Pt/金雞納生物堿體系的不對稱加氫研究進展*

熊仁杰，葉　靜，涂文成，張　杰

(華僑大學化工學院，福建　廈門　361000)

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Pt/金雞納生物堿體系的不對稱加氫研究進展*

熊仁杰，葉靜，涂文成，張杰

(華僑大學化工學院，福建廈門361000)

手性修飾金屬催化劑是最具發展潛力的多相催化劑之一。從手性修飾劑、載體、反應條件、溶劑等發面綜述了金雞納生物堿修飾的鉑催化劑不對稱催化加氫的作用機理及發展近況。并重點介紹了載體的發展路徑和修飾劑的作用機理。最后指出開發綠色，高效催化劑，修正或提出手性識別機理模型以及合成新型手性修飾劑仍是今后多相不對稱催化氫化反應的研究方向。

多相催化；不對稱加氫；金雞納生物堿

近年來，不對稱催化加氫被廣泛應用于農藥、手性藥物、香料以及食品添加劑等精細化學品的合成中。不對稱催化加氫從體系上可分為均相催化和非均相催化。均相催化由于催化劑和反應物都處于同一均勻的氣相或液相中，所以催化活性中心能均勻分布到體系中。活性中心被充分利用，所以其活性和選擇性都比較高。除此之外均相反應的反應條件一般都比較溫和，副反應少，反應易于控制且通過光譜、同位素示蹤等手段可以對反應機理進行研究。催化類大多數諾貝爾獎都產生于均相催化。但是均相催化產物和催化劑不容易分離，容易造成活性中心的流失。而多相催化劑因為其分離簡單，易回收利用的特點被認為更有利于工業生產，逐漸引起了研究學者的關注。

關于多相不對稱加氫的催化體系有很多。其中最著名的要數用于β-酮酯不對稱加氫的鎳/酒石酸(Ni/tartaric acid)體系，用于α-酮酯不對稱加氫的鉑/金雞納生物堿(Pt/cinchona alkaloids)體系以及用于C=C不對稱加氫的鈀/金雞納生物堿(Pd/cinchona alkaloids)體系。本文就鉑/金雞納生物堿(Pt/cinchona alkaloids)體系做簡略探討。

1　手性修飾

金屬表面通常是手性的，盡管它們可能因為某些缺陷原因導致手性的改變。左手和右手手性位點的概率在金屬顆粒表面是均等的，而在單晶表面這種不平衡的手性位點可通過切割晶體的具體的位面來實現[1]。但這種方法獲得的手性位點太少，使其實際操作可能降低。迄今為止在多晶相金屬表面創造手性位點的最有效的方法是吸附合適的手性修飾劑[2]。而選擇一個合適的修飾劑則是最關鍵的部分。

修飾劑最基本的要求是能適當的固定在金屬表面上、具有高效的選擇性和在反應條件下有穩定的結構。往金屬表面添加修飾劑的方法一般是在金屬表面經過特殊的前處理或簡單地添加到反應溶液中。由于后一種方法操作起來更簡單，所以一般都是采用后者往金屬表面添加修飾劑[3-5]。

起初完全自然存在的金雞納生物堿，辛可尼定(CD)，辛可寧(CN)(圖1)以及奎尼丁(QD)和奎寧(QN)被運用成為鉑催化劑不對稱氫化不飽和酮的手性修飾劑，這些修飾劑到目前為止仍然是使用最頻繁的修飾劑。金雞納生物堿的兩個剛性結構部分(喹啉和奎寧環)由單個的C-C鏈分離，所以其表現出相當的構象靈活性。通過NMR鑒定和理論計算，研究學者以奎寧環氮原子是否朝向喹啉環把金雞納生物堿的構象分為“開放式”結構和“封閉式”，即面朝喹啉環的為“開放式”構象，遠離喹啉環的為“封閉式”構象。

