基本信息
- 项目名称：
- 双功能手性胺的设计、合成与不对称催化性能研究
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品围绕手性合成中的不对称催化方法，基于模拟酶催化策略，自行设计合成了一类含硫醚结构的双功能手性胺.发现其在不对称Michael， oxa-Michael-Henry 和 Diels-Alder反应中具有优异的催化性能，在 PEG 和水等环境相对友好的反应介质中，以高效的立体选择性和光学选择性得到相应的手性化合物.阐明了催化体系中手性活化方式，为相关手性化合物的合成提供了有效的方法并显示了重要的应用前景.
- 详细介绍：
- 本作品围绕手性合成中的不对称催化方法，基于模拟酶催化策略，自主设计合成了一类以氨基酸为原料，经还原、溴化和硫醚化反应得到的新型双功能化手性胺--(S)-吡咯烷-硫醚芳胺。发现该类双功能化手性胺在不对称Michael，oxa-Michael-Henry以及Diels-Alder等不对称反应中有着优异的催化催能。 设计合成的(S)-吡咯烷-硫醚芳胺双功能催化剂与不同质子酸配对协同催化醛酮与硝基烯烃的不对称Michael反应表现出良好的催化性能。其中：1），(S)-吡咯烷-巯基咪唑与水杨酸及异丙醇所形成的催化体系可高效地不对称催化硝基烯烃和醛酮Michael加成反应，收率高达95%，dr值最高为98：2，产物ee值高达99%；2)，(S)-吡咯烷-巯基咪唑与(R)-硫脲酸形成的手性离子对催化体系在酮与硝基烯烃的不对称Michael反应中表现出了优异的催化活性和立体选择性。在室温下只需添加5 mol％的催化剂量，反应经12小时即可得到收率高达96％、d/r大于98/2、ee值高达99％的Michael加成产物。通过机理分析认为，添加剂(R)-硫脲酸在反应中不仅协同活化了反应，而且通过氢键作用和手性诱导激活了底物从而提高了反应的对映选择性。 (S)-吡咯烷-巯基咪唑与水杨酸协同作用，首次成功催化了水杨醛与硝基烯烃的不对称 oxa-Michael-Henry反应，通过首次提出的芳香亚胺离子活化（AIA）机理（相关的机理通过ESI-MS得到证实），首次实现了3-硝基苯并吡喃的不对称催化合成，以高达91％ee的对映选择性得到产物，提供了一种高选择性的具有苯并吡喃结构产物的绿色合成方法。 在绿色反应体系中，运用(S)-吡咯烷-硫醚芳胺催化Michael和Diels-Alder不对称反应获得很好的催化效果。其中：1），(S)-吡咯烷-巯基咪唑与苯甲酸在PEG中形成的催化体系在醛酮与硝基烯烃的不对称Michael反应中表现出了优异的催化活性和立体选择性。在室温下，反应经12小时即可得到收率高达97％、d/r大于93/7、ee值高达99％的Michael加成产物。通过机理分析认为，PEG很好地包裹了催化剂，构建成超分子结构，使催化剂的催化效果进一步提高，并实现了催化体系的循环使用，循环7次后，催化剂的催化活性几乎没有变化; 2），(S)-吡咯烷-巯基吡啶与对三氟甲基苯甲酸所形成的离子对在水相中成功催化了硝基烯烃和环己烯酮的不对称反应，首次提出其反应历程为Diels-Alder反应原理,同时提出一种水相原位烯胺活化的Diels-Alder反应模型。在室温下，反应可得到收率高达99％、exo/endo大于25:1、ee值高达96％的环加成产物，成功实现水相绿色合成该类化合物。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本作品研究目的：设计合成具有双功能手性胺的有机催化剂，并对其不对称催化性能进行研究，旨在获得具有优异催化性能的新型催化剂及其催化技术。 研究基本思路：以天然的氨基酸为手性源，保留其催化功能团——手性胺基，与活泼的巯基芳胺拼接形成双功能催化剂，并研究其对不对称Michael、Oxa-Michael-Henry及Diels-Alder反应的催化性能，获得具有高光学活性的相关化合物。 创新点：1、催化剂和助催化剂结构创新，首次设计并合成了具有优异催化性能的含硫醚结构的双功能手性胺催化剂和具有优异助催化性能的手性硫脲酸助催化剂，并进行了专利保护；2、催化反应创新，首次报道了运用自主设计的双功能手性胺催化剂催化不对称Oxa-Michael-Henry反应，同时首次发现反应遵循芳香亚胺活化机理；3、催化体系创新：1）、首次报道了运用PEG作为催化不对称Michael反应的溶剂，取得了很好的效果，首次发现PEG与催化剂构建超分子结构的现象。2）、首次报道了以水为介质的催化不对称Diels-Alder反应，并进行了专利保护。 技术关键：具有良好催化活性和优异手性诱导性能的催化剂及其催化体系设计与应用。 主要技术指标：产物的对映选择性（ee值）、非对映选择性（d/r, exo/endo，顺反比）、收率
科学性、先进性
- 高效、高选择性、可重复使用的催化剂开发是现代绿色化学研究的核心.与当前国内外研究相类似的手性胺催化剂相比，自行设计合成的双功能化手性胺催化剂主要具有如下优点： 1、是一类具有双功能特性的有机小分子催化剂,催化剂催化性能优异,具体体现在其对不对称Michael、Oxa-Michael-Henry及Diels-Alder反应的催化性能。 2、该类催化剂的设计合成是本实验组自主设计开发，且催化剂易于合成. 3、手性胺链接的功能片段给于了该催化剂与酸配对形成离子化合物的功能,具有潜在的可重复使用性能和可实现水相催化或多相催化。 4、结构可调. 5、自主设计合成的双功能化手性胺在不Michael， Oxa-Michael-Henry以及Diels-Alder等不对称反应中有着优异的催化性能.
