一种不对称手性配体及其制备方法、制备的催化剂、合成方法及应用

1.本发明涉及配位化学和手性化学技术领域，具体涉及一种不对称手性配体及其制备方法、制备的催化剂、合成方法及应用。


背景技术：

2.茚虫威(indoxacarb)是一种具有噁二嗪结构的氨基甲酸酯类杀虫剂，因其分子结构中含有一个手性碳原子，从而茚虫威有r和s两种构型的对映异构体，但是只有s-构型的茚虫威才具有杀虫活性。为高效制备有杀虫活性的茚虫威，目前采取的大多数合成路线是将5-氯-1-氧代-2,3-二氢茚-2-羧酸甲酯(简称为β-茚酮酸酯)不对称地催化转化为(2s)-5-氯-2，3-二氢-2-羟基-1-氧-1h-茚-2-羧酸甲酯(茚虫威的关键中间体)，进而合成单一s-构型的茚虫威。其中不对称催化转化反应所使用的催化剂主要为金鸡纳碱衍生物、手性膦希夫碱-cu(i)、酒石酸衍生的手性胍、手性salen-zr配合物、手性zr-salen聚合物、s-噻吗洛尔衍生物等，但这些手性催化剂存在结构不稳定、活性位点少、制备成本高等缺点，严重制约了茚虫威的合成，因此亟需研发框架结构稳定、活性位点密集、催化效果优异的异相催化剂，用于茚虫威手性关键中间体的合成。
3.金属-有机框架材料(mofs)是利用功能化的有机配体与金属离子进行配位而形成的具有周期性网络结构的有机-无机杂化晶态材料，其结构和功能可以通过合理地选择和调控有机配体的结构和金属离子的种类而实现，因此这类材料成为构建具有不同结构和功能的催化剂的理想平台。特别是将手性引入到多孔的金属-有机框架中，将有助于开发具有不对称催化功能的固相手性催化剂，例如公开号为cn101830920a的中国专利申请文献中公开了一种脯氨醇衍生物诱导具有不对称催化作用的手性mofs材料，该材料能作为非均相催化剂用于不对称硅氰化反应，因而催化剂可循环利用，产率高达100％，ee值也达到99％；公开号为cn103301885a的中国专利申请文献中公开了一种具有不对称催化作用的手性pom/mofs的制备方法，其合成简单易操作，原料价格低廉，产率高，得到的功能材料化学性质稳定，易于大面积推广应用。mofs催化材料比表面积大，使用量只需要底物的千分之七，就有很好的转化率和立体选择性，适合工业大规模生产之需求。尽管如此，设计与合成框架结构稳定、活性位点密集以及催化效果优异的手性多核金属-有机框架固相催化剂在当前仍然面临很大的挑战，而能成功应用于β-茚酮酸酯不对称转化为(2s)-5-氯-2,3-二氢-2-羟基-1-氧-1h-茚-2-羧酸甲酯的高效手性多核金属-有机框架催化剂则更加罕见。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于提供一种全新的不对称手性配体，并提供一种结构稳定、活性位点密集以及在高对映选择性催化β-茚酮酸酯转化为s构型5-氯-2,3-二氢-2-羟基-1-氧-1h-茚-2-羧酸甲酯的过程中催化效果优异的全新的手性多核铜金属-有机框架催化剂。
5.本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题：
6.一种不对称手性配体，其结构式如下：
[0007][0008]
本发明还提出一种所述的不对称手性配体的制备方法，包括以下步骤：将3-叔丁基-5-醛基-4-羟基苯甲酸和l-苯丙氨醇溶于甲醇中，回流反应，反应结束后趁热过滤得到所述不对称手性配体。
[0009]
优选地，所述3-叔丁基-5-醛基-4-羟基苯甲酸的化学结构式为：其制备可以按照文献j.am.chem.soc.,2010.132(43):15390-15398所述方法，具体包括以下步骤：
[0010]
