Pt/金鸡纳生物碱体系的不对称加氢研究进展*

熊仁杰，叶　静，涂文成，张　杰

(华侨大学化工学院，福建　厦门　361000)



Pt/金鸡纳生物碱体系的不对称加氢研究进展*

熊仁杰，叶静，涂文成，张杰

(华侨大学化工学院，福建厦门361000)

手性修饰金属催化剂是最具发展潜力的多相催化剂之一。从手性修饰剂、载体、反应条件、溶剂等发面综述了金鸡纳生物碱修饰的铂催化剂不对称催化加氢的作用机理及发展近况。并重点介绍了载体的发展路径和修饰剂的作用机理。最后指出开发绿色，高效催化剂，修正或提出手性识别机理模型以及合成新型手性修饰剂仍是今后多相不对称催化氢化反应的研究方向。

多相催化；不对称加氢；金鸡纳生物碱

近年来，不对称催化加氢被广泛应用于农药、手性药物、香料以及食品添加剂等精细化学品的合成中。不对称催化加氢从体系上可分为均相催化和非均相催化。均相催化由于催化剂和反应物都处于同一均匀的气相或液相中，所以催化活性中心能均匀分布到体系中。活性中心被充分利用，所以其活性和选择性都比较高。除此之外均相反应的反应条件一般都比较温和，副反应少，反应易于控制且通过光谱、同位素示踪等手段可以对反应机理进行研究。催化类大多数诺贝尔奖都产生于均相催化。但是均相催化产物和催化剂不容易分离，容易造成活性中心的流失。而多相催化剂因为其分离简单，易回收利用的特点被认为更有利于工业生产，逐渐引起了研究学者的关注。

关于多相不对称加氢的催化体系有很多。其中最著名的要数用于β-酮酯不对称加氢的镍/酒石酸(Ni/tartaric acid)体系，用于α-酮酯不对称加氢的铂/金鸡纳生物碱(Pt/cinchona alkaloids)体系以及用于C=C不对称加氢的钯/金鸡纳生物碱(Pd/cinchona alkaloids)体系。本文就铂/金鸡纳生物碱(Pt/cinchona alkaloids)体系做简略探讨。

1　手性修饰

金属表面通常是手性的，尽管它们可能因为某些缺陷原因导致手性的改变。左手和右手手性位点的概率在金属颗粒表面是均等的，而在单晶表面这种不平衡的手性位点可通过切割晶体的具体的位面来实现[1]。但这种方法获得的手性位点太少，使其实际操作可能降低。迄今为止在多晶相金属表面创造手性位点的最有效的方法是吸附合适的手性修饰剂[2]。而选择一个合适的修饰剂则是最关键的部分。

修饰剂最基本的要求是能适当的固定在金属表面上、具有高效的选择性和在反应条件下有稳定的结构。往金属表面添加修饰剂的方法一般是在金属表面经过特殊的前处理或简单地添加到反应溶液中。由于后一种方法操作起来更简单，所以一般都是采用后者往金属表面添加修饰剂[3-5]。

起初完全自然存在的金鸡纳生物碱，辛可尼定(CD)，辛可宁(CN)(图1)以及奎尼丁(QD)和奎宁(QN)被运用成为铂催化剂不对称氢化不饱和酮的手性修饰剂，这些修饰剂到目前为止仍然是使用最频繁的修饰剂。金鸡纳生物碱的两个刚性结构部分(喹啉和奎宁环)由单个的C-C链分离，所以其表现出相当的构象灵活性。通过NMR鉴定和理论计算，研究学者以奎宁环氮原子是否朝向喹啉环把金鸡纳生物碱的构象分为“开放式”结构和“封闭式”，即面朝喹啉环的为“开放式”构象，远离喹啉环的为“封闭式”构象。

