含有冠醚结构的手性单齿膦配体的合成、组装及其超分子催化研究

Asymmetric catalysis is the most advanced frontier in recent years for the synthesis of optically active organic compounds, especially by using chiral metal complexes. Among the factors affecting catalytic efficiency and selectivity, the component and structure of the chiral ligand is of great importance. As the most privileged ligands, the synthesis and derivation of chiral phosphorus ligands through covalent approaches have been well developed. In recent years, supramolecular approaches for the preparation of chiral ligands have proven to be particularly intriguing alternative to the conventional method. In most cases, these supramolecular ligands have shown superior selectivity and/or catalytic activity. Despite the efforts, the successful catalytic applications of supramolecular ligands are still limited. Most of the supramolecular ligands were assembled through hydrogen bonding or coordinative interactions, and limited to achiral manner. Therefore, it would be highly desirable to develop new types of supramolecular chiral ligands for homogeneous asymmetric catalysis. Crown/azacrown ethers are outstanding host molecules for the selective binding of alkali metal, alkali-earth metal,and ammonium cations, and have been extensively studied in supramolecular chemistry. The combination of crown/azacrown ether and phosphorus ligand will offer new alternative for supramolecular catalysis. To develop new supramolecular approach for the construction of chiral ligands, in this project, we plan to design and synthesize a novel series of monodentate chiral phosphorus ligands by decoration of various privileged monodentate phosphorus ligands with different crown/azacrown ethers through a proper linker. The self-assembly behavior of the chiral ligands/catalysts will be characterized by using various instrumental techniques, such as NMR chromatography, single crystal X-ray diffraction, FTIR and Uv-vis spectroscopies. Then, the synthesized ligands will be utilized in the study of supramoleculer catalysis, selecting asymmetric hydrogenation and hydroformylation as the model reactions. The study will be focused on the effect of the host-guest assembly of crown/azacrown ether on catalytic efficiency and selectivity, and the mechanism of supramolecular catalysis.

金属参与的催化不对称合成是当今有机合成化学研究的热点和前沿。在影响催化反应效率和选择性的因素中，手性配体的组成和结构至关重要。作为一类广为研究的优势配体，手性膦配体的共价键改造大大丰富了现有配体的种类和数目。近年来，利用超分子组装方法构建新型配体及催化剂已取得了重要研究进展，并证明是一种十分有效的配体/催化剂构筑手段。但已报道的超分子含膦配体/催化剂体系还十分有限：所采用的非共价组装模式主要基于氢键和配位键，且主要用于非手性催化剂体系的研究。为进一步发展新的超分子含膦手性配体/催化剂的构建方式，本申请项目拟将冠醚/杂冠醚这一优异的超分子主体分子与优势手性单齿膦配体相结合，构建一类含冠醚/杂冠醚结构的手性单齿膦配体，以发展新颖、独特的超分子金属催化体系及超分子金属催化反应。这一超分子组装可调控的手性单齿膦配体不仅能够应用于金属催化的不对称合成，还可将其拓展到有机催化及协同催化反应的研究。

冠醚及其类似物因具有同碱金属、碱土金属离子等客体可逆结合的识别位点，所以，冠醚对催化中心的共价修饰，能够为新一代超分子催化剂提供类似于酶的底物识别位点和反应调控中心。. 本项目围绕含有冠醚和荚状醚骨架的手性配体设计展开，合成了含冠醚和荚状醚骨架的多种过渡金属催化剂，用于非共价相互作用调控的不对称催化反应研究。主要研究工作包括：（1）设计、合成了含N-杂冠醚的手性单齿亚磷酰胺配体，在铑催化脱氢氨基酸酯的不对称氢化反应中，通过外加碱金属离子客体或穴醚主体分子，调控氮杂冠醚参与的不同主-客体相互作用，从而实现了不对称氢化反应 “开”与“关”之间可逆、高效的相互转换。在催化剂“开”的状态下，底物可完全转化，产物的对映选择性达到92%-96% ee；催化剂在“关”的状态下，反应基本不发生。（2）通过在荚状醚两端引入手性Salen配体，合成了含双金属中心的Salen-Cr(III)催化剂，在外加碱金属离子的条件下，成功实现了取代苯甲醛与硝基甲烷间的不对称Henry反应，并证明荚状醚骨架与钾离子间的主-客体相互作用是实现这一高效、高选择性超分子催化的主要原因。（3）设计、合成了含荚状醚骨架的三苯基膦-手性亚磷酸酯双齿配体，与铑配位后高产率地制得手性金属冠醚催化剂，并成功应用于α-芳基烯酰胺的不对称氢化。钾离子的加入不仅使得催化反应的对映选择性显著提高，而且催化活性也大大提升。（4）研究了聚乙二醇（PEG）和精确分子量寡聚乙二醇（OEG）中手性二胺/钌配合物催化喹啉衍生物的不对称氢化反应，证明长链PEG和OEG能够通过多重非共价相互作用对喹啉盐反应中间体进行包裹，从而阻止氢化反应的发生；并使用短链三聚乙二醇为溶剂，实现了系列喹啉衍生物的高效、高选择性氢化及催化剂的回收和循环使用。. 通过如上研究工作，证明了催化剂结构中的冠醚和荚状醚骨架与碱金属离子间的主-客体相互作用在多种催化剂体系和不对称催化反应中都发挥了正的超分子调控作用，完成了本项目研究的既定目标。