CN107349958A - 海绵负载的手性有机催化剂 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种海绵负载的手性有机催化剂，所述海绵负载的手性有机催化剂由海绵、Linker试剂和催化剂制成，所述海绵为3D多孔结构的聚合物骨架，且所述海绵含有表面基团，所述Linker试剂至少含有两个活性官能团，所述催化剂为非金属的手性有机催化剂，且所述Linker试剂通过所述活性官能团与所述海绵的表面基团化学键合、负载在所述海绵表面，所述催化剂通过与所述Linker试剂的活性官能团键合、连接在所述海绵表面，其中，所述手性有机催化剂包括脯氨酸类催化剂、α‑氨基酸类催化剂、咪唑啉酮类催化剂、寡肽类催化剂、金鸡纳类催化剂、平面手性催化剂、二芳基类催化剂、二元胺类催化剂、其他含杂环的催化剂。

Description

海绵负载的手性有机催化剂

技术领域

本发明属于催化剂领域，尤其涉及一种海绵负载的手性有机催化剂。

背景技术

不对称催化是有机合成中的难点，通过手性有机催化剂可以实现不对称反应，通常催化剂的用量很少，反应在较短时间内就能高立体选择性的完成。通过对催化剂进行负载，可以实现贵重或污染类催化剂的回收，减少污染和浪费。然而，随着有机合成技术的不断发展，有机催化剂种类不断丰富，对催化剂的应用也有了更高要求。有时，为实现不对称催化，更绿色的反应体系，以及原子经济学等目的，还要联合使用多种有机催化剂，在单一反应体系中进行协同催化。尽管这些催化剂本身并不参与反应，原则上也能回收利用，但由于有机催化剂的种类繁多，反应体系复杂，且多是均相反应，回收起来非常困难，通常会将使用过的有机催化剂进行舍弃处理，从而造成很大的污染和浪费。如果将不同的催化剂，或是多个催化剂选择性的负载在固相载体上，实现一种催化剂就能发挥两种或多种协同催化的效果，且催化剂本身被负载在载体上，反应在非均相体系中进行，不仅方便催化剂的使用，也能减少污染和浪费。被负载的催化剂既要性质稳定，互不干扰，发挥协同作用，又要不失活性，方便回收，因此，在制备技术上有很高的要求。在负载有机催化剂的技术领域中，如何将种不同性质的催化剂负载在固相载体上是亟待解决的问题。

有机催化剂在其他载体上的负载已有报道，如硅胶及多孔的硅胶复合材料、石墨烯及功能化的石墨烯材料、金属-有机框架，但由于催化剂的种类繁多，只能在特定的载体上进行负载。有些载体本身接枝并不方便，仅限于某一个或某一小类催化剂的负载。并且载体均是微小的颗粒，要通过过滤或离心处理，不能满足工业生产的实际需求。海绵是常见的生活用品，具有强稳定性和高比表面积的海绵非常适合做各种催化剂的载体。海绵负载的催化剂可以重复使用，因此，这将是一个便捷、高效、理想的催化反应过程。将这一技术用于工业生产，将具有巨大的经济价值。

目前，在海绵上负载光催化剂的尝试有了一定的突破，然而光催化剂只能诱导光催化的反应，不能诱导引发其他反应，如无法催化常规类型C-H键活化反应。因此，寻找负载的催化剂实现常规C-H键活化反应显得尤为重要。然而，由于非光引发反应的催化剂为有机小分子，甚至是手性有机小分子，有机小分子催化剂种类较多，手性有机小分子更是结构复杂，目前没有关于手性有机催化剂负载的报道。因此，寻找能够负载在海绵上、并稳定发挥催化效果的催化剂显得尤为迫切。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海绵负载的手性有机催化剂，旨在解决现有技术没有海绵负载的手性有机催化剂，而催化常规C-H键活化反应的有机小分子催化剂难以在保证活性、便于回收的前提下负载在海绵上的问题。