研究提出，无论在极性亦或是非极性溶剂中，辛可尼的开放构型是最有利于不饱和酮加氢的构型[6]。金鸡纳分子中影响不饱和酮加氢ee.值和加氢转化率的重要结构要素是[7]：①芳香喹啉基部分；②奎宁环的取代部分；③C9位置的取代基。金鸡纳生物碱的O-C9-C8-N部分对ee.值有巨大的影响。C8位置的绝对构型似乎对控制主要产物对映体的绝对构型有重大影响(除非是在C9位置有大取代基)。而奎宁环部分的自然取代基对加氢反应的影响较小[7]。和之前通过理论计算所提出的一样[3-5]，奎宁环上的N原子和底物酮羰基上的O原子之间通过氢键所形成的比例为1:1的瞬间原位修饰表面活性复合物对加氢起到关键作用。最近operando ATR-IR研究佐证了这一短暂的表面复合物在不对称氢化机制中的重要性[8]。

图1　辛可尼定和辛可宁的构型

通过对金鸡纳生物碱及其衍生物在不对称加氢反应中机理的研究，利用光学纯的2-羟基-2-芳基乙胺[9]，2-(1-吡咯烷基)-1-(1-萘基)-乙醇[10-11]，和1-(1-萘基)乙胺[12-13]等去合成新的修饰剂。这些化合物及其衍生物在一些酮的氢化方面表现出良好的对映选择性，但一般超过不了金鸡纳生物碱，它们所有的共同特点是把芳族部分充当锚定单位。近日人们对手性咪唑啉酮和脯氨酸衍生物的表面改性剂进行了探索，但是，这些合成改性剂对比金鸡纳生物碱表现出低劣的性能。

最后，应当强调指出不同的底物与修饰剂之间的作用机理不能一概而论，对于各种已经提出的机理模型还需精细化，还需结合当前各种先进的检测技术进行更深入的探索。

2　载　体

多相催化中，载体是影响催化性能的重要因素之一，它是活性中心的基底和粘合剂。通常催化剂的总活性与其所暴露的表面积成正比。为了提高活性组分的利用率，往往是将其负载在多孔物质的表面上，特别是对于铂这种昂贵的金属此举尤为重要。因此对金属催化剂而言，载体是十分重要的组成部分。同时载体还具有提高催化剂的机械强度，改善导热系数等作用。载体还能够为催化反应中提供除金属活性位以外的酸性位或碱性位。铂负载型催化剂的载体研究则立足于提高其在α-酮酸酯不对称加氢反应的光学选择性，载体材料从传统的无机材料、多孔碳材料、复合材料发展到碳纳米管等多种新型材料。

Orito最先发现以γ-Al2O3为载体，乙酸作为溶剂，在α-酮酸酯的不对称催化加氢中光学选择性最好。并且催化剂使用前高温氢气氛下的预处理可以改变Pt粒子的大小，去除杂质，从而对催化反应的光学选择性有很大的提高[14]。Pt/γ-Al2O3作为催化剂虽然可以取得很好的手性效果，但其在乙酸作为溶剂的条件下，氧化铝表面会发生溶胶现象，导致重复利用性能不佳，最多只能重复六次[15-16]，这对其工业化应用产生了严重影响。鉴于此，各种新型载体负载的铂催化剂被研究探索。

铂胶体[17]、Pt/zeolite[18]、Pt/FDU-14[19]、Pt/MPC-61[20]以及Pt/SBA-15[21-22]等，这些催化剂在α-酮酸酯的不对称加氢反应中光学选择性都比较低，都不及传统商业化的Pt/γ-Al2O3催化剂，但令人惊喜的是有序介孔树脂FDU系列材料作为载体的铂催化剂，却有很好的重复利用性能[22]。

随着碳纳米管研究的深入，这些新型碳材料也加入了铂催化剂的载体行列。Chen等人[23]将Pt粒子均匀分散在碳纳米管的孔道内，在不对称催化加氢反应中取得了非常好的结果，但由于碳纳米管的制作工艺较为复杂，生产成本高，所以很难再工业上大规模的生产。

