金属有机化学

第五章金属有机与手性催化手征性是自然界的一个关键要素，它是生命物质区别于非生命物质的重要标志。许多物理、化学、生物功能的产生都起源于分子手征性的精确识别与严格匹配。因此，手征性在现代科学技术中起着日益重要的作用。随着人们对生命过程的研究与认识的加深，以及分子电子学与分子光学的兴起，手征性在科学与技术界已经引起了广泛的兴趣。制备手性化合物一直被认为是生物体的专利。长期以来人们只能从动植物体内分离提取手性物质，或用酶催化及由天然产物转化制取手性化合物。用一般化学合成方法得到的是外消旋体，需要进行烦琐的拆分。不对称合成虽然可以用于制备手性化合物，但要消耗化学计量的手性辅助试剂。催化不对称合成的出现使化学家长期以来的梦想变成现实，它仅用少量手性催化剂就可以将大量前手性底物对映体选择性地转化成特定构型的手性产物。实现手性放大，手性倍增。因此，在外消旋体拆分、化学计量不对称合成、催化不对称合成这三种制备手性化合物的化学方法中，后者具有明显的优越性。催化不对称合成最早报道的是用多相催化剂，由于催化剂表面结构的非均一性，其光学选择性难以提高；因而转向应用均相络合催化剂。络合催化剂是组成确定、结构清楚的过渡金属络合物。金属有机化学的发展，促进了络合催化的发展。无论是作为催化剂、催化剂前体、还是活性络合物中间体，在整个络合催化过程中都有金属有机化合物参加，并起着关键性作用。可以说每个金属有机化合物都是潜在的络合催化剂。现在合成一个空间结构复杂的化合物已不是少数巧妙化学家的手艺，因为有机合成已从尝试法走向系统科学方法。这其中与金属有机用于有机合成有着密切关系。由于新方法、新试剂、新催化剂的引入，特别是过渡金属络合物催化剂的出现，大大缩短了某些化合物合成过程，简化了操作步骤。应用手性配体过渡金属络合物作为催化剂对映体选择性地合成具有旋光性的手性化合物，就是这一领域中的一个突出成就。1966年报道了第一个均相不对称催化反应，野依良治等应用手性席夫碱铜络合物催化环丙烷化反应。1968年Horner和Knowles几乎同时将手性膦配体引入Wilkinson催化剂，成功地实现了不对称氢化反应。从此开创了催化不对称合成新学科。二十多年来手性催化从无到有获得了迅速发展。一方面作为研究反应机理的理想模型，引起从事基础研究的有机、催化、结构化学家的广泛兴趣；另一方面由于它的对映体选择性，使它在生产旋光性的医药、农药、香料、食品添加剂等方面展现出广阔的应用前景。本文将对近年来在手性配体的设计与合成、不对称均相催化反应研究方面的最新进展，及手性催化技术的工业应用，加以简略地概括与综述。二、手性配体手性催化的对映体选择性来源于催化剂的不对称诱导力，因此要求作为催化剂的过渡金属络合物本身具有手征性。原则上讲不对称中心可以在金属原子上，也可以在配位原子上，或在配位原子的取代基上。实验证明，合成手性过渡金属络合物要比合成手性配体难得多，因此人们主要致力于合成高光学选择性的手性配体。因为催化剂的选择性主要取决于手性配体，可以说制备高选择性催化剂主要就是设计、合成高选择性手性配体。这就要求手性配体不仅要有适当的配位能力，而且必须具有手征性，如手性中心，或手性轴、手性面，同时要有适当的取代基，以便赋予其空间差异性和对映体识别能力。1．手性磷原子配体一般认为催化剂的不对称单元应尽可能靠近中心金属，所以合成了手性中心在磷原子上的配体，P*R1R2R3，例如：P*MePrPh，P*MePh(o—An)，P*MeChx(o—An)，及[P*Ph(o—An)CH2]2，用于乙酰氨基丙烯酸加氢反应，上述四种配体的e.e.值分别为28％，60％，85％，95％。通常这类配体的合成比较因难，因为在合成的步骤中必须经过对映体拆分，近年来发展的色谱拆分技术可能是解决这一难题的途径。但是人们还是转向合成手性碳配体。2．手性碳单膦配体研究表明，手性中心在膦配体取代基的碳原子上同样可以起到不对称诱导作用。1971年Morrison首次合成了手性碳的膦配体。