研究提出，無論在極性亦或是非極性溶劑中，辛可尼的開放構型是最有利于不飽和酮加氫的構型[6]。金雞納分子中影響不飽和酮加氫ee.值和加氫轉化率的重要結構要素是[7]：①芳香喹啉基部分；②奎寧環的取代部分；③C9位置的取代基。金雞納生物堿的O-C9-C8-N部分對ee.值有巨大的影響。C8位置的絕對構型似乎對控制主要產物對映體的絕對構型有重大影響(除非是在C9位置有大取代基)。而奎寧環部分的自然取代基對加氫反應的影響較小[7]。和之前通過理論計算所提出的一樣[3-5]，奎寧環上的N原子和底物酮羰基上的O原子之間通過氫鍵所形成的比例為1:1的瞬間原位修飾表面活性復合物對加氫起到關鍵作用。最近operando ATR-IR研究佐證了這一短暫的表面復合物在不對稱氫化機制中的重要性[8]。

圖1　辛可尼定和辛可寧的構型

通過對金雞納生物堿及其衍生物在不對稱加氫反應中機理的研究，利用光學純的2-羥基-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]等去合成新的修飾劑。這些化合物及其衍生物在一些酮的氫化方面表現出良好的對映選擇性，但一般超過不了金雞納生物堿，它們所有的共同特點是把芳族部分充當錨定單位。近日人們對手性咪唑啉酮和脯氨酸衍生物的表面改性劑進行了探索，但是，這些合成改性劑對比金雞納生物堿表現出低劣的性能。

最后，應當強調指出不同的底物與修飾劑之間的作用機理不能一概而論，對于各種已經提出的機理模型還需精細化，還需結合當前各種先進的檢測技術進行更深入的探索。

2　載　體

多相催化中，載體是影響催化性能的重要因素之一，它是活性中心的基底和粘合劑。通常催化劑的總活性與其所暴露的表面積成正比。為了提高活性組分的利用率，往往是將其負載在多孔物質的表面上，特別是對于鉑這種昂貴的金屬此舉尤為重要。因此對金屬催化劑而言，載體是十分重要的組成部分。同時載體還具有提高催化劑的機械強度，改善導熱系數等作用。載體還能夠為催化反應中提供除金屬活性位以外的酸性位或堿性位。鉑負載型催化劑的載體研究則立足于提高其在α-酮酸酯不對稱加氫反應的光學選擇性，載體材料從傳統的無機材料、多孔碳材料、復合材料發展到碳納米管等多種新型材料。

Orito最先發現以γ-Al2O3為載體，乙酸作為溶劑，在α-酮酸酯的不對稱催化加氫中光學選擇性最好。并且催化劑使用前高溫氫氣氛下的預處理可以改變Pt粒子的大小，去除雜質，從而對催化反應的光學選擇性有很大的提高[14]。Pt/γ-Al2O3作為催化劑雖然可以取得很好的手性效果，但其在乙酸作為溶劑的條件下，氧化鋁表面會發生溶膠現象，導致重復利用性能不佳，最多只能重復六次[15-16]，這對其工業化應用產生了嚴重影響。鑒于此，各種新型載體負載的鉑催化劑被研究探索。

鉑膠體[17]、Pt/zeolite[18]、Pt/FDU-14[19]、Pt/MPC-61[20]以及Pt/SBA-15[21-22]等，這些催化劑在α-酮酸酯的不對稱加氫反應中光學選擇性都比較低，都不及傳統商業化的Pt/γ-Al2O3催化劑，但令人驚喜的是有序介孔樹脂FDU系列材料作為載體的鉑催化劑，卻有很好的重復利用性能[22]。

隨著碳納米管研究的深入，這些新型碳材料也加入了鉑催化劑的載體行列。Chen等人[23]將Pt粒子均勻分散在碳納米管的孔道內，在不對稱催化加氫反應中取得了非常好的結果，但由于碳納米管的制作工藝較為復雜，生產成本高，所以很難再工業上大規模的生產。

隨著有序介孔碳的材料的研究深入，介孔碳材料憑借著其這類材料具有比表面積大、 孔道大小均勻、結構有序、孔徑在2～10 nm內連續可調以及較好的熱穩定性和水熱穩定性等特性逐漸被人們所重視。

