异核双金属及三金属Salen催化剂的制备与性能研究

周 怡，张 莹，王崇泽

(抚顺顺能化工有限公司，辽宁 抚顺 113001)

Salen是二亚胺类化合物的统称，是近年来不对称催化反应及不对称合成中最重要的配体之一[1-2]。而salen配体能与大多数的过渡金属络合，形成相应的金属配合物，其中，(salen) Co配合物催化的水解动力学拆分反应可以提供了一条高选择性制备手性环氧化合物和手性1,2-二醇的方法[3]，这些末端环氧化合物不仅包括一些重要的合成砌块，还可以作为手性源直接合成一些药物，具有大规模生产的应用前景[4-5]。

在开始研究阶段，由于单核催化剂的活性中心比较均一，选择性高，副反应少等优点，人们着力于对单核(salen) Co催化剂的研究[6]。然而随着工业应用的不断发展，传统的单核(salen) Co催化剂已经无法满足大规模的工业化生产需求。为了进一步提高salen催化剂的催化性能，提高生产效率，降低经济成本，从2001年开始，Jocobsen[7]小组开始研究并制备出了高活性的异核双金属salen催化剂。随后，大量研究人员参与到了这种异核双金属salen催化剂的研究当中[8]。其中研究得最多的主要有：AlCl3、FeCl3、ZnCl2、SnCl4等[9]。大部分研究人员认为，异核双金属salen催化剂含有两个活性中心，在水解动力学拆分末端环氧类化合物过程中，其催化活性较类似结构的单体催化剂明显提高，不仅能够提高催化性能，缩短反应的时间，而且可减少催化剂的用量，降低生产成本[10]。随着手性环氧化合物在医药中间体领域的广泛应用，对异核双金属salen催化剂的制备和研究具有重要意义。

本文在现有研究的基础上，加入筛选的Lewis酸(AlCl3和ZnCl2)制备得到一系列异核双金属及三金属salen催化剂(salen (Co-Al)、salen (Co-Zn)和salen (Co-Al-Zn))，研究了不同Lewis酸的引入对(salen) Co催化剂结构性能和电子性能的影响，以及在不对称水解动力学拆分外消旋环氧氯丙烷中的应用。

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

试剂：3,5-二叔丁基水杨醛、1,2-环己二胺、L-(+)-酒石酸、四水合醋酸钴、氯化铝、氯化锌、环氧氯丙烷等均为国内市售分析纯。

仪器：数显电动搅拌器DW-3型(巩义市予华有限责任公司)、气相色谱仪GC-9790II(浙江福立分析仪器股份有限公司)、电子天平JA11003(上海浦春计量仪器有限公司)、低温冷却水循环泵DLSB 5/25(郑州长征仪器制造有限公司)、岛津UV2600紫外分光光度计(中国岛津)等。

1.2 双核及三核salen催化剂的合成

1.2.1 (R,R)-1,2-环己二胺-(+)-酒石酸盐的合成

将1.6g L-(+)-酒石酸溶解于30mL水中，提升温度至65℃，使其充分溶解，向其中缓慢滴加2.5g 1,2-环己二胺；滴加完毕后，将反应温度控制于70℃，滴加冰醋酸1.0g，并保温40min；保温结束后，将温度降至20℃，保温2h，进行抽滤，并用去离子水反复冲洗2次以上，得到白色晶体即为(R,R)-1,2-环己二胺-(+)-酒石酸盐。

1.2.2 (R,R)-N,N`-二(3,5-二叔丁基水杨基)-1,2-环己二胺的合成

称取去离子水16mL，向其中加入2.5g碳酸钾，待物料充分溶解后，将2.4g (R,R)-1,2-环己二胺-(+)-酒石酸盐和1.5g无水乙醇加入到碳酸钾溶液中，并将温度升温至78℃，使其全部溶解，得到混合溶液A；将4.3g 3,5-二叔丁基水杨醛溶解于2.3g无水乙醇中，得到溶液B；将B缓慢滴加至A溶液中，于78℃保温2 h，再向其中滴加10g去离子水，继续在78℃下保温1 h后，冷却至室温，进行过滤处理，并用热水反复洗涤2次以上，烘干后得到黄色固体，即为(R,R)-N,N`-二(3,5-二叔丁基水杨基)-1,2-环己二胺。

