非均相有机化合物催化

 

 

 

有机化合物催化已经迅速成为合成有机化学中的一个重要领域。它们使用容易获得的手性有机化合物来催化广泛的对映选择性碳-碳和碳-杂原子耦合反应,无需任何其他金属组分。这种催化剂在聚合物载体上的共价锚定(Covalent Anchoring)消除了催化剂流失的风险。固体载体包括如二氧化硅、聚苯乙烯或共聚物等,所得材料可以装填入微填充床反应器。有机催化反应通常需要较高的催化剂负载量,并且通常相对较慢,即使在微反应连续流条件下,转化次数(TON)也往往较低,这使得在有些情况下对反应体系进行微反应连续化改造是非必要的。所以是否从间歇釜式工艺转向微反应连续流工艺,必须根据反应体系的各自实际应用以及催化剂的活性和随时间的稳定性进行逐案分析。

 

 

 

非均相有机化合物催化案例

 

 

 

在微反应连续流系统中,非对称的羟醛缩合反应可以使用固定化的肽催化剂以及脯氨酸衍生物催化剂进行连续反应。如下图所示,Pericas 研究团队开发了苯甲醛衍生物与环己酮的连续化羟醛缩合反应。一种脯氨酸衍生物被固定在自制的含有8% 1,4-二乙烯基苯的Merrifield树脂上,作为交联剂。树脂用4-乙炔基苯甲酸氯进行功能化,并通过Huisgen型环加成反应将催化活性残基连接起来得到51。在初步的反应体系的溶剂研究中,作者意识到水分含量对反应的高选择性至关重要。因为亲水性催化剂与疏水性骨架之间的分离减少将导致较低的反应活性和对映体选择性。间歇釜式实验结果显示了催化剂具有可期望的回收性,研究人员在微反应连续流填充床反应器中测试催化剂催化效果,反应混合物通过注射泵泵入装有膨胀树脂(600mg,20mm床层高度)的带孔玻璃柱中,然后收集最终反应混合物。在优化的流动条件下,对对硝基苯甲醛49和环己酮50的羟醛缩合反应进行了45h的监测。催化剂51的活性在30h内保持稳定,且没有立体选择性的下降。在类似条件下的8h运行中,另外三种羟醛缩合化合物的合成也均表现出良好的转化率和产率。

Fülöp及其研究团队利用4-甲基苯基苯胺连接剂固定在聚苯乙烯上的多肽作为催化剂,研究了硝基烯烃微反应连续1,4加成的反应(如下图所示)。多相催化剂被装入一个不锈钢柱中,并连接到一个泵和一个可调节的背压阀上。作者研究了在连续流动条件下,流速和体系压力对丙醛53的1,4-共轭加成产品E-β-硝基苯乙烯54收率和选择性的影响。值得注意的是,延长停留时间并不能提高转化率,且对非对映体的选择性有显著的负面影响。在对照实验中,作者发现在微反应连续填料床反应器中进行第二次循环后,对映体比例从11:1下降到4:1。因此,作者假设固定肽也有诱导差向异构化作用。此外,研究表明更高的压力会导致更高的转化率,在60bar时达到最大值。作者认为涉及可膨胀载体的反应是扩散控制的,增加的压力强化了反应物向膨胀的聚合物基质中的扩散过程。

Wang等人开发了一种有机催化级联反应工艺,用于合成富集对映体的环丙烷。初始的有机催化迈克尔加成反应是利用溴代丙二酸盐与α,β-不饱和化合物反应生成烯胺中间体,然后发生分子内环化。根据碱的不同,所得到的环丙烷加合物可能会发生碱介导的开环副反应,产生大量的副产物。Llanes等人假设这一过程可以在连续流动中被尽可能地避免,因为碱可以随后使用在线分离策略从反应混合物中去除。反应底物通过T型微混合器与N-甲基咪唑结合,并通过泵输送进入含有固定化催化剂的填充床反应器内进行反应,随后在下游加入NH4Cl水溶液提取碱,然后用膜技术进行分离。通过比较不同锚定策略和聚合物支撑体,通过苯基连接剂接枝到聚苯乙烯上的硅基化二芳基脯氨醇催化剂在48h内(从56%到41%,停留时间12min)表现出相对稳定的转化率,并具有优异的对映选择性(平均94%)。实验结果表明使用微反应连续流工艺可以显著减少开环副产物。此外,作者还提出了连续Wittig反应的扩展过程,证明了该方法的合成潜力。