将4-羟基-3-叔丁基苯甲酸(1.55g,7.95mmol)与六亚甲基四胺(2.23g,15.9mmol)一起装入250ml圆底烧瓶中，然后加入三氟乙酸(63ml)并将溶液加热回流18小时。然后将50ml质量分数为33％的h2so4添加到反应中，并将溶液再回流3小时。反应结束后，混合溶液用乙醚稀释并用水、盐水洗涤，然后有机相通过硫酸镁干燥，真空浓缩得到1.2克3-叔丁基-5-醛基-4-羟基苯甲酸。
[0011]
优选地，所述3-叔丁基-5-醛基-4-羟基苯甲酸、l-苯丙氨醇的摩尔比为1：1.2～1.5。
[0012]
优选地，所述回流反应的时间为5～10h。
[0013]
本发明还提出一种手性多核铜金属-有机框架催化剂，采用所述的不对称手性配体为配体制备而成，其化学式为cu3l2，其中l的结构式如下所示：
[0014][0015]
所述手性多核铜金属-有机框架催化剂的晶胞参数如下：空间群为p32，α＝β＝90
°
，γ＝120
°
，z＝3。
[0016]
本发明采用一种具有三齿螯合位点的不对称的希夫碱手性配体h3l(即(s,e)-3-(叔丁基)-4-羟基-5-((1-羟基-3-苯丙烷-2-基)亚氨基)甲基)苯甲酸)作为桥联单元，来构建具有三核铜结构的手性金属-有机框架催化剂；所述配体h3l由3-叔丁基-5-醛基-4-羟基苯甲酸和l-苯丙氨醇在甲醇中回流反应得到；所述手性多核铜金属-有机框架催化剂单晶
结构中手性配体与金属铜离子的连接方式如下；
[0017]
其中，n为任一整数；
[0018]
有益效果：本发明的手性多核铜金属-有机框架催化剂，其骨架是由具有4-连接作用的三核cu3o8n2簇与周围的4个手性不对称希夫碱相互连接而成。该催化剂结构具有一个1.03nm疏水性手性孔道，其中周期性地镶嵌了配位不饱和的金属铜位点，可以作为潜在的可循环使用的固相手性催化剂。
[0019]
本发明还提出一种所述的手性多核铜金属-有机框架催化剂的合成方法，其以铜盐为金属盐，以所述不对称手性配体为有机桥联配体，以n,n
’‑
二甲基甲酰胺与甲醇为溶剂进行配位反应，反应结束后冷却至室温，再将反应产物置于冰水浴中冷却得到所述手性多核铜金属-有机框架催化剂。
[0020]
有益效果：本发明制备手性多核铜金属-有机框架催化剂采用二次冷却结晶法，方法简单、反应省时，可大量制备。
[0021]
优选地，所述的手性多核铜金属-有机框架催化剂的合成方法，包括以下步骤：
[0022]
s1、将铜盐、n,n
’‑
二甲基甲酰胺与甲醇混合，然后滴加至所述不对称手性配体的甲醇溶液中，加热搅拌后除去蓝色浑浊物，取蓝色澄清液；
[0023]
s2、将s1中的蓝色澄清液密封于带聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中进行溶剂热反应，反应结束后冷却至室温，将反应产物再置于冰水浴中冷却得到所述手性多核铜金属-有机框架催化剂。
[0024]
优选地，所述不对称手性配体与铜盐的摩尔比为1：1.5-3；n,n
’‑
二甲基甲酰胺、溶解铜盐的甲醇、溶解不对称手性配体的甲醇的体积比为1：1-3：1-3；所述溶剂热反应的温度为90-110℃，时间为1-2.5h。
[0025]
优选地，所述不对称手性配体与铜盐的摩尔比为1：2；所述溶剂热反应的温度为100℃，时间为1h。
[0026]
优选地，n,n
’‑
二甲基甲酰胺、溶解铜盐的甲醇、溶解不对称手性配体的甲醇的体积比为1：2：1。
[0027]
优选地，所述铜盐为cu(oac)2·
h2o、cu(clo4)2·
6h2o、cu(no3)2·
3h2o、cucl2·
2h2o中的一种或多种的混合物。
[0028]
优选地，所述铜盐为cu(oac)2·
h2o。
[0029]
优选地，在s1中，加热至35-45℃搅拌25-35min后除去蓝色浑浊物。
[0030]
优选地，在s1中，加热至40℃搅拌30min后除去蓝色浑浊物。
[0031]