1.2.3 (R,R)-N,N`-二(3,5-二叔丁基水杨基)-1,2-环己二胺合钴的合成

将38g DMF投入到反应器中，向其中加入5.8g (R,R)-N,N`-二(3,5-二叔丁基水杨基)-1,2-环己二胺，升温至其全部溶解后，加入3.5g四水合醋酸钴，升温至110℃，保温1.5小时后，向其中滴加30g去离子水，并保持温度在100℃，保温1h，将反应液冷却至室温，用甲醇冲洗过滤得到红色晶体，即为(R,R)-N,N`-二(3,5-二叔丁基水杨基)-1,2-环己二胺合钴(单核(salen) Co催化剂)。

1.2.4 双核及三核salen催化剂的合成

将0.30 g(0.0005 mo1)的单核(salen) Co催化剂溶解于100ml二氯甲烷中，然后分别加入AlCl3和ZnCl2，使单核(salen) Co催化剂与Lewis酸的摩尔比例分别为1∶0.5、1∶1、1∶1.5、1∶2、1∶2.5，在20℃下搅拌4小时，旋转蒸发除去二氯甲烷即得到异核双金属salen催化剂，分别记为salen (Co-Al)(1∶0.5)、salen (Co-Al)(1∶1)、salen (Co-Al)(1∶1.5)、salen (Co-Al)(1∶2)、salen (Co-Al)(1∶2.5)、salen (Co-Zn)(1∶0.5)、salen (Co-Zn)(1∶1)、salen (Co-Zn)(1∶1.5)、salen (Co-Zn)(1∶2)和salen (Co-Zn)(1∶2.5)。以及异核三金属salen催化剂，分别记为salen (Co-Al-Zn)(1∶0.9∶0.1)、salen (Co-Al-Zn)(1∶0.8∶0.2)和salen (Co-Al-Zn)(1∶0.75∶0.25)。

1.3 salen催化剂的活性验证——水解动力学拆分外消旋环氧氯丙烷

用分析天平精确称取消旋的环氧氯丙烷260g放入三口烧瓶中，向其中投入1.3g筛选出来的催化剂，冰乙酸1g。连接导气管并通入纯净的空气，内温控制在3 ℃并维持2h，待内温稳定后向烧瓶中加入66 g水，待水滴加完毕后将温度控制在20 ℃，此后，持续搅拌反应，待其R-环氧氯丙烷的残留量小于0.3%时，即为合格，停止反应，处理得到S-环氧氯丙烷。

2 结果与讨论

2.1 紫外吸收光谱结果分析

首先，对制备得到的salen配体、单核(salen) Co催化剂以及异核双金属和三金属salen催化剂进行了紫外吸收光谱的测定，溶剂为二氯甲烷，扫描范围200nm～550nm，结果见图1。其中，图1(a)为salen配体和单核(salen) Co催化剂的紫外谱图，图1(b)为不同摩尔比例异核双金属salen (Co-Al)催化剂的紫外吸收谱图，图1(c)为不同摩尔比例异核双金属salen (Co-Zn)催化剂的紫外吸收谱图，图1(d)为不同摩尔比例异核三金属salen (Co-Al-Zn)催化剂紫外吸收谱图。

图1 不同salen催化剂的紫外吸收光谱图Fig.1 Ultraviolet absorption spectra of different salen catalysts

由图1(a)可知，salen配体的紫外吸收特征峰有三个，分别在228nm、261.5nm和329.5nm。而引入金属Co后，特征吸收峰同样有三个，分别在248.2nm、360nm和420nm，可以看出360nm和420nm处为salen Co(Ⅱ)的特征吸收峰，并且420nm左右的吸收峰可归结于配位金属 Co(Ⅱ)与salen配体的□-□*跃迁[11]。因此，我们可以将紫外光谱的谱图分为两部分进行分析，其中200～330nm区间与配体的结构和电子性能相关，而330～550nm区间与金属离子Co和配体结构的相互作用相关。根据这些信息，接下来我们将逐一对制备得到的异核双金属和三金属salen催化剂的紫外光谱图进行系统地分析研究。

