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基本信息

項(xiàng)目名稱：
雙功能手性胺的設(shè)計(jì)、合成與不對(duì)稱催化性能研究
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
本作品圍繞手性合成中的不對(duì)稱催化方法，基于模擬酶催化策略，自行設(shè)計(jì)合成了一類含硫醚結(jié)構(gòu)的雙功能手性胺.發(fā)現(xiàn)其在不對(duì)稱Michael， oxa-Michael-Henry 和 Diels-Alder反應(yīng)中具有優(yōu)異的催化性能，在 PEG 和水等環(huán)境相對(duì)友好的反應(yīng)介質(zhì)中，以高效的立體選擇性和光學(xué)選擇性得到相應(yīng)的手性化合物.闡明了催化體系中手性活化方式，為相關(guān)手性化合物的合成提供了有效的方法并顯示了重要的應(yīng)用前景.
詳細(xì)介紹：
本作品圍繞手性合成中的不對(duì)稱催化方法，基于模擬酶催化策略，自主設(shè)計(jì)合成了一類以氨基酸為原料，經(jīng)還原、溴化和硫醚化反應(yīng)得到的新型雙功能化手性胺--(S)-吡咯烷-硫醚芳胺。發(fā)現(xiàn)該類雙功能化手性胺在不對(duì)稱Michael，oxa-Michael-Henry以及Diels-Alder等不對(duì)稱反應(yīng)中有著優(yōu)異的催化催能。 設(shè)計(jì)合成的(S)-吡咯烷-硫醚芳胺雙功能催化劑與不同質(zhì)子酸配對(duì)協(xié)同催化醛酮與硝基烯烴的不對(duì)稱Michael反應(yīng)表現(xiàn)出良好的催化性能。其中：1），(S)-吡咯烷-巰基咪唑與水楊酸及異丙醇所形成的催化體系可高效地不對(duì)稱催化硝基烯烴和醛酮Michael加成反應(yīng)，收率高達(dá)95%，dr值最高為98：2，產(chǎn)物ee值高達(dá)99%；2)，(S)-吡咯烷-巰基咪唑與(R)-硫脲酸形成的手性離子對(duì)催化體系在酮與硝基烯烴的不對(duì)稱Michael反應(yīng)中表現(xiàn)出了優(yōu)異的催化活性和立體選擇性。在室溫下只需添加5 mol％的催化劑量，反應(yīng)經(jīng)12小時(shí)即可得到收率高達(dá)96％、d/r大于98/2、ee值高達(dá)99％的Michael加成產(chǎn)物。通過機(jī)理分析認(rèn)為，添加劑(R)-硫脲酸在反應(yīng)中不僅協(xié)同活化了反應(yīng)，而且通過氫鍵作用和手性誘導(dǎo)激活了底物從而提高了反應(yīng)的對(duì)映選擇性。 (S)-吡咯烷-巰基咪唑與水楊酸協(xié)同作用，首次成功催化了水楊醛與硝基烯烴的不對(duì)稱 oxa-Michael-Henry反應(yīng)，通過首次提出的芳香亞胺離子活化（AIA）機(jī)理（相關(guān)的機(jī)理通過ESI-MS得到證實(shí)），首次實(shí)現(xiàn)了3-硝基苯并吡喃的不對(duì)稱催化合成，以高達(dá)91％ee的對(duì)映選擇性得到產(chǎn)物，提供了一種高選擇性的具有苯并吡喃結(jié)構(gòu)產(chǎn)物的綠色合成方法。 在綠色反應(yīng)體系中，運(yùn)用(S)-吡咯烷-硫醚芳胺催化Michael和Diels-Alder不對(duì)稱反應(yīng)獲得很好的催化效果。其中：1），(S)-吡咯烷-巰基咪唑與苯甲酸在PEG中形成的催化體系在醛酮與硝基烯烴的不對(duì)稱Michael反應(yīng)中表現(xiàn)出了優(yōu)異的催化活性和立體選擇性。在室溫下，反應(yīng)經(jīng)12小時(shí)即可得到收率高達(dá)97％、d/r大于93/7、ee值高達(dá)99％的Michael加成產(chǎn)物。通過機(jī)理分析認(rèn)為，PEG很好地包裹了催化劑，構(gòu)建成超分子結(jié)構(gòu)，使催化劑的催化效果進(jìn)一步提高，并實(shí)現(xiàn)了催化體系的循環(huán)使用，循環(huán)7次后，催化劑的催化活性幾乎沒有變化; 2），(S)-吡咯烷-巰基吡啶與對(duì)三氟甲基苯甲酸所形成的離子對(duì)在水相中成功催化了硝基烯烴和環(huán)己烯酮的不對(duì)稱反應(yīng)，首次提出其反應(yīng)歷程為Diels-Alder反應(yīng)原理,同時(shí)提出一種水相原位烯胺活化的Diels-Alder反應(yīng)模型。在室溫下，反應(yīng)可得到收率高達(dá)99％、exo/endo大于25:1、ee值高達(dá)96％的環(huán)加成產(chǎn)物，成功實(shí)現(xiàn)水相綠色合成該類化合物。