本发明还提出一种所述手性多核铜金属-有机框架催化剂在不对称催化氧化5-氯-1-氧代-2,3-二氢茚-2-羧酸甲酯制备s-构型5-氯-2,3-二氢-2-羟基-1-氧-1h-茚-2-羧酸甲酯中的应用。
[0032]
优选地，所用氧化剂为异丙苯过氧化氢；所用溶剂为甲苯；反应的温度为室温。
[0033]
优选地，所用氧化剂和反应底物5-氯-1-氧代-2,3-二氢茚-2-羧酸甲酯的物质的量之比为1.3-1.7：1；所述手性多核铜金属-有机框架催化剂与反应底物5-氯-1-氧代-2,3-二氢茚-2-羧酸甲酯的质量比为1：25。
[0034]
优选地，所用氧化剂和反应底物5-氯-1-氧代-2,3-二氢茚-2-羧酸甲酯的物质的量之比为1.5：1。
[0035]
有益效果：氧化剂的量是反应底物5-氯-1-氧代-2,3-二氢茚-2-羧酸甲酯的1.5倍比较合适，降低了氧化剂产率有所降低，超过1.5倍，产率没有明显变化。
[0036]
有益效果：本发明中的手性多核铜金属-有机框架催化剂能够以99.7％的对映选择性和93％的产率催化氧化5-氯-1-氧代-2,3-二氢茚-2-羧酸甲酯制备s-构型5-氯-2,3-二氢-2-羟基-1-氧-1h-茚-2-羧酸甲酯，且催化剂可循环使用多次而不失活性。
[0037]
本发明所述手性多核铜金属-有机框架催化剂是以cu为金属中心与手性配体h3l通过二次冷却结晶而成的有纳米疏水性手性孔道的三维结构晶体，其分子式为cu3l2，其中手性配体h3l为(s,e)-3-(叔丁基)-4-羟基-5-((1-羟基-3-苯丙烷-2-基)亚氨基)甲基)苯甲酸；h3l的结构式为
[0038][0039]
本发明的优点在于：本发明的手性多核铜金属-有机框架催化剂是采用二次冷却结晶法来制备的，简单省时且能大量制备；催化剂结构具有尺寸为1.03nm的疏水性手性孔道，并高密度地镶嵌了催化活性的金属铜位点，从而能够简单而高效地催化氧化β-茚酮酸酯而制备单一构型的茚虫威的关键中间体s-构型-5-氯-2,3-二氢-2-羟基-1-氧-1h-茚-2-羧酸甲酯，且催化剂可以多次循环使用。
附图说明
[0040]
图1为本发明实施例1中制备的不对称手性配体h3l的核磁谱图；
[0041]
图2为本发明实施例1制备的手性多核铜金属-有机框架催化剂中铜离子的配位与连接方式图；
[0042]
图3为本发明实施例1制备的手性多核铜金属-有机框架催化剂的三维多孔结构图；
[0043]
图4为本发明实施例1中手性多核铜金属-有机框架催化剂及手性配体h3l的红外光谱图；
[0044]
图5为本发明实施例4中催化反应产物的核磁共振氢谱图；
[0045]
图6为本发明实施例4中催化反应产物的高效液相谱图。
具体实施方式
[0046]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047]
下述实施例中所用的试验材料和试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
[0048]
实施例中未注明具体技术或条件者，均可以按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。
[0049]
实施例1
[0050]
不对称手性配体h3l的合成，具体步骤如下：将3-叔丁基-5-醛基-4-羟基苯甲酸(2.2g，10mmol)和l-苯丙氨醇(1.8g，12mmol)溶于30ml甲醇中，回流反应5小时，趁热过滤得到黄色固体即为不对称手性配体h3l，产率80％；对制备的不对称手性配体h3l的核磁进行测试，其核磁谱图如图1所示，1h nmr(600mhz,dmso-d6)δ12.43(s,1h,cooh),8.40(s,1h,nch),7.87
–
7.73(m,2h,2
×