1999年，Ryoo課題組[24]和Hyeon課題組[25]分別報道了以MCM-48為硬模板合成有序介孔碳材料。在隨后的研究中，其他的硅基介孔材料，比如SBA系列[21]， MSU-H[26]以及HMS[27]也被作為硬模板來反相復制有序介孔碳材料。盡管通過改變模板的空間大小、 形狀以及結構的有序性或者調節模板的組裝方式可以對材料進行可控合成，但是這樣一個多步合成過程是復雜又不經濟的，而且反相合成的介孔碳材料的穩定性相對較差，限制了其大規模的生產和應用。考慮到硬模板方法的這些缺點，基于對嵌段共聚物與熱固型樹脂共混的深入理解，人們開始嘗試利用嵌段共聚物的自組裝來制備有序介孔碳材料。

趙東元課題組[28-30]在有機-有機自組裝合成有序介孔碳材料領域進行了很多的研究， 制備出了一系列的具有不同骨架結構的介孔碳(FDU-15，FDU-16等)。以可溶性的酚醛樹脂低聚物resol為前驅體，在乙醇溶液中與三嵌段共聚物F127混合，隨著溶劑的揮發， resol進一步縮聚并同F127的PPO段通過氫鍵作用自組裝成各種形狀不同的有序介觀結構。將具有介觀結構的resol/F127復合組分在惰性氣體中進行碳化，F127熱分解后產生有序的介孔孔道，而高聚物碳化后成為介孔的孔墻， 最終得到具有均一孔徑的有序介孔碳材料。

Li等[31]以有序介孔材料CMK-8為載體得到的催化劑在 α-酮酸酯的氫化反應中也取得較好的結果，而且同等條件下，其TOF為目前最高，但由于Pt與碳載體之間作用不強，導致其重復利用4次以后，性能就劇烈下降。李曉紅等[32]利用CD修飾的Pt/FDU-15進行α-酮酸酯的不對稱加氫，雖然選擇性不高，但其有優良的重復使用性能。張學勤課題組[33]通過螯合的方式，以三嵌段高分子F127為模板劑，低聚酚醛樹脂為高分子前驅體，同時加入無機前驅體， 將Al2O3引入到有機-有機自組裝合成介孔高分子和碳材料的合成體系， 通過三元自組裝的方法可以得到C-Al2O3復合材料，在α-酮酸酯的氫化反應中取得了較好的選擇性和優良的重復性。

然而目前軟模板方法直接合成介孔碳材料多以酚類-甲醛樹脂為前體，液態酸或者固態堿為催化劑催化樹脂的聚合，合成過程中采用的原料多有毒，對環境及人體都造成了潛在的危害，尋找其他的有機前驅體以及廉價、低毒、簡便、快速的綠色合成方法仍然是需要努力的目標。

3　反應條件

加氫反應是正常或略低于室溫下在自動攪拌間歇式反應釜中進行的。由于在不對稱加氫過程中微妙的能量差異(通常只有幾個kJ/mol)，高反應溫度不利于得到較高的選擇性。除了反應的溫度外，催化劑的用量、底物、修飾劑的比例和氫氣的壓力影響著轉化率和對映選擇性。底物、修飾劑的種類不同，對應的底物、修飾劑的最佳摩爾比將會有很大的不同。一個太高的底物/修飾劑比例會導致手性修飾劑的不足從而得到低ee.值。太低則會導致底物和修飾劑在金屬表面覆蓋不均勻從而影響表面反應動力學，使得反應的效果不佳。底物和氫的表面濃度在反應動力學中是至關重要的。氫氣的表面濃度是由氫氣的供應量與與底物反應的消耗率共同決定的。通常反應的壓力范圍一般為0.1～2 MPa，但有的反應也使用了高達10 MPa反應壓力。

