光响应负载型脯氨酸的合成及其在水相中催化不对称羟醛缩合反应的应用

李光锋， 黄焰根

(东华大学 化学化工与生物工程学院 国家染整工程技术研究中心，上海　201620)



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光响应负载型脯氨酸的合成及其在水相中催化不对称羟醛缩合反应的应用

李光锋， 黄焰根*

(东华大学 化学化工与生物工程学院 国家染整工程技术研究中心，上海201620)

摘要：应用RAFT聚合法合成了含脯氨酸、香豆素及聚乙二醇的光响应负载型催化剂(P)，其结构经1H NMR和元素分析表征。紫外光谱分析表明：在紫外光照前后，P的结构会发生变化。催化性能测试结果表明：P在紫外光照前后均能实现水相中催化环己酮和4-硝基苯甲醛之间的羟醛缩合反应，收率65%~76%， dr>93/7, ee>95%。

关键词：香豆素; 脯氨酸; RAFT聚合法; 合成； 光响应; 催化剂； 羟醛缩合反应

近年来，有机小分子催化剂相对于其他不对称催化剂高效、催化条件温和、易于回收利用及环境友好等优点，已成为不对称催化领域的研究热点[1]。脯氨酸及其衍生物以其优越的催化性能被广泛应用到Aldol， Mannich和Michael等不对称 C-C键形成反应中[2-4]。在不断对脯氨酸催化剂分子进行改性的同时,该催化剂的负载和回收利用也受到了广泛关注[5]。但是，到目前为止，关于智能响应负载型脯氨酸催化剂的研究，只是在温敏性材料负载催化领域有所涉及[6]。将光敏性材料引入到脯氨酸负载催化领域，利用光敏性材料在光照下结构发生变化，从而改变催化剂结构，研究负载型脯氨酸的催化性能，尚未见文献报道。

Scheme 1

本文设计了一种以香豆素为光敏基元，负载了脯氨酸的聚合物，预期通过香豆素结构在紫外光照射下发生[2+2]环加成反应使聚合物发生交联，从而在水相中由聚合物的团聚形成一个疏水空间，使得不对称羟醛缩合反应可以在其中顺利发生。以7-甲基丙烯酰氧-4-甲基香豆素(1a)或7-对乙烯基苄氧基-4-甲基香豆素(1b),反式-4-甲基丙烯酰氧基-L-脯氨酸盐酸盐，聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯(平均分子量400)(3)和十二烷基-1-苯乙基硫代碳酸酯(4)为原料，利用RAFT聚合法合成了含脯氨酸、香豆素及聚乙二醇的光响应负载型催化剂(P1和P2, Scheme 1)，其结构经1H NMR和元素分析表征。紫外光谱分析表明，在紫外光照前后，P的结构会发生变化。催化性能测试结果表明，P在紫外光照前后均能实现水相中催化环己酮和4-硝基苯甲醛之间的羟醛缩合反应(Scheme 2)，收率65%~76%，dr>93/7,ee>95%。

Scheme 2

1实验部分

1.1　仪器与试剂

U-3310 型紫外分光光度计； Bruker AV 400(400 MHz)型核磁共振仪(CDCl3为溶剂，TMS为内标)；Carlo-Erba 1106型全自动元素分析仪。

参考文献1a和1b[7]， 2[8]， 3[9]和4[10]方法合成；其余所用试剂均为分析纯。

1.2　合成

(1) P1和P2的合成通法

在反应管中依次加入偶氮二异丁腈(AIBN)0.12 g(0.73 mmol), 2 0.045 g(0.18 mmol), 3 2.43 g(5.13 mmol)， 4 0.01 g(0.036 mmol)， 1 1.8 mmol和干燥DMSO 5 mL，利用液氮冷冻除氧三次，搅拌下于65 ℃反应24 h。冷却至室温，反应液逐滴加至冷乙醚中(析出大量淡黄色油状物)，滴毕，搅拌30 min。倾出乙醚，残留物用少量THF溶解，滴入乙醚中沉析，重复上述操作至少三次，所得黄色油状液体真空干燥得P1(1.86 g,收率63%)和P2(2.10 g,收率71%)，经元素分析测定，P1和P2的N含量分别为0.46%和0.48%。

1.3　水相羟醛缩合反应

在反应管中加入对硝基苯甲醛38 mg(0.25 mmol)和环己酮0.104 mL(1.0 mmol)，超声振荡5 min，加入催化剂P1或P2(5 mol%)(若为光照后催化，则反应液需在500 W紫外灯下照射30 min)，加入去离子水0.5 mL，超声15 min得白色乳状混合溶液，于室温反应96 h。反应液经快速柱层析[洗脱剂：V(石油醚)/V乙酸乙酯=5/1]纯化，真空干燥得淡黄色固体2-[(4-硝基苯基)羟甲基]环己酮;1H NMRδ: 8.22~8.19(t,J=8.6 Hz, 2H), 7.57~7.49(m, 2H), 4.91(d,J=8.3 Hz, 1H), 4.12(s, 1H), 2.65~2.32(m, 3H), 2.15~2.10(m, 1H), 1.90~1.82(m, 1H), 1.72~1.22(m, 4H)。

