S)-1-(1-苯乙基)异硫氰酸酯与有机单侧氨基修饰的Cr-Anderson型多金属氧酸盐的摩尔比为3：1～5:1。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中，反应温度为45～55℃，有机溶剂选自DMF、DMSO或者NMP中的任意一种或多种。
7.一种如权利要求1～6之一所述的制备方法得到的(S)-1-(1-苯乙基)硫脲修饰的
Cr-Anderson型杂多酸催化剂。
8.一种如权利要求7所述的(S)-1-(1-苯乙基)硫脲修饰的Cr-Anderson型杂多酸催化剂在烯烃的不对称双羟基化反应领域的应用。
9.如权利要求8所述的应用，其特征在于，应用方法具体如下：将烯烃和(S)-1-(1-苯乙基)硫脲修饰的Cr-Anderson型杂多酸催化剂加入到水和乙腈组成的混合溶剂中，30℃～50℃温度下反应，得到邻二醇化合物；其中：(S)-1-(1-苯乙基)硫脲修饰的Cr-Anderson型杂多酸催化剂的投料量为烯烃的0.5mol％～5mol％。
10.如权利要求9所述的应用，其特征在于，水和乙腈的摩尔比为1:1～3:1，过氧化氢为氧源，其和烯烃的摩尔比为1：1～3:1。
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