實驗證明對大部分的α-酮酸酯而言，反應壓力的增大使得氫的表面覆蓋率增大，對反應是有利的。而在三氟甲基酮的不對稱加氫反應中，低壓更利于反應的進行[34]。

4　溶　劑

溶劑中起著至關重要的作用，不僅僅是為了固體底物和氫氣的溶解。在α-酮酸酯的不對稱加氫反應中，轉化率以及ee.值都隨著溶劑的極性增大而降低[35]。不同的溶劑通過其特有的化學性質會和反應底物、修飾劑、產物等產生一定的聯系。在金雞納生物堿修飾的不對稱加氫反應體系中，它通過影響金雞納生物堿[36]和底物的構象行為[37]，從而影響不對稱加氫反應的結果。

目前在各種溶劑中，甲苯和乙酸被發現最適合與金雞納生物堿修飾的不對稱加氫反應。質子溶劑(如乙酸)會導致金雞納生物堿奎寧環上的氮質子化。非極性溶劑和質子溶劑一樣都容易生成“打開構象”的金雞納堿類修飾劑，這被認為是底物酮不對稱加氫的關鍵步驟。

由溶劑引起的底物的構象變化是否和手性修飾劑-酮結構之間有關系尚不明確，有待證明。在這一點上，應該強調的是酸性載體和酸性溶劑之間的影響的根本差異。載體的酸性影響鉑的電子分布(金屬-載體的相互作用)，這反過來又影響了對映選擇性和反應速率。而酸性溶劑如乙酸和三氟乙酸等是通過讓金雞納堿修飾劑的N原子質子化并在生物堿和酮之間形成各種線性或環狀的氫鍵絡合物，這些化學變化反過來會影響催化性能[38]。例如酮基泛解酸內酯的不對稱加氫就說明了這種差異，酸性載體提高了選擇性，而使用乙酸作為溶劑卻減少了選擇性[39]。

最后，溶劑也可以共吸附在表面影響反應物和修飾劑的表面覆蓋率，從而影響反應動力學。

5　結　語

研究學者從修飾劑、載體、反應條件、溶劑等方面對金雞納生物堿修飾的鉑催化劑不對稱加氫體系做了深入研究并取得了一定的成功。但隨著人們對手性物質的認識，光學純的產品的需求量也日益增長，開發出效率更高，重復性好，適合于工業生產的催化劑迫在眉睫。

負載型催化劑因為其易分離的特點，非常適合于工業生產，必將吸引更多的學者。而介孔碳作為一種高比表面積，價格低廉的多孔材料必將是未來發展的重點。

最后，隨著綠色化學的提出，研究學者們在開發新催化劑的同時也要注意原料對環境的危害，增取做到對環境的零污染。

[1]McFadden C F, Cremer P S, Gellman A J. Adsorption of chiral alcohols on “chiral” metal surfaces[J]. Langmuir, 1996, 12(10): 2483-2487.

[2]Baiker A. Reflections on chiral metal surfaces and their potential for catalysis[J]. Catalysis today, 2005, 100(1): 159-170.

[3]Mallat T, Orglmeister E, Baiker A. Asymmetric catalysis at chiral metal surfaces[J]. Chemical Reviews, 2007, 107(11): 4863-4890.

[4]Blaser H U, Studer M. Cinchona-modified platinum catalysts: from ligand acceleration to technical processes[J]. Accounts of chemical research, 2007, 40(12): 1348-1356.

[5]Bartok M. Heterogeneous catalytic enantioselective hydrogenation of activated ketones[J]. Current Organic Chemistry, 2006, 10(13): 1533-1567.

[6]Bürgi T, Baiker A. Conformational behavior of cinchonidine in different solvents: a combined NMR and ab initio investigation[J]. Journal of the American Chemical Society, 1998, 120(49): 12920-12926.

[7]Blaser H U, Jalett H P, Lottenbach W, et al. Heterogeneous enantioselective hydrogenation of ethyl pyruvate catalyzed by cinchona-modified Pt catalysts: Effect of modifier structure[J]. Journal of the American Chemical Society, 2000, 122(51): 12675-12682.