本发明是这样实现的，一种海绵负载的手性有机催化剂，所述海绵负载的手性有机催化剂由海绵、Linker试剂和催化剂制成，所述海绵为3D多孔结构的聚合物骨架，且所述海绵含有表面基团，所述Linker试剂至少含有两个活性官能团，所述催化剂为非金属的手性有机催化剂，且所述Linker试剂通过所述活性官能团与所述海绵的表面基团化学键合、负载在所述海绵表面，所述催化剂通过与所述Linker试剂的活性官能团键合、连接在所述海绵表面，其中，所述手性有机催化剂包括脯氨酸类催化剂、α-氨基酸类催化剂、咪唑啉酮类催化剂、寡肽类催化剂、金鸡纳类催化剂、平面手性催化剂、二芳基类催化剂、二元胺类催化剂、其他含杂环的催化剂。

本发明提供的海绵负载的手性有机催化剂催化剂，通过所述Linker试剂将所述海绵与所述手性有机催化剂以共价键或聚合的方式连接在海绵表面，形成具有催化活性的海绵催化剂。首先，本发明提供的海绵负载的手性有机催化剂，能够催化常规C-H键活化反应，且其性质稳定，不影响催化反应的活性；催化结束后只需经过简单地挤压即可将反应液吸进所述海绵，待反应完成后，再将反应液挤出就能达到催化反应的目的，且催化过程中催化剂不会从所述海绵上脱落，有利于所述手性有机催化剂的回收。其次，所述海绵表面可以同时负载含有不同活性官能团的多种Linker试剂，进而与不同类型的手性有机催化剂发生反应，从而实现多种催化剂在海绵表面的同时负载，提高了所述催化剂的适用范围。再次，所述海绵的疏水性质使非均相催化反应在水相中就能进行。此外，本发明提供的海绵负载的手性有机催化剂，具有载量可控、重复利用率高等优点。将本发明提供的海绵负载的手性有机催化剂应用在常规C-H键活化反应时，具有稳定性和可回收性强的优点。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的海绵负载的手性有机催化剂的示意图；

图2是本发明实施例2提供的海绵负载的手性有机催化剂的示意图；

图3是本发明实施例3提供的海绵负载的手性有机催化剂的示意图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种海绵负载的手性有机催化剂，所述海绵负载的多手性有机催化剂由海绵、Linker试剂和催化剂制成，所述海绵为3D多孔结构的聚合物骨架，且所述海绵含有表面基团，所述Linker试剂至少含有两个活性官能团，所述催化剂为非金属的有机催化剂，且所述Linker试剂通过所述活性官能团与所述海绵的表面基团化学键合、负载在所述海绵表面，所述催化剂通过与所述Linker试剂的活性官能团键合、连接在所述海绵表面，其中，所述手性有机催化剂包括脯氨酸类催化剂、α-氨基酸类催化剂、咪唑啉酮类催化剂、寡肽类催化剂、金鸡纳类催化剂、平面手性催化剂、二芳基类催化剂、二元胺类催化剂、其他含杂环的催化剂。

本发明实施例提供的海绵负载的手性有机催化剂，通过所述Linker试剂将所述海绵与所述催化剂以共价键或聚合的方式连接在海绵表面，不仅可以在保证所述手性有机催化剂活性的前提下稳定发挥催化功能，同时便于回收利用，形成具有催化活性的海绵催化剂。

具体的，本发明实施例中，所述海绵为3D多孔结构的聚合物骨架。3D多孔结构的聚合物骨架的所述海绵载体，具有强稳定性和高比表面积，一方面，其不会在负载的催化剂作用的反应体系中参与化学反应，另一方面，其高比表面积可以保证催化的负载量，避免因海绵负载量低而导致的催化效率低的问题。具体优选的，所述海绵的密度为0.1-0.9g/cm³，孔隙率为40-95％、孔径为0.1-1.0mm，从而更好的实现上述性能。