arh),7.29
–
7.07(m,5h,5
×
arh),5.03(s,1h,aroh),3.90(d,j＝5.7hz,1h,ch2oh),3.67
–
3.60(m,2h,ch2oh),3.52
–
3.48(m,1h,nch),3.01
–
2.84(m,2h,arch2),1.35(s,9h,c(ch3)3)。
[0051]
一种手性多核铜金属-有机框架催化剂的合成方法，具体包括以下步骤：
[0052]
(1)将cu(oac)2·
h2o(399mg，2.0mmol)溶于10ml dmf和20ml甲醇(meoh)的混合液中，滴加至不对称手性配体h3l(355mg，1.0mmol)的meoh(10ml)溶液中，40℃条件加热搅拌30分钟后，过滤除去蓝色浑浊物，并将蓝色澄清液密封于100ml带聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中。
[0053]
(2)在100℃的高温恒温烘箱中加热反应釜，持续1小时，以确保金属盐和手性配体充分反应。
[0054]
(3)停止加热、冷却至室温，随后将高压反应釜中蓝色溶液置于冰水浴中，得到蓝色米粒状晶体，过滤，洗涤，风干，即可得到所述的手性多核铜金属-有机框架催化剂，产率为60％。
[0055]
对实施例1中得到的手性多核铜金属-有机框架催化剂的晶体结构进行测定。
[0056]
测定方法：采用上海光源同步辐射技术，对尺寸合适的本发明单晶样品进行数据收集，利用apex3软件对获得衍射数据进行还原，利用shelxs-2014程序对晶体结构进行解析及精修，其间通过全矩阵最小二乘法(full-matrix least-squares refinement based on f2)定出所有非氢原子并完成原子的各向异性精修，而不对称手性配体骨架上的氢原子则通过理论加氢完成。
[0057]
测定结果：本发明的手性多核铜金属-有机框架催化剂单晶的晶胞参数如下：空间群为p32，α＝β＝90
°
，γ＝120
°
，z＝3。
[0058]
通过对本发明的手性多核铜金属-有机框架催化剂的单晶数据进行解析，可知其
结晶于三方晶系的手性p32空间群，其不对称单元包含2个晶相独立的金属配体cul单元和一个cu(ii)离子。如图2所示，两个晶相独立的金属配体cul单元与这一cu(ii)离子在另外两个cul配体末端羧基的桥联作用下，形成一个cu3o8n2的三核铜金属簇。三核铜簇中2个金属配体cul中的cu(ii)离子采取四配位的扭曲平面结构，而另外1个cu(ii)离子采取四配位的扭曲四面体结构。该三核铜簇可作为4-连接的节点与周围的4个配体相连接，形成一个三维结构的手性金属-有机框架，沿c-轴具有1个尺寸为1.03nm的手性通道，手性通道中不但布满了叔丁基和苯环等疏水性基团，而且高密度地镶嵌了配位不饱和的金属铜离子，如图3所示，这类结构类似于金属酶的手性口袋，因而可以作为一种潜在不对称催化剂。此外通过对比手性配体和手性多核铜金属-有机框架催化剂的红外谱图(如图4所示)，可以发现手性多核铜金属-有机框架催化剂在1675cm-1
处的手性配体羧基的特征振动峰消失，可以证明金属铜离子与配体发生了配位，这与单晶结构分析结果是一致的。
[0059]
实施例2
[0060]
一种手性多核铜金属-有机框架催化剂的合成方法，具体包括以下步骤：
[0061]
(1)将cu(oac)2·
h2o(1.5mmol)溶于10ml dmf和10ml meoh的混合溶液中，滴加至不对称手性配体h3l(355mg，1.0mmol)的meoh(10ml)溶液中，35℃条件加热搅拌25分钟后，过滤除去蓝色浑浊物，并将蓝色澄清液密封于100ml带聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中。
