具有催化位点自由空间的介孔有机聚合物纳米碗固体酸/有机手性催化剂及不对称催化串联反应

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固体磺酸是工业上应用最广泛的固体酸催化剂之一,已成功应用于包括酯化、水解、烷基化和异构化等有机合成反应。但目前开发的有机载体固体酸由于缺乏孔结构调控,造成酸位点的包埋,底物难以到达催化位点,严重影响催化效率。为提升有机载体固体酸的催化性能,论文设计制备了中空、介孔有机聚合物纳米碗固体酸,具有如下特点:(1)有机聚合物固体酸具有独特的疏水性和溶胀特性;(2)空心和介孔结构能产生浓度驱动效应和提供传输通道,从而有利于催化反应的传质效应;(3)构建的有机聚合物纳米碗固体酸具备酸催化位点的自由空间。该固体酸通过酸碱相互作用,将金鸡纳碱手性伯胺催化剂(CDNH2)锚定于中空、介孔结构的有机聚合物纳米碗中,在非均相不对称串联催化体系中具有良好的催化性能。在钴盐水溶液中,以聚苯乙烯纳米球(PS)为内核模板,乙烯基苯基异硫脲盐酸盐(VBIH)为功能单体,通过乳液聚合,在PS内核表面涂覆一层功能化聚合物;DMF去除内核,制备中空有机聚合物纳米碗;经过硫脲盐原位水解、氧化,合成高通透中空、介孔有机聚合物纳米碗固体酸Poly(St-co-SO3H)HMOBs-1;通过酸碱相互作用,将金鸡纳碱衍生手性伯胺(CDNH2)锚定于壳层,制备了中空、介孔有机聚合物纳米碗固体酸/手性催化剂Poly(St-co-SO3H/CDNH2)HMOBs-1。同时,制备无锚点自由空间有空心结构和无空心结构有锚点自由空间的两种有机聚合物固体酸Poly(St-co-SO3H)HMOBs-2和Poly(St-co-SO3H)-3,对比研究其锚定CDNH2及催化缩醛水解/不对称aldol串联反应的区别。SEM表明固体酸Poly(St-co-SO3H)HMOBs-1及固体酸/手性催化剂Poly(St-co-SO3H/CDNH2)HMOBs-1具有规则的纳米碗形貌,单分散性良好;TEM证实其具有中空结构;聚合物的组成及酸量分析表明,硫脲盐水解后,氮含量明显降低(3.53%→0.88%),结合VBIH单体-C=N官能团的IR吸收峰(1659 cm-1)消失,硫含量从6.27%增加为7.84%;H2O2氧化-SH后,在1216 cm-1、1162 cm-1及1042cm-1出现三组新的IR吸收峰,归纳其为S=O和-S-O的伸缩振动吸收峰,说明磺酸的生成。N2吸附-脱附可知,硫脲盐水解后,聚合物孔径由3.39 nm增加到8.08 nm,且孔分布窄,比表面积由16.6 m2/g增加到97.7 m2/g,这表明硫脲盐的水解可以释放巯基位点的自由空间;同时,在此过程,金属钴盐作为致孔剂,可在壳层构建介孔通道。总之,通过构筑具有中空、介孔壳层和位点自由空间的有机聚合物催化剂,有效提升有机载体的比表面积、酸量和CDNH2负载量,并为非均相催化反应提供优良的微环境。将制备的三种有机聚合物固体酸/手性催化剂Poly(St-co-SO3H/CDNH2)HMOBs-1、Poly(St-co-SO3H/CDNH2)HMOBs-2及Poly(St-co-SO3H/CDNH2)-3分别催化缩醛水解/不对称aldol串联反应。通过产物收率和立体选择性对比可知,Poly(St-co-SO3H/CDNH2)HMOBs-1催化效果最佳[收率95%,97%ee-anti和Dr(anti/syn)=89/11]。在此基础上,优化了Poly(St-co-SO3H/CDNH2)HMOBs-1的催化反应条件:水为溶剂,20℃,催化剂用量(35 mol%)。在最佳非均相催化条件下对反应底物进行了扩展,含吸电子基的缩醛具有较高的收率和对应选择性[收率90-95%,(74%-97%)ee-anti]。
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