随着有序介孔碳的材料的研究深入，介孔碳材料凭借着其这类材料具有比表面积大、 孔道大小均匀、结构有序、孔径在2～10 nm内连续可调以及较好的热稳定性和水热稳定性等特性逐渐被人们所重视。

1999年，Ryoo课题组[24]和Hyeon课题组[25]分别报道了以MCM-48为硬模板合成有序介孔碳材料。在随后的研究中，其他的硅基介孔材料，比如SBA系列[21]， MSU-H[26]以及HMS[27]也被作为硬模板来反相复制有序介孔碳材料。尽管通过改变模板的空间大小、 形状以及结构的有序性或者调节模板的组装方式可以对材料进行可控合成，但是这样一个多步合成过程是复杂又不经济的，而且反相合成的介孔碳材料的稳定性相对较差，限制了其大规模的生产和应用。考虑到硬模板方法的这些缺点，基于对嵌段共聚物与热固型树脂共混的深入理解，人们开始尝试利用嵌段共聚物的自组装来制备有序介孔碳材料。

赵东元课题组[28-30]在有机-有机自组装合成有序介孔碳材料领域进行了很多的研究， 制备出了一系列的具有不同骨架结构的介孔碳(FDU-15，FDU-16等)。以可溶性的酚醛树脂低聚物resol为前驱体，在乙醇溶液中与三嵌段共聚物F127混合，随着溶剂的挥发， resol进一步缩聚并同F127的PPO段通过氢键作用自组装成各种形状不同的有序介观结构。将具有介观结构的resol/F127复合组分在惰性气体中进行碳化，F127热分解后产生有序的介孔孔道，而高聚物碳化后成为介孔的孔墙， 最终得到具有均一孔径的有序介孔碳材料。

Li等[31]以有序介孔材料CMK-8为载体得到的催化剂在 α-酮酸酯的氢化反应中也取得较好的结果，而且同等条件下，其TOF为目前最高，但由于Pt与碳载体之间作用不强，导致其重复利用4次以后，性能就剧烈下降。李晓红等[32]利用CD修饰的Pt/FDU-15进行α-酮酸酯的不对称加氢，虽然选择性不高，但其有优良的重复使用性能。张学勤课题组[33]通过螯合的方式，以三嵌段高分子F127为模板剂，低聚酚醛树脂为高分子前驱体，同时加入无机前驱体， 将Al2O3引入到有机-有机自组装合成介孔高分子和碳材料的合成体系， 通过三元自组装的方法可以得到C-Al2O3复合材料，在α-酮酸酯的氢化反应中取得了较好的选择性和优良的重复性。

然而目前软模板方法直接合成介孔碳材料多以酚类-甲醛树脂为前体，液态酸或者固态碱为催化剂催化树脂的聚合，合成过程中采用的原料多有毒，对环境及人体都造成了潜在的危害，寻找其他的有机前驱体以及廉价、低毒、简便、快速的绿色合成方法仍然是需要努力的目标。

3　反应条件

加氢反应是正常或略低于室温下在自动搅拌间歇式反应釜中进行的。由于在不对称加氢过程中微妙的能量差异(通常只有几个kJ/mol)，高反应温度不利于得到较高的选择性。除了反应的温度外，催化剂的用量、底物、修饰剂的比例和氢气的压力影响着转化率和对映选择性。底物、修饰剂的种类不同，对应的底物、修饰剂的最佳摩尔比将会有很大的不同。一个太高的底物/修饰剂比例会导致手性修饰剂的不足从而得到低ee.值。太低则会导致底物和修饰剂在金属表面覆盖不均匀从而影响表面反应动力学，使得反应的效果不佳。底物和氢的表面浓度在反应动力学中是至关重要的。氢气的表面浓度是由氢气的供应量与与底物反应的消耗率共同决定的。通常反应的压力范围一般为0.1～2 MPa，但有的反应也使用了高达10 MPa反应压力。