由图1(b)可知，AlCl3的加入使得两个区间的特征吸收峰都发生了明显地变化，这说明我们采用的制备方法能够很好的将Al融入到(salen) Co催化剂的结构当中。其中，200～330nm区间的特征吸收峰由原来的一个大而宽泛的峰变成了2～3个特征峰，这说明salen配体的结构性能和电子性能因Al3+的引入发生了改变。从Al元素的电子排布(1s22s22p63s23p1)来看，外层的3s23p1电子容易失去变成Al3+，由于没有d轨道或f轨道电子，Al与配体之间只可能发生电荷迁移跃迁或配位体内电子跃迁。随着AlCl3加入量的增加，在200～330nm区间的特征吸收峰逐渐由250nm附近的单峰裂变成了双峰结构。Al与salen配体的相互作用必然会影响到salen配体与Co的相互作用，而Co又是催化反应的活性中心。从330～550nm区间的特征吸收峰来看，(salen) Co的特征吸收峰的强度呈现先增强后减弱的趋势，其中salen (Co-Al)(1∶1)的峰强最高。由图2可知，(salen) Co催化剂的浓度与360nm处吸收峰的强度呈线性相关，拟合值r2=0.99932，而(salen) Co催化剂的浓度又直接影响催化活性的强弱。由此可推测，这一系列salen (Co-Al)催化剂中，salen (Co-Al)(1∶1)的催化活性应该是最高的，因此，我们选择该催化剂进行后续的活性验证。

图2 (salen) Co催化剂在360nm处的紫外吸收标准曲线Fig.2 Ultraviolet absorption curve of (salen) Co catalyst at 360nm

从图1(c)中可以看出，ZnCl2的引入同样对催化剂两个波段的紫外吸收峰造成了强烈的影响。从Zn元素的电子排布(1s22s22p63s23p64s23d10)来看，外层的4s2电子容易失去变成Zn2+，和Al不一样的是，Zn的外层有10个d电子，因此它和配体之间除了可以发生电荷迁移跃迁和配位体内电子跃迁以外，还能发生金属离子的d-d电子跃迁。也就是说，Zn和salen配体的相互作用强度要强于Al和salen配体的相互作用。由图1(c)可知，和(salen) Co催化剂相比，异核双金属salen (Co-Zn)催化剂在200～330nm区间的特征吸收峰发生了明显的变化，随着ZnCl2加入量的增加，逐渐由一个宽泛的单峰(salen (Co-Zn)(1∶0.5))演变成了明显的三峰(salen (Co-Zn)(1∶2.5))。同时，在330～550nm区间(salen) Co的特征吸收峰的强度则呈现先增加后减弱的趋势，其中salen (Co-Zn)(1∶1)在360nm的吸收峰强度明显高于其他样品，而当Co-Zn的比例进一步增加至1∶2.5时，(salen) Co的特征吸收峰基本完全消失。由前面的推测可知，该峰的强弱与催化性能呈正比关系，因此，我们选择salen (Co-Zn)(1∶1)催化剂进行后续的活性验证。

由于Al和Zn元素不同的电子排布使得其与salen配体发生的相互作用不同，从而使得体系中的Co与salen配体间的配位作用也发生了相应的影响。从前面的分析可知，salen (Co-Al)(1∶1)和salen (Co-Zn)(1∶1)是我们选出的活性可能较优的两个催化剂，按此思路，我们又制备了salen (Co-Al-Zn)(1∶0.8∶0.2)和salen (Co-Al-Zn)(1∶0.75∶0.25)这三个异核三金属salen催化剂，希望能够通过两种Lewis酸不同作用的调和，对最终得到的salen催化剂起到更加积极的作用，其紫外吸收光谱图见图1(d)。由图可知，200～330nm和330～550nm两个区间的紫外吸收谱图与(salen) Co催化剂差异不大，但是随着催化剂中Zn比例的增加，其紫外吸收峰的强度呈整体下降的趋势。按照前面的推论来看，我们认为 salen(Co-Al-Zn)(1∶0.8∶0.2)催化剂可能会表现出更优异的催化性能。带着这些思考，我们将进行后续的催化剂活性验证实验。

