手性边臂强化铁基不对称环氧化催化剂的设计及其催化性能

Optically active oxiranes are key intermediates for the synthesis of fine chemicals and pharmaceuticals. Their ring-opening derivatives are centers for the construction of biologically active substances. The traditionally asymmetric epoxidation methods to obtain optically active oxiranes have the disadvantages of non-environment benign. The asymmetric epoxidation of α, β-enones and non-functionalized alkenes catalyzed by bis-amine-bis-heterocycle based ligand iron(II) complex with hydrogen peroxide as oxidant can resolve the above problems in some degree. However, this methodology suffers from the disadvantages of low enantioselectivity and narrow substrate scope. It is expected that sidearm chiral group enhanced asymmetric epoxidation can overcome these problems. .Based on the above description, we shall synthesize a primary chiral bis-amine-bis- heterocycle tetradentate ligand from chiral pyrrolidine diamine, firstly. Some ligands with enhanced enantioselectivity will be obtained by introduction of chiral sidearm groups with different electronic and steric properties, and optical activities using the nitrogen atom in the ring of pyrrolidine as an anchor site. These chiral ligand coordinate with iron(II) ion to afford the corresponding chiral complex, which are employed as catalysts in the asymmetric epoxidation of α, β-enones and non-functionalized alkenes with hydrogen peroxide as oxidant. The mechanism of the chiral iron(II) complex catalyzed asymmetric epoxidation will be investigated by using in-situ technologies and on-line IR analysis system to screen how the chiral sidearm group enhances the enantioselectivity of the reaction. It is expected that we can design the catalyst according substrate structure by synthesizing all the information from structure characterization and reaction mechanism, called “catalyst tailoring”.

手性环氧化物是精细化工、药物合成的关键中间体，其开环衍生物是构筑众多生物活性物质的核心。传统的不对称环氧化方法存在对环境不友好等问题。手性双胺-双杂环四齿氮配体铁（II）配合物催化过氧化氢对α, β-烯酮及非官能团烯烃的不对称环氧化在一定程度上克服了上述问题，但却存在对映选择性低、底物适用范围窄等问题。采用手性边臂官能团强化有望克服这些问题。.基于上述，以手性吡咯烷二胺为起始物合成双胺-双杂环手性四齿氮初级配体，利用吡咯烷氮原子引入电子效应和立体效应各异、旋光性能不同的手性边臂基团，得到边臂基团强化的手性配体,将其与铁（II）配位得到手性配合物，催化过氧化氢对α, β-烯酮及非官能团烯烃的不对称环氧化。采用原位技术、在线反应红外分析系统研究反应机理，获得手性边臂基团对反应对映选择性的强化机制。综合结构表征、反应机理信息，实现根据底物的结构设计催化剂—即实现催化剂的“裁剪”。

光学活性的环状结构是众多天然产物和药物活性分子的核心骨架，因此探索光学活性环状化合物的高效合成方法具有重要的理论意义和应用价值。基于手性氮、膦配体诱导的不对称环合反应是构建此类结构最有效途径之一，也是有机合成领域一项挑战性的课题。其关键是设计、合成新型手性配体及过渡金属配合物催化剂，其中引入手性边臂有望强化光学活性催化剂的对映选择性。. 本课题首先合成了基于(R, R)-3,4-二氨基吡咯烷分别带有左、右旋樟脑磺酰基和苄基边臂的三个非血红素N4配体及其铁(II)配合物。将配合物作为催化剂用于以H2O2为氧化剂、羧酸为助剂的各种α, β-不饱和酮的不对称环氧化反应，以中等至优异的产率和优异的对映选择性（高达97% ee）得到了相应的不对称环氧化物。此外，通过实验筛选出了较优的添加剂羧酸种类，为后续此类催化体系的设计提供了借鉴。. 在上述结果的基础上，合成了以L-Boc-N-脯氨酰基、D-Boc-N-脯氨酰基、L-脯氨酰基、D-脯氨酰基以及苄基为边臂的(R, R)-3, 4-二氨基吡咯烷基-Salen手性配体，进而与三价锰配位得到相应的配合物；这些配合物在以次氯酸钠和间氯过氧苯甲酸为氧化剂的非官能团烯烃的不对称环氧化反应中显示优良的催化性能；同时发现，手性边臂适宜的空间位阻、构型对反应速率和对映体过量值有显著的强化作用。. 基于铁的环境友好特性，制备了一系列水滑石负载铁催化剂。在苯甲醛存在下，这些催化剂可以催化分子氧将非官能团化烯烃几乎定量转化为相应的环氧化物。结构表征发现Fe3+是催化分子氧氧化苯甲醛生成过氧苯甲酸的活性物种，而原位生成的过氧苯甲酸迅速将烯烃转化为环氧化物。. 此外，还进行了以下两方面的研究：其一、手性亚磷酰胺配体-钯体系催化分子内不对称Heck或Heck/Suzuki串联环合反应，发展了光学活性的2,3-二取代二氢吲哚衍生的合成方法；其二、过渡金属催化的喹喔啉酮骨架C-3位C-H键活化，构建C-X键，在喹喔啉酮母核引入多种官能团. 这些工作为相关生物活性化合物、手性药物的合成奠定基础。