所述海绵含有表面基团，所述表面基团为所述Linker试剂的附着提供了化学键合位点。所述表面基团可以为所述海绵自身含有的表面基团，也可以通过对所述海绵进行表面处理得到的表面基团。所述海绵上所述表面基团的数量没有明确限制。优选的，所述表面基团选自氨基、羧基、卤素、氰基、异氰酸酯、异硫氰酸酯、烯烃、炔烃、羟基、硫醇、苯酚、苄氯、苯甲酸、环氧丙烷及其修饰基团。

本发明实施例中，所述Linker试剂作为纽带，一方面通过化学键合附着在所述海绵表面，另一方面与一种或多种所述手性有机催化剂发生化学反应，通过化学键合间接将所述手性有机催化剂负载在所述海绵表面。因此，所述Linker试剂至少含有两个以上分别与所述手性有机催化剂、所述海绵的表面基团发生化学反应的末端活性官能团。优选的，所述活性官能团选自氨基、羧基、卤素、氰基、异氰酸酯、异硫氰酸酯、烯烃、炔烃、羟基、硫醇、苯酚、苄氯、苯甲酸、环氧丙烷及其修饰基团。此处，应当理解，当所述Linker试剂中含有多个活性官能团时，所述活性官能团可以相同，也可以不同。也应当理解，所述Linker试剂中可以含有两种或两种以上不同类型的活性官能团与不同的所述手性有机催化剂键合。

本发明实施例中，所述Linker试剂负载在所述海绵表面，可以通过所述Linker试剂与所述海绵直接反应实现，也可以将所述海绵表面进行处理，得到表面键合活性基团如羟基的海绵体系后，进一步与所述Linker试剂反应实现。即所述海绵含有表面羟基，且所述Linker试剂通过与所述羟基化学键合负载在所述海绵表面。由此得到的海绵-硅烷化体系，具有更好的稳定性。进一步的，所述海绵的表面羟基通过对所述海绵进行表面亲水处理制备得到，其中，所述亲水处理的方法包括气相方法、湿化学法、或气相方法和湿化学法混合处理。所述气相方法包括但不限于等离子氧化、紫外光照射、化学气体沉积、金属化合物涂覆，所述湿化学法包括但不限于逐层沉积、溶胶涂覆、硅烷化、表面活性剂修饰、蛋白沉积。

本发明实施例中，所述催化剂是非金属的手性有机分子催化剂。具体的，所述手性有机催化剂中含有活性基团，从而实现与所述Linker试剂的键合。优选的，所述手性有机催化剂中含有氨基、羧基、卤素、氰基、异氰酸酯、异硫氰酸酯、烯烃、炔烃、羟基、硫醇、苯酚、苄氯、苯甲酸、环氧丙烷及其修饰基团中的至少一种。

本发明实施例中，所述海绵的表面基团、所述Linker试剂的活性官能团和所述手性有机催化剂中的活性官能团经过修饰处理，可以提高所述Linker试剂与所述手性有机催化剂的反应活性，进一步提高所述手性有机催化剂的负载量，如一分子Linker试剂可与多分子催化剂结合。本发明实施例优选的活性官能团和/或表面基团，能够在所述海绵与所述Linker试剂之间、所述Linker试剂与所述手性有机催化剂之间提供更稳定的化学键。具体的，可采用在进行硅烷化后的海绵表面，对所述硅烷化基团进行原位自由基聚合，从而实现末端修饰，露出更多的反应位点。

进一步的，为了提高所述手性有机催化剂与所述Linker试剂的键合效率和键合效果，在进行键合反应时添加一定的缩合剂，所述缩合剂的类型根据具体的Linker试剂和有机催化剂的结构而定。

本发明实施例中，所述手性有机催化剂通过共价键或聚合的方式与所述Linker试剂键合，进而负载在所述海绵表面。优选的，所述手性有机催化剂在所述海绵上的负载量为0.01-2.00mmol/g。若所述手性有机催化剂的负载量过少，则海绵的有效利用率过低，单位体积的海绵能带来的催化效应有限；若所述手性有机催化剂的负载量过多，则可能导致催化剂表面相互交叉，产生催化反应的活性基团隐藏，从而不能产生高效的催化作用。