2.2 催化性能结果分析

通过水解动力学拆分外消旋环氧氯丙烷得到高光学纯度的手性环氧氯丙烷的实验验证了(salen) Co、salen (Co-Al)(1∶1)、salen (Co-Zn)(1∶1)和salen(Co-Al-Zn)(1∶0.8∶0.2)这4个催化剂的催化性能。其反应液中S-环氧氯丙烷的含量随反应时间的变化情况如图3。从第4个小时开始取样监控反应情况，用手性色谱柱(gamma-DEX225)分析反应液中S-环氧氯丙烷的变化情况。随着反应的进行，反应液中S-环氧氯丙烷的含量逐渐增加，而R-环氧氯丙烷的残留量逐渐减少，当反应液中R-环氧氯丙烷<0.3%时，即为合格。表1列出了4种催化剂反应至合格所用的时间。

图3 添加不同催化剂的反应液中S-环氧氯丙烷的含量随反应时间的变化图Fig.3 The change of s-epichlorohydrin content in the reaction solution with different catalysts with reaction time

表1 不同salen催化剂反应合格时间Table 1 Qualified reaction time of different salen catalysts

由图3和表1可知，四种salen催化剂的催化活性强弱顺序为：salen (Co-Al)(1∶1)> salen (Co-Zn)(1∶1)> salen(Co-Al-Zn)(1∶0.8∶0.2)>(salen) Co。可以发现改进的异核双金属和三金属salen催化剂均表现出了比传统的单核 (salen) Co催化剂更加优异的催化性能，其中，异核双金属salen (Co-Al)(1∶1)催化剂催化性能最优，同样条件下，当反应时间进行到第13h，其反应液中R-环氧氯丙烷的残留量就只剩下0.17%。一方面，Al的引入比Zn的引入对催化剂的活性提高更为明显，从前面紫外吸收光谱的结果可知，Zn对 (salen) Co的结构性能和电子性能的影响要强于Al，尤其表现在200～330nm区间的特征吸收峰上，这在一定程度上可能起到了矫枉过正的作用；另外一方面，Al和Zn的同时加入并没有起到进一步提高催化性能的目的，这可能是由于在该制备条件下，二者没有达到最佳的协同作用，而其中具体作用机理还有待进一步研究。

图4 四种salen催化剂反应前后的紫外吸收光谱对比图Fig.4 Ultraviolet absorption spectra of four salen catalysts before and after the reaction

我们将四种salen催化剂反应进行了回收处理，得到了如图4所示的反应前后的紫外吸收光谱对比图，其中图4(a-d)分别为(salen) Co、salen (Co-Al)(1∶1)、salen (Co-Zn)(1∶1)和salen(Co-Al-Zn)(1∶0.8∶0.2)催化剂反应前后的对比图。由图可知，对于(salen) Co、salen (Co-Zn)(1∶1)和salen(Co-Al-Zn)(1∶0.8∶0.2)这三个催化剂来说，经过水解反应之后，其紫外吸收的特征峰强度都有不同程度的减弱，说明反应过程对催化剂的结构有一定的破坏作用。而salen (Co-Al)(1∶1)催化剂反应前后的紫外吸收光谱图基本没有变化，这说明该催化剂的结构稳定性较强，可以进行回收套用。

3 结论

本文在传统单核(salen)Co催化剂的基础上，加入筛选的Lewis酸(AlCl3和ZnCl2)制备得到一系列异核双金属及三金属salen催化剂(salen (Co-Al)、salen (Co-Zn)和salen (Co-Al-Zn))。通过紫外吸收光谱图分析和在不对称水解动力学拆分外消旋环氧氯丙烷中催化性能的研究表明，Al和Zn的引入对(salen)Co催化剂的结构性能和电子性能都有不同程度的影响，并且改良后的异核双金属及三金属salen催化剂拥有更加优异的催化活性，其中以salen (Co-Al)(1∶1)催化剂的活性最优，并且反应后结构稳定，可进行反复的回收利用。由于该制备方法简单，有利于实现大规模的工业化生产，因此具有广阔的应用前景。