作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

本作品研究目的：設(shè)計(jì)合成具有雙功能手性胺的有機(jī)催化劑，并對(duì)其不對(duì)稱催化性能進(jìn)行研究，旨在獲得具有優(yōu)異催化性能的新型催化劑及其催化技術(shù)。 研究基本思路：以天然的氨基酸為手性源，保留其催化功能團(tuán)——手性胺基，與活潑的巰基芳胺拼接形成雙功能催化劑，并研究其對(duì)不對(duì)稱Michael、Oxa-Michael-Henry及Diels-Alder反應(yīng)的催化性能，獲得具有高光學(xué)活性的相關(guān)化合物。 創(chuàng)新點(diǎn)：1、催化劑和助催化劑結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，首次設(shè)計(jì)并合成了具有優(yōu)異催化性能的含硫醚結(jié)構(gòu)的雙功能手性胺催化劑和具有優(yōu)異助催化性能的手性硫脲酸助催化劑，并進(jìn)行了專利保護(hù)；2、催化反應(yīng)創(chuàng)新，首次報(bào)道了運(yùn)用自主設(shè)計(jì)的雙功能手性胺催化劑催化不對(duì)稱Oxa-Michael-Henry反應(yīng)，同時(shí)首次發(fā)現(xiàn)反應(yīng)遵循芳香亞胺活化機(jī)理；3、催化體系創(chuàng)新：1）、首次報(bào)道了運(yùn)用PEG作為催化不對(duì)稱Michael反應(yīng)的溶劑，取得了很好的效果，首次發(fā)現(xiàn)PEG與催化劑構(gòu)建超分子結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。2）、首次報(bào)道了以水為介質(zhì)的催化不對(duì)稱Diels-Alder反應(yīng)，并進(jìn)行了專利保護(hù)。 技術(shù)關(guān)鍵：具有良好催化活性和優(yōu)異手性誘導(dǎo)性能的催化劑及其催化體系設(shè)計(jì)與應(yīng)用。 主要技術(shù)指標(biāo)：產(chǎn)物的對(duì)映選擇性（ee值）、非對(duì)映選擇性（d/r, exo/endo，順反比）、收率

科學(xué)性、先進(jìn)性

高效、高選擇性、可重復(fù)使用的催化劑開發(fā)是現(xiàn)代綠色化學(xué)研究的核心.與當(dāng)前國內(nèi)外研究相類似的手性胺催化劑相比，自行設(shè)計(jì)合成的雙功能化手性胺催化劑主要具有如下優(yōu)點(diǎn)： 1、是一類具有雙功能特性的有機(jī)小分子催化劑,催化劑催化性能優(yōu)異,具體體現(xiàn)在其對(duì)不對(duì)稱Michael、Oxa-Michael-Henry及Diels-Alder反應(yīng)的催化性能。 2、該類催化劑的設(shè)計(jì)合成是本實(shí)驗(yàn)組自主設(shè)計(jì)開發(fā)，且催化劑易于合成. 3、手性胺鏈接的功能片段給于了該催化劑與酸配對(duì)形成離子化合物的功能,具有潛在的可重復(fù)使用性能和可實(shí)現(xiàn)水相催化或多相催化。 4、結(jié)構(gòu)可調(diào). 5、自主設(shè)計(jì)合成的雙功能化手性胺在不Michael， Oxa-Michael-Henry以及Diels-Alder等不對(duì)稱反應(yīng)中有著優(yōu)異的催化性能.