本发明实施例中，含有不同活性官能团的所述Linker试剂中的两种或两种以上同时负载在同一海绵表面，且不同的所述活性官能团与不同的催化剂键合。由此，进一步提高海绵负载的催化剂的适用范围。

并非所有的手性有机催化剂都能与海绵负载，在保证稳定活性的前提下实现回收。本发明实施例中，具体的，所述手性有机催化剂包括脯氨酸类催化剂、α-氨基酸类催化剂、咪唑啉酮类催化剂、寡肽类催化剂、金鸡纳类催化剂、平面手性催化剂、二芳基类催化剂、二元胺类催化剂、其他含杂环的催化剂。

优选的，所述脯氨酸类催化剂包括如下结构所示化合物：

优选的，所述α-氨基酸类催化剂包括如下结构所示化合物：

优选的，所述咪唑啉酮类催化剂包括如下结构所示化合物：

优选的，所述寡肽类催化剂包括如下结构所示化合物：

优选的，所述金鸡纳类催化剂包括如下结构所示化合物：

优选的，所述平面手性催化剂包括如下结构所示化合物：

优选的，所述二芳基类催化剂包括如下结构所示化合物：

所述二元胺类催化剂包括如下结构所示化合物：

优选的，所述其他含杂环的催化剂包括如下结构所示化合物：

上述优选的所述手性有机催化剂，不仅能稳定负载在所述海绵上，而且催化活性不受影响，能够稳定催化常规C-H活化反应，且便于回收利用。

本发明实施例提供的海绵负载的手性有机催化剂，通过所述Linker试剂将所述海绵与所述手性有机催化剂以共价键或聚合的方式连接在海绵表面，形成具有催化活性的海绵催化剂。首先，本发明实施例提供的海绵负载的手性有机催化剂，能够催化常规C-H键活化反应，且其性质稳定，不影响催化反应的活性；催化结束后只需经过简单地挤压即可将反应液吸进所述海绵，待反应完成后，再将反应液挤出就能达到催化反应的目的，且催化过程中催化剂不会从所述海绵上脱落，有利于所述手性有机催化剂的回收。其次，所述海绵表面可以同时负载含有不同活性官能团的多种Linker试剂，进而与不同类型的手性有机催化剂发生反应，从而实现多种催化剂在海绵表面的同时负载，提高了所述手性有机催化剂的适用范围。再次，所述海绵的疏水性质使非均相催化反应在水相中就能进行。此外，本发明实施例提供的海绵负载的手性有机催化剂，具有载量可控、重复利用率高等优点。将本发明实施例提供的海绵负载的手性有机催化剂应用在常规C-H键活化反应时，具有稳定性和可回收性强的优点。

下面结合具体实施例进行说明。

实施例1

一种海绵负载的手性有机催化剂，所述海绵负载的手性有机催化剂由海绵、硅烷化试剂和有机催化剂制成，其中，所述海绵为含有表面羟基的聚二甲基硅氧烷海绵(PDMS)，所述硅烷化试剂为末端基团修饰有氯乙酸的3-氨基丙基三乙氧基硅烷，所述手性有机催化剂为下式所示的反式-4-羟基-L-脯氨酸，且所述硅烷化试剂通过与所述海绵的表面羟基反应负载在所述海绵表面，所述手性有机催化剂通过共价键与所述硅烷化试剂的羧基键合、连接在所述海绵表面。其中，所述手性有机催化剂的结构如下所示，所述海绵负载的手性有机催化剂的效果图如图1所示。

实施例2

一种海绵负载的手性有机催化剂，所述海绵负载的手性有机催化剂由海绵、硅烷化试剂和有机催化剂制成，其中，所述海绵为含有表面羟基的聚二甲基硅氧烷海绵(PDMS)，所述Linker试剂为末端基团为羧酸的3-羧基丙基三乙氧基硅烷，所述手性有机催化剂为下式所示的4-羟基-2-二芳基-2-三甲基硅醚-L-脯氨酸，且所述硅烷化试剂通过与所述海绵的表面羟基反应负载在所述海绵表面，所述手性有机催化剂通过共价键与修饰后的所述硅烷化试剂键合、连接在所述海绵表面。其中，所述手性有机催化剂的结构如下所示，所述海绵负载的手性有机催化剂的效果图如图2所示。