标志着手性配体合成前进了一大步。从此可以利用酒石酸、樟脑、乳酸、氨基酸、薄荷醇、糖类等作为便宜易得的天然手性源合成各种手性配体。3．手性碳双膦配体单膦配体制成催化剂后，由于构型易变，多数光学选择性不高，因此转向合成双膦配体。1971年Kagan等首次从酒石酸出发合成了1，4—双膦配体DIOP，以双齿与过渡金属配位形成具有C2对称轴的螯合物，从而提高光学选择性。同时也证明了仅有手性碳没有手性磷的配体同样有不对称诱导作用。至今DIOP已成为在手性催化中应用最广、选择性最好的配体之一。在DIOP改性衍生物中，以萘基代替苯基效果较好。而五元环上两个甲基的改变对光学选择性影响不大。用L-羟基脯氨酸为原料合成的1，4—双膦配体BPPM，亦有较好的光学选择性。1，4—双膦与过渡金属配位形成七元螯合环，启发人们合成稳定性更好的六元环、五元环的1，3—双膦和1，2—双膦。用1，3—丁二醇合成的Chairphos用于2—乙酰氨基肉桂酸加氢仅得20％e．e，而用2，4—戊二醇合成的Skewphos(即BDPP)则达到93％e.e．。因为前者制成催化剂后成为假椅式非手性六元环，使手性碳的不对称诱导效应降低；而后者由于两个甲基的存在，使整合环成手性交差构象，增强了不对称诱导作用。从2，3—丁二醇制得的Chiraphos，从乳酸制得的Prophos，从环戊二烯制备的Norphos，从环戊烯制备的DPCP等1，2—双膦配体，都显示出很高的光学选择性，成为广泛应用的双膦配体。4．含氮、氧、硫等杂原子配体除含碳磷键的手性膦配体外，还合成了含杂原子的手性配体。在含氮配体中有从缬氨酸合成的VALPHOS，从亮氨酸合成的Leuphos，从丙氨酸合成的A1aphos，以及由草酸与苯乙胺制备的PNNP型双胺膦配体。以2—乙酰基吡啶与甲基半肮氨酸酯一步缩合制备的Pythia配体是一类含N、O、S的非磷配体，合成方法比手性磷简单得多。以氧、硫、砷为配位原子的手性配体也相继合成。在二茂铁茂环上引入磷取代基、手性碳取代基等，可以制成一类结构特殊的手性配体，如BPPFA。此外各种氨基酸、蒎烯衍生物配体已有文献报道。酒石酸酯作为特殊的手性诱导试剂在不对称环氧化中已有应用。5．C2对称性配体除具有手性中心的配体之外，80年代还合成了具有C2对称性含手性轴的配体，最具代表性的是BINAP。以樟脑磺酸或二苯甲酰基酒石酸拆分BINAP氧化物，然后在三乙胺存在下以三氯硅烷还原，可得到光学纯的BINAPE。这类配体具有很多特点，它拥有全sp2杂化成键的芳香环骨架，与脂肪族相比具有较高的稳定性。在催化过程中显示出卓越的空间效应。同时可以增加催化剂的极性和Lewis酸性。通过绕双萘基Cl—C1’键及C2—P，C2’—P’键轴轻度旋转，BINAP构象有一定的可调性，因此它是可以容纳过渡金属最多的一个配体。BINAP配位后生成的七元环具有较大的刚性和高度扭曲的构象。使各象限空间对称性差异增大，四个苯基分别处于直立位和平伏位。这一空间特性有效地控制了底物的取向和过渡态的构型，使其具有很高的光学选择性。因此，BINAP已成为应用最广的一个手性配体，与Rh(Ⅰ)、Ru(Ⅱ)、Pd(Ⅱ)等组成高效手性催化体系，用于各类不对称催化反应。除BINAP之外，具有C2对称性的配体还有联萘二酚、联萘二硫酚、联萘二氨等，多用作手性辅助试剂与非过渡金属A1、Mg、B、Li等结合，实现对映体选择性合成。6．多功能团配体配体是手性催化的关键，合成手性配体一直是不对称催化研究中最重要的组成部分，截止l980年，已收集到130多种手性膦配体。80年代以来，新的手性配体更是大量涌现，据统计，1984一1986年间出现在ChemicalAbstracts上的手性配体就有329种。目前合成手性配体的研究中似乎可分为两大类，一类是对现有性能良好的配体(如BI—NAP，DIOP等)在制备方法上进行改进与完善，以期降低生产成本，促进商品化与工业应用；另一类是合成组成结构全新的手性配体，与某些过渡金属结合，用于特定催化反应，试图获得更高的光学选择性。