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)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,發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)枺?00710156386.5.; 200710068380.2.;200910097515.7. 7,獲2008年度"**省新苗人才計(jì)劃"資助. 8,**省第十一屆挑戰(zhàn)杯特等獎(jiǎng).

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

基礎(chǔ)理論研究

作品可展示的形式

圖片

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

該作品所設(shè)計(jì)合成的雙功能手性胺催化劑，在催化合成不對(duì)稱Michael, Oxa-Michael-Henry及Diels-Alder產(chǎn)物時(shí)，提供了一種高效的合成方法，同時(shí)在綠色反應(yīng)溶劑PEG和水中分別催化合成了高化學(xué)選擇性、高立體選擇性和高光學(xué)選擇性的Michael 和 Diels-Alder產(chǎn)物，在綠色合成領(lǐng)域有著重要意義，為工業(yè)化應(yīng)用中提供了一種很好的合成模式，具有很好的應(yīng)用前景。

同類課題研究水平概述

氨基酸及其衍生物作為手性有機(jī)小分子催化劑有諸多優(yōu)點(diǎn)：氨基酸首先無毒、價(jià)格低廉且容易得到；天然氨基酸光學(xué)純度高，種類多。其中脯氨酸作為一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且自然界含量豐富的氨基酸，Lewis堿型-Br?nsted酸型雙官能團(tuán)的有機(jī)小分子催化劑，具有仲胺結(jié)構(gòu)，較高的pKa值使其易與羰基進(jìn)行親核反應(yīng)，形成烯胺與亞胺鹽的互變異構(gòu)，烯胺可進(jìn)行親電加成完成反應(yīng)，亦可通過亞胺的親核加成得到產(chǎn)物。同時(shí)脯氨酸及其衍生物因具有不同的側(cè)鏈功能團(tuán)、取代基，使其具有高活性、高選擇性、催化范圍廣等特點(diǎn)，在多種不對(duì)稱催化反應(yīng)中表現(xiàn)出非常好的催化性能。 List等人首先報(bào)道了L-脯氨酸催化的酮與硝基烯烴的Michael反應(yīng)。盡管L-脯氨酸在DMSO中可獲得很高的收率和非對(duì)映選擇性，但ee值均未超過23％。 Barbas III小組對(duì)手性二胺/酸共催化劑進(jìn)行篩選研究發(fā)現(xiàn)(S)-1-(吡咯烷甲基)-吡咯烷/三氟乙酸具最好的催化活性和對(duì)映選擇性，異丙醇為最佳溶劑，催化α, α-二取代醛與硝基烯烴的Michael加成以高達(dá)96％的收率得到高達(dá)91％ee值的手性季碳產(chǎn)物。 Alexakis等人研究了具有兩個(gè)手性碳的聯(lián)吡咯烷類二胺為催化劑的Michael反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)其對(duì)醛具有較好的催化活性和立體選擇性，但底物酮反應(yīng)較差，ee值在23－74％之間。 Kotsuki等人設(shè)計(jì)合成一類吡咯烷與吡啶連接的有機(jī)催化劑，對(duì)環(huán)己酮類底物的Michael加成表現(xiàn)出高活性和很好的對(duì)映選擇性。以大于92％的收率和大于88％的ee值得到產(chǎn)物，但對(duì)醛立體選擇性很差，最高只有22％的ee值。 Hayashi小組以二苯基脯氨醇硅醚為催化劑，對(duì)醛與硝基烯烴的Michael反應(yīng)進(jìn)行研究。當(dāng)醛與硝基烯烴以1：1的摩爾比在室溫或零度反應(yīng)時(shí)可以高達(dá)99％ee值得到順式產(chǎn)物。 Córdova等人運(yùn)用手性二胺催化劑(S)-1-(吡咯烷甲基)-吡咯烷催化了4，4-二甲基環(huán)己烯酮和硝基烯烴的Diels-Alder反應(yīng)。在室溫下，以30%的催化劑用量，在THF溶劑中反應(yīng)可得到61~99％收率、ee值為32~86％的二環(huán)加成產(chǎn)物,同時(shí)認(rèn)為該反應(yīng)是通過雙Michael反應(yīng)歷程。
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