实施例3

一种海绵负载的手性有机催化剂，所述海绵负载的手性有机催化剂由海绵、硅烷化试剂和有机催化剂制成，其中，所述海绵为含有表面羟基的聚二甲基硅氧烷海绵(PDMS)，所述硅烷化试剂为末端基团修饰有谷氨酸的3-氨基丙基三乙氧基硅烷，其中，谷氨酸的侧链被选择性的保护或脱除，所述手性有机催化剂为下式所示的脯氨酸和奎宁，且所述硅烷化试剂通过与修饰后的所述海绵的表面羟基反应负载在所述海绵表面，所述手性有机催化剂通过共价键与修饰后的所述硅烷化试剂的氨基和羧基依次键合、连接在所述海绵表面。其中，所述手性有机催化剂的结构如下所示，所述海绵负载的手性有机催化剂的效果图如图3所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种海绵负载的手性有机催化剂，其特征在于，所述海绵负载的手性有机催化剂由海绵、Linker试剂和催化剂制成，所述海绵为3D多孔结构的聚合物骨架，且所述海绵含有表面基团，所述Linker试剂至少含有两个活性官能团，所述催化剂为非金属的手性有机催化剂，且所述Linker试剂通过所述活性官能团与所述海绵的表面基团化学键合、负载在所述海绵表面，所述催化剂通过与所述Linker试剂的活性官能团键合、连接在所述海绵表面，其中，所述手性有机催化剂包括脯氨酸类催化剂、α-氨基酸类催化剂、咪唑啉酮类催化剂、寡肽类催化剂、金鸡纳类催化剂、平面手性催化剂、二芳基类催化剂、二元胺类催化剂、其他含杂环的催化剂。

2.如权利要求1所述的海绵负载的手性有机催化剂，其特征在于，所述表面基团选自氨基、羧基、卤素、氰基、异氰酸酯、异硫氰酸酯、烯烃、炔烃、羟基、硫醇、苯酚、苄氯、苯甲酸、环氧丙烷及其修饰基团；和/或

所述活性官能团选自氨基、羧基、卤素、氰基、异氰酸酯、异硫氰酸酯、烯烃、炔烃、羟基、硫醇、苯酚、苄氯、苯甲酸、环氧丙烷及其修饰基团；和/或

所述手性有机催化剂中含有氨基、羧基、卤素、氰基、异氰酸酯、异硫氰酸酯、烯烃、炔烃、羟基、硫醇、苯酚、苄氯、苯甲酸、环氧丙烷及其修饰基团中的至少一种。

3.如权利要求1或2所述的海绵负载的手性有机催化剂，其特征在于，所述脯氨酸类催化剂包括如下结构所示化合物：

4.如权利要求1或2所述的海绵负载的手性有机催化剂，其特征在于，所述α-氨基酸类催化剂包括如下结构所示化合物：

5.如权利要求1或2所述的海绵负载的手性有机催化剂，其特征在于，所述咪唑啉酮类催化剂包括如下结构所示化合物：

6.如权利要求1或2所述的海绵负载的手性有机催化剂，其特征在于，所述寡肽类催化剂包括如下结构所示化合物：

7.如权利要求1或2所述的海绵负载的手性有机催化剂，其特征在于，所述金鸡纳类催化剂包括如下结构所示化合物：

8.如权利要求1或2所述的海绵负载的手性有机催化剂，其特征在于，所述平面手性催化剂包括如下结构所示化合物：

9.如权利要求1或2所述的海绵负载的手性有机催化剂，其特征在于，所述二芳基类催化剂包括如下结构所示化合物：

10.如权利要求1或2所述的海绵负载的手性有机催化剂，其特征在于，所述二元胺类催化剂包括如下结构所示化合物：

和/或

所述其他含杂环的催化剂包括如下结构所示化合物：