空心介孔有机聚合物纳米球负载手性多催化剂的构筑及多催化剂间相互作用机制研究

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多手性中心光学活性分子是构建生物活性手性药物分子的关键物质结构。“多催化/多组份不对称串联反应”是高活性和优异立体选择性地构建多手性中心光学活性分子的重要策略反应,在构建结构新颖、潜在价值高的多手性中心光学活性分子方面极具创造活力和优势,其非均相化是降低合成成本最为有效的策略,但面临关键的科学问题和技术亟待解决:(1)多种昂贵均相手性催化剂的非均相化缺乏简便的策略;(2)非均相多物种/多催化剂间的复杂串联反应对催化传质有苛刻的要求;(3)非均相多催化剂间存在相互作用问题,往往导致立体选择性显著降低,难于满足高纯度光学活性分子的要求。本文开拓多催化剂负载非均相化的简便策略,构筑空心介孔有机聚合物纳米球负载手性多催化剂。通过调控有机聚合物载体的介孔结构、形貌、载体尺度,以及开拓多催化剂的可控功能化策略,有效解决非均相“多催化/多组份不对称串联反应”的传质限制和多催化剂间相互作用等关键科学问题,从而构建高效非均相“多催化/多组份不对称串联反应”体系。第二章针对催化剂载体的传质限制问题,通过PS硬模板法构建空心结构、金属离子吸附-原位金属盐撑胀-致孔剂去除的方法构建壳层介孔结构,构筑了具有较大比表面积(138.4 m2 g-1)和孔容(0.47 cc g-1)的空心介孔有机聚合物纳米球,显著改善载体结构内部的传质效应。在常温下即可用ClSO3H磺化,制得酸交换容量为2.67 mmol g-1的空心介孔有机聚合物纳米球。因其具有较大的有效酸量,可直接通过简单酸碱相互作用,一步锚定明星手性催化剂9-氨基(9-脱氧)表-辛可尼定(0.98 mmol g-1)。所制得空心介孔有机聚合物具有粒径小而规则(180 nm)、中空和介孔壳层(2-15 nm)等结构特征,在催化不对称aldol反应和double-Michele加成串联反应中,无论产率,还是非对映选择性和对映选择性方面,都比相应的无介孔结构具备更高的催化性能。同时,深入研究了催化反应过程中两种催化剂间的协同催化机制,最佳摩尔比为SO3H:CDNH2=1.01:1。在再循环过程中,空心介孔有机聚合物纳米球负载催化剂具有良好的机械稳定性并表现出良好的重复使用性,(5次循环使用过后,得到63%收率,90%ee,92:8 D.r.)。第三章针对催化剂载体中反应物种传输距离对传质的影响规律,进一步改善有机聚合物载体的传质效应。通过调整聚合时间,控制壳层包覆的厚度,从而制得空心介孔有机聚合物纳米碗(HMOPBs)。该空心介孔聚苯乙烯型纳米碗具有中空、介孔和薄的壳层(16 nm)结构,比表面积185.7 m2g-1,在磺化过程中显示出比纳米空心球具有更高的反应动力学特性,酸量2.85 mmol H+g-1,能有效固定9-氨基(9-脱氧)表-奎宁(QNNH2),QNNH2的负载量可达1.35 mmol g-1。由于较薄的壳层和丰富的介孔结构,显著改善了催化过程中的传质效应,在2,4-取代的大体积反应物的不对称双迈克尔串联反应中,取得了优良的催化性能(92-98%ee和非对映选择性(93:7-96:4 D.r.)。空心介孔有机聚合物纳米碗负载催化剂有良好的重复使用性,5次循环后仍具有51%收率和优异的立体选择性(93%ee,92:8 D.r.)。第四章针对非均相“多催化/多组份不对称串联反应”中多催化剂存在的负面相互作用,通过分区隔离策略,解决非均相多催化剂的负面相互作用。以空心介孔纳米球为起始载体,通过离子对作用和共价锚定的可控功能化策略,将金鸡纳碱衍生手性伯胺(QNNH2)/磺酸、有负面相互作用的脯氨醇(ProTMS)/羧酸组合催化剂分别锚定于空心介孔双层球纳米球的内外层,制备了分区隔离的双层空心介孔有机聚合物纳米球负载手性多催化剂。该负载多催化剂有较大比表面积(68.6 m2 g-1)和孔体积(0.30 cc g-1),内层厚度为36 nm、外层厚度为29 nm,内层QNNH2负载量为0.43 mmol g-1,外层ProTMS负载量为1.33 mmol g-1。在球体内外反应物浓度差的驱动下,可使Michael加成/α-氨化两步串联反应按串联反应机理的次序在内外层依次进行。催化实验结果表明,反应物在外层ProTMS和羧酸的协同催化下,实现Michael加成;当反应中间体渗透到内层时,QNNH2/磺酸催化剂组合催化完成α-氨化反应,避免了QNNH2/磺酸组合催化剂对Michael加成反应的负面影响,从而使得Michael加成/α-氨化串联反应的立体选择性从均相的70%ee和70:30 D.r.分别提升到82%ee和84:16 D.r.。综上所述,本文利用成本低廉、易得的苯乙烯为聚合单体,通过乳液聚合,制备了尺寸小、形貌规则的空心介孔聚苯乙烯型有机聚合物载体,其功能化的纳米球、纳米碗和双层纳米球负载手性多催化剂具有显著改善的传质效应,可有效调控非均相多催化剂的相互作用,解决了复杂非均相多催化剂间的协同催化和隔离催化的基础科学问题,在复杂非均相“多催化/多组份不对称串联反应”中具有良好的催化性能和重复使用性能。
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