[0062]
(2)在110℃的高温恒温烘箱中加热反应釜，持续1.5小时，以确保金属盐和手性配体充分反应。
[0063]
(3)停止加热、冷却至室温，随后将高压反应釜中蓝色溶液置于冰水浴中，得到蓝色米粒状晶体，过滤，洗涤，风干，即可得到所述的手性多核铜金属-有机框架催化剂。
[0064]
实施例3
[0065]
一种手性多核铜金属-有机框架催化剂的合成方法，具体包括以下步骤：
[0066]
(1)将cu(oac)2·
h2o(3.0mmol)溶于10ml dmf和30ml meoh的混合溶液中，滴加至不对称手性配体h3l(355mg，1.0mmol)的meoh(30ml)溶液中，45℃条件加热搅拌25分钟后，过滤除去蓝色浑浊物，并将蓝色澄清液密封于100ml带聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中。
[0067]
(2)在90℃的高温恒温烘箱中加热反应釜，持续2小时，以确保金属盐和手性配体充分反应。
[0068]
(3)停止加热、冷却至室温，随后将高压反应釜中蓝色溶液置于冰水浴中，得到蓝色米粒状晶体，过滤，洗涤，风干，即可得到所述的手性多核铜金属-有机框架催化剂。
[0069]
实施例4
[0070]
一种手性多核铜金属-有机框架催化剂的合成方法，具体包括以下步骤：
[0071]
(1)将cu(oac)2·
h2o(3.0mmol)溶于10ml dmf和15ml meoh的混合溶液中，滴加至不对称手性配体h3l(355mg，1.0mmol)的meoh(20ml)溶液中，40℃条件加热搅拌35分钟后，过滤除去蓝色浑浊物，并将蓝色澄清液密封于100ml带聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中。
[0072]
(2)在105℃的高温恒温烘箱中加热反应釜，持续2.5小时，以确保金属盐和手性配体充分反应。
[0073]
(3)停止加热、冷却至室温，随后将高压反应釜中蓝色溶液置于冰水浴中，得到蓝色米粒状晶体，过滤，洗涤，风干，即可得到所述的手性多核铜金属-有机框架催化剂。
[0074]
实施例5
[0075]
一种手性多核铜金属-有机框架催化剂的合成方法，具体包括以下步骤：
[0076]
将cu(clo4)2·
6h2o(2.0mmol)溶于10ml dmf和30ml meoh的混合溶液中，滴加至不对称手性配体h3l(355mg，1.0mmol)的meoh(30ml)溶液中，45℃条件加热搅拌25分钟后，过滤除去蓝色浑浊物，并将蓝色澄清液密封于100ml带聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，在90℃的高温恒温烘箱中加热反应釜，持续反应2小时。停止加热、冷却至室温，随后将高压反应釜中蓝色溶液置于冰水浴中，得到蓝色米粒状晶体，过滤，洗涤，风干，即可得到所述的手性多核铜金属-有机框架催化剂。
[0077]
实施例6
[0078]
一种手性多核铜金属-有机框架催化剂的合成方法，具体包括以下步骤：
[0079]
将cu(no3)2·
3h2o(2.0mmol)溶于10ml dmf和30ml meoh的混合溶液中，滴加至不对称手性配体h3l(355mg，1.0mmol)的meoh(30ml)溶液中，45℃条件加热搅拌25分钟后，过滤除去蓝色浑浊物，并将蓝色澄清液密封于100ml带聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，在90℃的高温恒温烘箱中加热反应釜，持续反应2小时。停止加热、冷却至室温，随后将高压反应釜中蓝色溶液置于冰水浴中，得到蓝色米粒状晶体，过滤，洗涤，风干，即可得到所述的手性多核铜金属-有机框架催化剂。