实验证明对大部分的α-酮酸酯而言，反应压力的增大使得氢的表面覆盖率增大，对反应是有利的。而在三氟甲基酮的不对称加氢反应中，低压更利于反应的进行[34]。

4　溶　剂

溶剂中起着至关重要的作用，不仅仅是为了固体底物和氢气的溶解。在α-酮酸酯的不对称加氢反应中，转化率以及ee.值都随着溶剂的极性增大而降低[35]。不同的溶剂通过其特有的化学性质会和反应底物、修饰剂、产物等产生一定的联系。在金鸡纳生物碱修饰的不对称加氢反应体系中，它通过影响金鸡纳生物碱[36]和底物的构象行为[37]，从而影响不对称加氢反应的结果。

目前在各种溶剂中，甲苯和乙酸被发现最适合与金鸡纳生物碱修饰的不对称加氢反应。质子溶剂(如乙酸)会导致金鸡纳生物碱奎宁环上的氮质子化。非极性溶剂和质子溶剂一样都容易生成“打开构象”的金鸡纳碱类修饰剂，这被认为是底物酮不对称加氢的关键步骤。

由溶剂引起的底物的构象变化是否和手性修饰剂-酮结构之间有关系尚不明确，有待证明。在这一点上，应该强调的是酸性载体和酸性溶剂之间的影响的根本差异。载体的酸性影响铂的电子分布(金属-载体的相互作用)，这反过来又影响了对映选择性和反应速率。而酸性溶剂如乙酸和三氟乙酸等是通过让金鸡纳碱修饰剂的N原子质子化并在生物碱和酮之间形成各种线性或环状的氢键络合物，这些化学变化反过来会影响催化性能[38]。例如酮基泛解酸内酯的不对称加氢就说明了这种差异，酸性载体提高了选择性，而使用乙酸作为溶剂却减少了选择性[39]。

最后，溶剂也可以共吸附在表面影响反应物和修饰剂的表面覆盖率，从而影响反应动力学。

5　结　语

研究学者从修饰剂、载体、反应条件、溶剂等方面对金鸡纳生物碱修饰的铂催化剂不对称加氢体系做了深入研究并取得了一定的成功。但随着人们对手性物质的认识，光学纯的产品的需求量也日益增长，开发出效率更高，重复性好，适合于工业生产的催化剂迫在眉睫。

负载型催化剂因为其易分离的特点，非常适合于工业生产，必将吸引更多的学者。而介孔碳作为一种高比表面积，价格低廉的多孔材料必将是未来发展的重点。

最后，随着绿色化学的提出，研究学者们在开发新催化剂的同时也要注意原料对环境的危害，增取做到对环境的零污染。

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Research Progress on Cinchona Alkaloid Modified Pt Catalyst in Heterogeneous Asymmetric Hydrogenation*

XIONGRen-jie,YEJing,TUWen-cheng,ZHANGJie

(College of Chemical Engineering，Huaqiao University, Fujian Xiamen 361000, China)

Chirally modified metal catalysts are one of most developed and promising heterogeneous enantioselective catalysts. The mechanism of cinchona alkaloid modified platinum catalysts for asymmetric catalytic hydrogenation and the development status from the chiral modifier, carrier, reaction conditions and solvent were summarized. The development path of the carrier and the mechanism of modifiers were mainly introduced. In addition, further research work in heterogeneous asymmetric hydrogenation should be focused on development of high efficiency carrier, synthesis of more suitable chiral modifier and investigation of reaction mechanism.

heterogeneous catalysis; asymmetric hydrogenation; cinchona alkaloid

华侨大学研究生科研创新基金；福建省自然科学基金面上项目(编号：2013J01380)。

熊仁杰(1991-)，男，研究生在读，主要从事多相催化剂，不对称加氢的研究。

叶静(1980-)，主要从事天然产物的分离及提纯。

O643.36

A

1001-9677(2016)07-0023-04