在设计、合成新手性配体中一种发展趋势是，在配体中引入功能团使之与底物的某些功能团发生作用。在底物前手性中心与催化剂金属相互作用(第一种作用)、底物通常存在的第二配位点与金属原子配位形成螯合环以减少过渡态的自由度(第二种作用)之外，再形成配体与底物之间的相互作用，姑且称作第三种作用。类似酶催化中在中心金属周围汇集多种功能团的多点相互作用，以提高其光学选择性。如在二茂铁膦配体中再引入手性碳取代基及含氮、氧等功能团制成新的配体。用于钯催化烯丙基烷基化反应，镍催化的格氏交联反应，以及醛醇缩合反应，都显示出较高的光学收率。通过引入亲水性基团并进行多相化，制备固载型水溶性手性配体已有很大进展。如此制成的水溶性BINAP配体，用于Ru催化氢化Naproxen光学选择性达96%e.e.。三不对称催化反应1．氢化反应在所有不对称催化反应中，烯烃加氢是研究最多、也是最有成效的反应。应用不对称加氢反应将含有C＝C、C＝N、C＝O双键的烯烃、亚胺、酮类等前手性底物转化为手性中心含氢原子的产物，特别适合合成各类氨基酸等。因此，脱氢氨基酸，如(z)—N—乙酰基肉桂酸、α—N—乙酰基丙烯酸及其酯已被广泛用作标准底物，评价手性加氢催化剂、新手性配体、水溶性催化剂、3d金属Co、Ni等催化剂以及固载化手性催化剂。孤立的前手性烯烃加氢，底物与催化剂间仅有烯烃双键π—键配位，对映体互变能垒低，光学收率不高。带有极性取代基的烯烃(如丙烯酸及其衍生物阿托酸、衣康酸、O—N—乙酰基丙烯酸及其酯类)加氢光学选择性要好得多。底物结构对光学选择性影响很大。有电负性取代基，存在第二个络合基团可与催化剂成螯合环者，光学选择性高。将酸转化为酯，破坏分子内氢键，通常选择性可进一步提高。几何构型不同光学选择性变化很大Z式e.e．值大于E式，反应速度也高。NMR研究发现，Z式以烯键和酰胺键配位，而E式以烯键和羧基配位。实现高光学选择性对底物的要求可归纳为如下几点：烯烃α—碳上应有电负性取代基；除烯烃双键外应存在第二个配位基，以便与中心金属成螯合环；取代烯烃优于α—烯烃；Z式异构体优于E式。基于反应络合物的x—射线结构分析，反应中间络合物低温下31P、13C—NMR谱数据及动力学研究，Halpern对不对称催化加氢反应机理进行了深入的研究。指出氢的顺式氧化加成是控制步骤，低温下还原消除是控制步骤。在两种中间络合物中，量少的消失速度快，生成的产物反而多。Halpern的解释比氢化物、烯烃途径竞争要简单，并可解释氢压、添加剂对选择性的影响。多数双苯基取代手性双膦配体，其手性中心都离中心金属在(0．4一0．5)nm以外，与中心金属配位形成螯合环时，手性碳上的烷基取空间阻碍较小的平伏式，加强了螯合环的手性构型，促使磷原子上的两个苯基分别取平伏式和直立式，通过这两对苯基的特定取向，使配体上的手性信息传递到与中心金属配位的底物前手性基团，产生了对映体选择性。在不对称氢化反应中，近年来出现的Ru—BINAP催化体系表现出卓越的光学选择性。Ru(Ⅱ)为d6电子构型，取六配位八面体构型，在催化反应中成单氢化物；而Rh(Ⅰ)为d8电子构型，取四配位平面四方型构型，成双氢化物中间体。尽管Ru(Ⅱ)与Rh(1)有如此大的差异，但在光学选择性上却可与Rh(1)媲美。如用于烯丙基醇类加氢，反应光学收率已达96％一99％e．e．。OH(S)-BINAP-RU(ⅡOH）香叶醇（R）香茅醇OHOH橙花醇（S）香茅醇Ru—BINAP催化体系用于β酮酸酯还原光学选择性已达100％e.e.。RCOCH2COOMeRuBINAPRCH(OH)CH2COOMe*在对映体选择性还原非对称酮合成手性仲醇的研究方面，近年来有了很大进展。除上面提到的Ru—BINAP以及A1—BINAL体系之外，值得一提的是手性硼催化剂。Corey等发表了一系列文章，不仅搞清了Itsuno配体结构和反应机理，并且研究出多种含硼手性碳基还原催化剂