Benaglia小组研究了固定化的MacMillan型咪唑烷酮催化剂的非对称Diels-Alder反应过程(如下图所示)。通过使用不同的固定技术和二氧化硅纳米颗粒尺寸,作者发现反式肉桂醛60和环戊二烯61的环加成在转化率和立体选择性上存在显著差异。在连续反应过程中,作者将相应的催化剂填充在空的不锈钢高效液相色谱柱中,并对反应效果进行了几天的监控。结果表明,咪唑烷酮催化剂接枝于二氧化硅纳米颗粒(8μm)上的反应效果最好,但要达到充分的转化需要10h以上的停留时间,这限制了其在合成领域的应用。在某些情况下,该催化剂在170h内是稳定的,如果观察到其活性损失,则可以通过在乙腈中用HBF4洗涤来重新活化催化材料。在后续的工作中,作者使用了类似的咪唑烷酮类催化剂,将其固定在介孔二氧化硅纳米颗粒和聚苯乙烯载体上,研究了醛与1,3-苯并二氮杂基、三苯甲基和双[4-(二甲胺)苯基]甲基离子作为亲电试剂进行连续的、对映选择性α-烷基化反应。

Pericas研究团队在微反应连续流装置中使用了一种非均相Brønsted酸催化剂进行醛的不对称烯丙基硼化反应。活性物质(PS-TRIP)分别与苯乙烯和二乙烯基苯共聚,然后进行磷酸化,得到的功能化水平为0.2 ~ 0.23mmol/g。在常规条件下,用5mol%的PS-TRIP在6h内与多种醛和三种不同的烯化试剂反应得到了很好的结果。如下图所示,作者研究了苯甲醛66与烯基硼醇酯67的反应,该反应可在室温下进行,并保持了良好的立体选择性。作者采用了在线反应淬灭技术,用NaHSO3清除未反应的醛。优化后的流动体系在连续28h的实验过程中可合成4.6g的(R)-1-苯基丁-3-烯-1-醇68,其对映体含量超过91%。值得注意的是,类似的磷酸催化剂也可以被用于磺酰胺和吲哚的连续aza-Friedel−Crafts反应。

Massi研究团队在连续流动条件下使用固定化的氮杂环卡宾(NHC)催化剂进行极性转换反应。作者通过苯乙烯,DVB和含4-甲基噻唑的单体通过自由基聚合反应在不锈钢柱内制备了聚合物单体。噻唑残留物随后与苄基溴发生N-烷基化,得到最终的催化活性物质,噻唑负荷为0.55mmol/g。SEM分析表明,该材料具有良好的机械稳定性,在溶剂中几乎不存在溶胀现象。在下图所示的装置中,作者初步证明了该方法在苯甲醛66(如下图所示)的苯并苯甲酸缩合反应中的适用性。水缓冲液(pH=8)和DMSO (10% v/v)的混合物被用作完全均匀的溶液。离线分析显示,充分转化为安息香71需要116min的停留时间。非均相催化剂在35h后开始失去活性,50h后完全失活。作者认为,温度效应是固定化有机催化剂在连续流动条件下最严重的限制,在相应的处理时间后,催化材料的会快速降解。因此,对于该反应体系需要开发出更加稳定、活性更高的催化体系。

 

 

 

参考文献

 

 

 

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