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固载化金鸡纳手性催化剂不对称Michael加成和Aldol反应的研究

作　者: 陈秋
导　师: 刘双喜
学　校: 南开大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 金鸡纳生物碱 固载化 不对称Michael加成反应 不对称Aldol反应
分类号: O643.36
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


近几年来，不对称有机催化由于其原子经济性高的特点受到广泛关注，已经成为不对称催化最为活跃的领域之一。金鸡纳生物碱及其衍生物作为一类高效的有机小分子催化剂，因其分子结构含有多个手性中心且易于修饰，在不对称有机催化领域受到了广大化学工作者的青睐，已经被广泛用于催化不对称Michael加成、不对称Aldol等反应。然而，金鸡纳均相催化剂往往存在用量高、不易回收以及产物分离困难等缺点，很大程度上制约了其在工业上的应用。均相催化剂的固载化有望克服上述缺点，因而备受研究者的重视。目前固载化金鸡纳催化剂的应用范围主要集中在不对称双羟基化和不对称烷基化反应，在目前均相催化剂研究较为活跃的不对称Michael加成以及Aldol反应领域，相关的研究却较少。无机载体因其高的机械强度、较好的热稳定性等特点，成为固载均相催化剂的优良载体。为此，本文分别采用介孔氧化硅SBA-15和杂多酸作为载体实现了天然金鸡纳生物碱与金鸡纳手性胺的固载化，并将所得的催化剂用于催化不对称Michael加成与Aldol反应。考察了不同固载方法——后嫁接法与共缩聚法，以及不同载体——片状短孔道SBA-15与纤维状常规SBA-15分别对催化剂催化不对称Michael加成反应的影响。同时也研究了共价固载法与静电固载法对催化剂催化不对称Aldol反应的影响。本文首先采用简单的后嫁接法实现了天然金鸡纳生物碱奎宁在介孔材料SBA-15表面的成功固载。XRD、FT-IR、DR UV-Vis、TG-DTG、氮气吸附以及元素分析结果表明奎宁成功地被引入到了SBA-15表面，并且所得的催化剂依然保持了较好介孔结构以及规整的介孔孔道。以查耳酮类化合物的不对称Michael加成反应为模型反应，研究了不同溶剂对催化性能的影响，同时也考察了催化剂的循环使用性能。除了甲氧基查耳酮之外，该催化体系获得了中等水平的收率，但产物ee值相对较低。共缩聚法制备的催化剂相比后嫁接法，活性组分在载体表面分布得更为均匀，手性诱导作用可能进一步增强，从而促进对映选择性的提高。本文采用共缩聚法合成了巯丙基硅烷修饰的有机-无机杂化介孔SBA-15，并通过自由基加成反应首次引入了奎宁催化剂。XRD、FT-IR、DR UV-Vis、TG-DTG、氮气吸附以及元素分析结果表明，奎宁被成功地固载到了介孔材料的表面，在有机硅烷投料量不超过20mol%(占总硅烷物质的量分数)时，所制备的非均相催化剂依然保持了较好介孔结构以及相对规整的介孔孔道。以查耳酮类化合物的不对称Michael加成反应为模型反应，考察了不同合成条件对催化性能的影响，发现最佳的有机硅烷投料量为20mol％，最佳晶化温度为100℃，最佳晶化时间为24h。相比于后嫁接法，共缩聚法制备的催化剂对映选择性明显提高，但反应收率依然受到微米级长孔道的限制，无明显提高。短孔道的SBA-15与传统的SBA-15相比，更短的孔道有利于反应的传质，促进反应的活性的提高。本文首次采用共缩聚方法合成了巯丙基修饰的、同时具有片状形貌的短孔道SBA-15，并进一步将不同结构的金鸡纳生物碱固载到该材料的介孔孔道中。XRD、FT-IR、DR UV-Vis、TG-DTG、SEM、TEM、氮气吸附以及元素分析结果证明金鸡纳生物碱的成功固载，并且所有非均相催化剂都保持了较好的介孔结构。SEM和TEM证实了催化剂具有片状形貌，孔道长度约为280~480nm。以查耳酮类化合物的不对称Michael加成反应为模型反应，考察了有机硅烷投料量和金鸡纳生物碱结构对非均相催化剂的催化性能的影响，结果发现最佳的有机硅烷投料量为10mol%；各种金鸡纳结构的非均相催化剂中，奎宁催化剂表现出了最优的催化性能。与常规催化剂相比，短孔道催化剂的催化活性得到了大幅度的提高，且对映选择性也略有提高。元素分析和FT-IR表明催化剂强吸附原料丙二腈是其循环性能降低的主要原因。静电固载是手性催化剂固载化的重要手段之一。本文首次以杂多酸为载体，通过静电相互作用，实现了金鸡纳手性胺催化剂的非均相化。NMR、FT-IR以及元素分析结果表明金鸡纳手性胺被成功地固载在杂多酸上，以芳香醛的不对称Aldol反应为模型反应，考察了固载方式、杂多酸与溶剂类型、以及底物结构对催化反应的影响。结果发现，因共价固载的方式破坏了金鸡纳C-10位的双键结构，导致共价键联的催化剂无任何对映选择性；酸性最强的磷钨酸为最佳载体；丙酮最有利于非均相催化体系；底物空间因素对催化反应结果有较大的影响。催化剂的质量损失是循环反应结果降低的主要原因。