获奖情况及鉴定结果
- 1,Chem.Commun.2007,4393-4395. 2,Adv.Synthl.Catal.2008,350,2610-2616. 3,Acta Cryst.E.2008.E64,o1142. 4,Acta Cryst.E.2009,E65,o326. 5,Angew.Chem.Int.Ed.200948.3821-3824. (TOP10). 6,发明专利申请号：200710156386.5.; 200710068380.2.;200910097515.7. 7,获2008年度"**省新苗人才计划"资助. 8,**省第十一届挑战杯特等奖.
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 基础理论研究
作品可展示的形式
- 图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 该作品所设计合成的双功能手性胺催化剂，在催化合成不对称Michael, Oxa-Michael-Henry及Diels-Alder产物时，提供了一种高效的合成方法，同时在绿色反应溶剂PEG和水中分别催化合成了高化学选择性、高立体选择性和高光学选择性的Michael 和 Diels-Alder产物，在绿色合成领域有着重要意义，为工业化应用中提供了一种很好的合成模式，具有很好的应用前景。
同类课题研究水平概述
- 氨基酸及其衍生物作为手性有机小分子催化剂有诸多优点：氨基酸首先无毒、价格低廉且容易得到；天然氨基酸光学纯度高，种类多。其中脯氨酸作为一种结构简单而且自然界含量丰富的氨基酸，Lewis碱型-Brønsted酸型双官能团的有机小分子催化剂，具有仲胺结构，较高的pKa值使其易与羰基进行亲核反应，形成烯胺与亚胺盐的互变异构，烯胺可进行亲电加成完成反应，亦可通过亚胺的亲核加成得到产物。同时脯氨酸及其衍生物因具有不同的侧链功能团、取代基，使其具有高活性、高选择性、催化范围广等特点，在多种不对称催化反应中表现出非常好的催化性能。 List等人首先报道了L-脯氨酸催化的酮与硝基烯烃的Michael反应。尽管L-脯氨酸在DMSO中可获得很高的收率和非对映选择性，但ee值均未超过23％。 Barbas III小组对手性二胺/酸共催化剂进行筛选研究发现(S)-1-(吡咯烷甲基)-吡咯烷/三氟乙酸具最好的催化活性和对映选择性，异丙醇为最佳溶剂，催化α, α-二取代醛与硝基烯烃的Michael加成以高达96％的收率得到高达91％ee值的手性季碳产物。 Alexakis等人研究了具有两个手性碳的联吡咯烷类二胺为催化剂的Michael反应，发现其对醛具有较好的催化活性和立体选择性，但底物酮反应较差，ee值在23－74％之间。 Kotsuki等人设计合成一类吡咯烷与吡啶连接的有机催化剂，对环己酮类底物的Michael加成表现出高活性和很好的对映选择性。以大于92％的收率和大于88％的ee值得到产物，但对醛立体选择性很差，最高只有22％的ee值。 Hayashi小组以二苯基脯氨醇硅醚为催化剂，对醛与硝基烯烃的Michael反应进行研究。当醛与硝基烯烃以1：1的摩尔比在室温或零度反应时可以高达99％ee值得到顺式产物。 Córdova等人运用手性二胺催化剂(S)-1-(吡咯烷甲基)-吡咯烷催化了4，4-二甲基环己烯酮和硝基烯烃的Diels-Alder反应。在室温下，以30%的催化剂用量，在THF溶剂中反应可得到61~99％收率、ee值为32~86％的二环加成产物,同时认为该反应是通过双Michael反应历程。