[8]Meemken F, Maeda N, Hungerbühler K, et al. Platinum-Catalyzed Asymmetric Hydrogenation: Spectroscopic Evidence for an O-H-O Hydrogen-Bond Interaction between Substrate and Modifier[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2012, 51(33): 8212-8216.

[9]Simons K E, Wang G, Heinz T, et al. A new class of chiral modifiers for the enantioselective hydrogenation of α-ketoesters with Pt-Al2O3[J]. Tetrahedron: Asymmetry, 1995, 6(2): 505-518.

[10]Minder B, Schürch M, Mallat T, et al. Enantioselective hydrogenation of ethyl pyruvate over Pt/alumina modified by (R)-1-(1-naphthyl) ethylamine derivatives[J]. Journal of Catalysis, 1996, 160(2): 261-268.

[11]Schürch M, Heinz T, Aeschimann R, et al. Design of new modifiers for the enantioselective hydrogenation of ethyl pyruvate[J]. Journal of Catalysis, 1998, 173(1): 187-195.

[12]Klabunovskii E,Smith G V,Zsigmond.Asymmetric hydrogenation of 2-oxocarboxylic acid esters and unsturated carboxylic acids on modified Pt and Pd catalysts [M].Heterogeneous enatioselective hydrogenation.Springer Netherlands, 2006: 161-265.

[13]Orglmeister E, Mallat T, Baiker A. Synthetic modifiers for platinum in the enantioselective hydrogenation of ketopantolactone: A test for the mechanistic models of ketone hydrogenation[J]. Advanced Synthesis & Catalysis, 2005, 347(1): 78-86.

[14]Mallat T,Frauchiger S,Kooyman P J,et al.Restructuring during pretreatment of platinum/alumina for enantioselective hydrogenation[J].Catalysis Letters,1999,63(3):121-126.

[15]李曉紅.手性修飾的負載型鉑催化劑上潛手性羰基化合物的不對稱氫化反應研究[D].大連:中國科學院大連化學物理研究所,2004.

[16]Balázsik K,Bartók M.Heterogeneous asymmetric reactions:Part 40.New data on repeated use of Pt-alumina catalyst during enantioselective hydrogenation of ethyl pyruvate[J].Journal of Molecular Catalysis A:Chemical,2004,219(2):383-389.

[17]K?hler J U,Bradley J S.A kinetic probe of the effect of a stabilizing polymer on a colloidal catalyst:Accelerated enantioselective hydrogenation of ethyl pyruvate catalyzed by poly(vinylpyrrolidone)-stabilized platinum colloids[J].Langmuir,1998,14(10):2730-2735.

[18]B?hmer U,Franke F,Morgenschweis K,et al.Enantioselective hydrogenation of ethyl pyruvate:Long-term performance of chirally modified Pt/zeolite catalysts[J].Catalysis Today,2000,60(3-4):167-173.

[19]沈亞麗,李曉紅,宋麗英,等.手性修飾的介孔樹脂材料負載鉑催化劑上丙酮酸乙酯的不對稱氫化反應[J].高等學校化學學報,2009,30(07):1375-1379.

[20]李凱翔,李曉紅,宋麗英,等.手性修飾的介孔碳材料MPC-61負載鉑催化劑上α-酮酸酯的不對稱氫化反應[J].高等學校化學學報,2011,32(06):1354-1359.

[21]Chen Z,Li X,Li C.Enantioselective hydrogenation ofα-ketoesters on mesoporous matrix supported platinum catalysts[J].Chinese Journal of Catalysis,2011,32(1):155-161.

[22]B?ttcher S,Hoffmann C,R?uchle K,et al.Mesopor?se Pt/SBA-15-Katalysatoren für die enantioselektive Flüssigphasenhydrierung von Ethylpyruvat[J].Chemie Ingenieur Technik,2010,82(7):1031-1038.