全文目录


摘要  5-10
Abstract  10-23
第一章 绪论  23-105
  第一节 前言  23-24
  第二节 金鸡纳生物碱概述  24-27
  第三节 金鸡纳生物碱及其衍生物在不对称有机催化中的应用  27-50
    1.3.1 催化不对称 Michael 加成反应  29-46
    1.3.2 催化不对称 Aldol 反应  46-50
  第四节 固载化金鸡纳生物碱及其衍生物在不对称催化中的应用  50-63
    1.4.1 催化不对称双羟基化反应  51-57
    1.4.2 催化不对称烷基化反应  57-60
    1.4.3 催化不对称 Michael 加成反应  60-63
  第五节 无机载体  63-71
    1.5.1 介孔氧化硅材料  63-66
    1.5.2 杂多酸  66-71
  第六节 研究思路及内容  71-75
  参考文献  75-105
第二章 采用后嫁接法制备 SBA-15 固载奎宁催化剂  105-135
  第一节 前言  105-106
  第二节 实验部分  106-115
    2.2.1 实验原料与试剂  106-107
    2.2.2 实验仪器与装置  107-110
    2.2.3 合成  110-114
    2.2.4 查耳酮类化合物与丙二腈的不对称 Michael 加成反应  114-115
  第三节 结果与讨论  115-127
    2.3.1 催化剂表征  115-124
    2.3.2 非均相催化剂在不对称 Michael 加成反应中的应用  124-127
  第四节 本章小结  127-129
  参考文献  129-135
第三章 采用共缩聚法制备 SBA-15 固载奎宁催化剂  135-169
  第一节 前言  135-136
  第二节 实验部分  136-140
    3.2.1 实验原料与试剂  136-137
    3.2.2 实验仪器与装置  137-138
    3.2.3 合成  138-140
    3.2.4 查尔酮类化合物与丙二腈的不对称 Michael 加成反应  140
  第三节 结果与讨论  140-165
    3.3.1 催化剂表征  140-154
    3.3.2 非均相催化剂在不对称 Michael 加成反应中的应用  154-165
  第四节 本章小结  165-167
  参考文献  167-169
第四章 采用共缩聚法制备短孔道 SBA-15 固载金鸡纳生物碱催化剂  169-200
  第一节 前言  169-171
  第二节 实验部分  171-177
    4.2.1 实验原料与试剂  171-172
    4.2.2 实验仪器与装置  172-175
    4.2.3 合成  175-177
    4.2.4 查尔酮类化合物与丙二腈的不对称 Michael 加成反应  177
  第三节 结果与讨论  177-196
    4.3.1 催化剂表征  177-188
    4.3.2 短孔道非均相催化剂在不对称 Michael 加成反应中的应用  188-196
  第四节 本章小结  196-198
  参考文献  198-200
第五章 杂多酸固载金鸡纳手性胺催化剂  200-221
  第一节 前言  200-201
  第二节 实验部分  201-210
    5.2.1 实验原料与试剂  201-203
    5.2.2 实验仪器与装置  203
    5.2.3 合成  203-209
    5.2.4 芳香醛的不对称 Aldol 反应  209-210
  第三节 结果与讨论  210-217
    5.3.1 载体对非均相催化剂催化性能的影响  210-211
    5.3.2 溶剂对磷钨酸非均相催化剂催化性能的影响  211-213
    5.3.3 磷钨酸非均相催化剂对不同底物的催化性能  213-215
    5.3.4 磷钨酸非均相催化剂循环使用性能的考察  215-217
  第四节 本章小结  217-219
  参考文献  219-221
第六章 本文结论与展望  221-227
  6.1 本文结论  221-225
  6.2 有关后续工作的建议和展望  225-227
参考文献  227-267
致谢  267-269
个人简历 在学期间发表的学术论文与研究成果  269-271

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中图分类: > 数理科学和化学 > 化学 > 物理化学（理论化学）、化学物理学 > 化学动力学、催化作用 > 催化 > 催化剂
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