[0080]
实施例7
[0081]
一种手性多核铜金属-有机框架催化剂的合成方法，具体包括以下步骤：
[0082]
将cucl2·
2h2o(2.0mmol)溶于10ml dmf和30ml meoh的混合溶液中，滴加至不对称手性配体h3l(355mg，1.0mmol)的meoh(30ml)溶液中，45℃条件加热搅拌25分钟后，过滤除去蓝色浑浊物，并将蓝色澄清液密封于100ml带聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，在90℃的高温恒温烘箱中加热反应釜，持续反应2小时。停止加热、冷却至室温，随后将高压反应釜中蓝色溶液置于冰水浴中，得到蓝色米粒状晶体，过滤，洗涤，风干，即可得到所述的手性多核铜金属-有机框架催化剂。
[0083]
对比例1
[0084]
当利用二甲亚砜(dmso)代替实施例1中的dmf，利用四氢呋喃代替实施例1中的甲醇，而保持其他条件和操作过程与实施例1一致，未能得到蓝色米粒状的目标手性多核铜金属-有机框架催化剂晶体。
[0085]
实施例8
[0086]
不对称催化氧化5-氯-1-氧代-2,3-二氢茚-2-羧酸甲酯转化为s-构型的5-氯-2,3-二氢-2-羟基-1-氧-1h-茚-2-羧酸甲酯实验，其路线图如下：
[0087][0088]
鉴于手性多核铜金属-有机框架催化剂中存在开放的疏水性手性纳米孔道和丰富的催化活性位点，我们检验了其不对称催化氧化β-茚酮酸酯5-氯-1-氧代-2,3-二氢茚-2-羧酸甲酯的能力。具体实验过程如下：将2.24克(10mmol)5-氯-1-氧代-2,3-二氢茚-2-羧酸甲酯、25ml甲苯、90毫克本发明实施例1制备的手性多核铜金属-有机框架催化剂搅拌混合30分钟，然后将2.28克(15mmol)的异丙苯过氧化氢(chp)加入至上述混合反应液中，室温反应3小时，过滤回收催化剂，滤液浓缩后经硅胶色谱柱分离得到2.23克白色固体，即目标产
物s-构型的5-氯-2,3-二氢-2-羟基-1-氧-1h-茚-2-羧酸甲酯(产率为93％，核磁如图5所示)。经高效液相色谱分析，高效液相谱图如图6所示，其光学纯度为99.7％。将过滤回收后的手性多核铜金属-有机框架催化剂经无水丙酮洗涤后自然风干后，可以继续催化该反应，结果显示第五次催化反应后的产率依然高达90％，产物的光学纯度仍然能得以保持。
[0089]
实施例9
[0090]
与实施例8的不同在于：具体实验过程中，异丙苯过氧化氢为13mmol；本发明的手性多核铜金属-有机框架催化剂为90毫克时，目标产物的产率降低到85％左右。
[0091]
实施例10
[0092]
与实施例8的不同在于：具体实验过程中，异丙苯过氧化氢为17mmol；本发明的手性多核铜金属-有机框架催化剂为90毫克时，目标产物的产率保持在93％左右，没有明显增加。
[0093]
对比例2
[0094]
与实施例8的不同为：具体实验过程中，将氧化剂更换为相同物质量的双氧水时，而其它反应条件保持不变，该催化氧化反应几乎得不到高光学纯度的目标产物。
[0095]
对比例3
[0096]
当调整氧化剂chp和反应底物5-氯-1-氧代-2,3-二氢茚-2-羧酸甲酯的物质的量为1：1时，催化反应产率明显降低。具体实施方案如下，将2.24克(10mmol)5-氯-1-氧代-2,3-二氢茚-2-羧酸甲酯、25ml甲苯、90毫克本发明实施例1的手性多核铜金属-有机框架催化剂搅拌混合30分钟，然后将1.52克(10mmol)的chp滴加至上述混合反应液中，室温反应3小时，过滤回收催化剂，滤液浓缩后经硅胶色谱柱分离得到1.80克目标产物，产率约为75％。
[0097]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。