[23]Chen Z,Guan Z,Li M,et al.Enhancement of the performance of a platinum nanocatalyst confined within carbon nanotubes for asymmetric hydrogenation[J].Angewandte Chemie International Edition,2011,50(21):4913-4917.

[24]Kim S S, Pauly T R, Pinnavaia T J. Non-ionic surfactant assembly of ordered, very large pore molecular sieve silicas from water soluble silicates[J]. Chemical Communications, 2000 (17): 1661-1662.

[25]Lee J, Yoon S, Oh S M, et al. Development of a new mesoporous carbon using an HMS aluminosilicate template[J]. Advanced Materials, 2000, 12(5): 359-362.

[26] Kim S S, Pinnavaia T J. A low cost route to hexagonal mesostructured carbon molecular sieves[J]. Chemical Communications, 2001 (23): 2418-2419.

[27] Yoon S B, Sohn K, Kim J Y, et al. Fabrication of carbon capsules with hollow macroporous core/mesoporous shell structures[J]. Advanced Materials, 2002, 14(1): 19-21.

[28]Zhang F, Gu D, Yu T, et al. Mesoporous carbon single-crystals from organic-organic self-assembly[J]. Journal of the American Chemical Society, 2007, 129(25): 7746-7747.

[29]Zhang F, Gu D, Yu T, et al. Mesoporous carbon single-crystals from organic-organic self-assembly[J]. Journal of the American Chemical Society, 2007, 129(25): 7746-7747.

[30]Deng Y, Liu C, Yu T, et al. Facile synthesis of hierarchically porous carbons from dual colloidal crystal/block copolymer template approach[J]. Chemistry of materials, 2007, 19(13): 3271-3277.

[31] Li B, Li X, Ding Y, et al. Ordered mesoporous carbons with Ia3d symmetry supported Pt catalyst for efficient asymmetric hydrogenation[J]. Catalysis letters, 2012, 142(8): 1033-1039.

[32] 王海紅,王紅娜,李曉紅,等.介孔氧化鋁復合材料負載鉑催化劑上丙酮酸乙酯的不對稱氫化反應[J]. 催化學報, 2011, 32(11)：1677-1684.

[33] Zhang X, Li Q, Xiao M, et al. Effective one-step reduction of Pt/alumina-carbon catalysts for asymmetric hydrogenation of α-ketoesters[J]. Applied Catalysis A: General, 2014, 480: 50-57.

[34] Von Arx M, Bürgi T, Mallat T, et al. Enantioselective Hydrogenation over Cinchona-Modified Pt: The Special Role of Carboxylic Acids[J]. Chemistry-A European Journal, 2002, 8(6): 1430-1437.

[35]Wehrli J T, Baiker A, Monti D M, et al. Enantioselective hydrogenation of α-ketoesters: Influence of reaction medium and conversion[J]. Journal of molecular catalysis, 1989, 57(2): 245-257.

[36]Bürgi T, Baiker A. Conformational behavior of cinchonidine in different solvents: a combined NMR and ab initio investigation[J]. Journal of the American Chemical Society, 1998, 120(49): 12920-12926.

[37]Ferri D, Bürgi T, Baiker A. Conformational isomerism of α-ketoesters. A FTIR and ab initio study[J]. Journal of the Chemical Society, Perkin Transactions, 2000(2): 221-227.

[38] Von Arx M, Bürgi T, Mallat T, et al. Enantioselective Hydrogenation over Cinchona-Modified Pt: The Special Role of Carboxylic Acids[J]. Chemistry-A European Journal, 2002, 8(6): 1430-1437.

[39]Schürch M, Schwalm O, Mallat T, et al. Enantioselective hydrogenation of ketopantolactone[J]. Journal of Catalysis, 1997, 169(1): 275-286.

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

華僑大學研究生科研創新基金；福建省自然科學基金面上項目(編號：2013J01380)。

熊仁杰(1991-)，男，研究生在讀，主要從事多相催化劑，不對稱加氫的研究。

葉靜(1980-)，主要從事天然產物的分離及提純。

O643.36

A

1001-9677(2016)07-0023-04