2结果与讨论

2.1　合成与表征

用以合成P1和 P2的关键中间体1a， 1b和2均可按文献方法便利地合成。随后在自由基聚合反应条件下，顺利实现RAFT聚合，以良好的收率获得负载了脯氨酸和香豆素的聚合物P1和 P2，其结构经1H NMR和元素分析表征。

以P1的1H NMR(图1)为例，可以看出，在δ5.5(c)处出现了很小的凸起，该峰归属于聚合物上脯氨酸单体上的氢质子；δ7.0~8.0(a)处两个明显的吸收峰归属聚合物中苯环上的氢(其中包含了氘代氯仿的吸收峰)；δ6.2(b)附近吸收峰则归属于香豆素上烯烃的氢。由此可以判断脯氨酸单体2和香豆素单体1a已经成功地共聚到聚合物上。聚乙二醇亚甲基上的氢吸收峰出现在δ2.3~4.5(d)，聚合物骨架上的烷基氢吸收峰出现在δ0.7~2.3(e)处。综上分析，可以确定成功制得了目标分子P1。

δ

λ/nm

为了进一步探究所得负载催化剂P1和P2的光响应性能，对其进行了紫外光谱测试。以P2为例，结果见图2。由图2可见，在紫外光照射下，P2结构不断发生变化，在320 nm处的最大吸收在10 min内的转化率达到了55%。由此可以说明，P2对光有很好的响应作用。这是因为在紫外灯照射下， P2中香豆素结构中的双键会发生[2+2] 环加成反应，形成一个四元环，从而影响吸收强度。P1的光响应稍弱于P2，在2 h内的转化率为30%。

2.2　催化性能

以环己酮和对硝基苯甲醛作为反应底物[3]，探究P1和P2对羟醛缩合反应的催化性能，结果见表1。由表1可以看出，在紫外光照射前，P1和P2均能够成功地在水相中催化不对称羟醛缩合反应，分别获得了74%和65%的收率和优异的立体选择性[dr93/7,ee96%(No.1);dr95/5,ee97%(No.3)]。 P1和P2在365 nm紫外光照后，催化结果显示产物立体选择性没有明显变化，但催化收率有轻微提高。这是由于紫外光照射后，聚合物上香豆素单元发生了二聚作用，使得聚合物主链发生交联，从而更有利于疏水反应空间的形成，提高了催化微空间内反应底物的浓度，促使反应收率的微弱上升。

表1　紫外光照前后P的催化效果

*aIrradiated with ultraviolet;bEvaluated by1H NMR spectroscopic analysis of the crude product;cDetermined by HPLC using a chiral column AD-H(hexane/IPA=80/20)

3结论

通过RAFT聚合反应合成了光响应负载型脯氨酸催化剂(P1和P2)。二者在紫外光照射前即可实现水相催化羟醛缩合反应，说明P1和P2在水相中发生团聚形成了疏水空间可以催化反应在其中进行。紫外光照射后，催化性能有轻微提升。尽管该催化剂没有达到预期的光响应智能催化效果，但可作为有效的水相羟醛缩合反应催化剂，也为将来负载脯氨酸的设计提供了一种新的思路。

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Synthesis of Photo-sensitive Supported-Proline and Their

Application in Asymmetric Aldol Reaction in Water

LI Guang-feng，HUANG Yan-gen*

(National Engineering Research Center for Dyeing and Finishing of Textiles, College of Chemistry,

Chemical Engineering and Biotechnology, Donghua University, Shanghai 201620, China)

Abstract：RAFT polymerization was successfully applied to the synthesis of the photo-sensitive supported catalysts(P) containing L-proline, coumarin and polyethylene glycol. The structures were characterized by1H NMR and elemental analysis. UV spectra showed that the structures of P changed before and after UV irradiation. The catalytic performance indicated that Aldol reaction between cyclohexanone and 4-nitrobenzaldehyde in water can be achieved under the catalysis of P both before and after UV irradiation. The yields were 65%~76%, dr>93/7, and ee>95%.

Keywords：coumarin; proline; RAFT polymerization; synthesis; photo-sensitive; catalyst; Aldol reaction

中图分类号：O625.15

文献标志码：A

DOI：10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2016.01.15039

作者简介：李光锋(1989-)，男，汉族，安徽广德人，硕士研究生，主要从事有机小分子催化研究。

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2232015D3-13); 上海市教委科研创新项目(13ZZ047)

收稿日期：2015-01-30;

修订日期：2015-11-03