異核雙金屬及三金屬Salen催化劑的制備與性能研究

周 怡，張 瑩，王崇澤

(撫順順能化工有限公司，遼寧 撫順 113001)

Salen是二亞胺類化合物的統(tǒng)稱，是近年來不對稱催化反應(yīng)及不對稱合成中最重要的配體之一[1-2]。而salen配體能與大多數(shù)的過渡金屬絡(luò)合，形成相應(yīng)的金屬配合物，其中，(salen) Co配合物催化的水解動力學(xué)拆分反應(yīng)可以提供了一條高選擇性制備手性環(huán)氧化合物和手性1,2-二醇的方法[3]，這些末端環(huán)氧化合物不僅包括一些重要的合成砌塊，還可以作為手性源直接合成一些藥物，具有大規(guī)模生產(chǎn)的應(yīng)用前景[4-5]。

在開始研究階段，由于單核催化劑的活性中心比較均一，選擇性高，副反應(yīng)少等優(yōu)點，人們著力于對單核(salen) Co催化劑的研究[6]。然而隨著工業(yè)應(yīng)用的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的單核(salen) Co催化劑已經(jīng)無法滿足大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)需求。為了進(jìn)一步提高salen催化劑的催化性能，提高生產(chǎn)效率，降低經(jīng)濟(jì)成本，從2001年開始，Jocobsen[7]小組開始研究并制備出了高活性的異核雙金屬salen催化劑。隨后，大量研究人員參與到了這種異核雙金屬salen催化劑的研究當(dāng)中[8]。其中研究得最多的主要有：AlCl3、FeCl3、ZnCl2、SnCl4等[9]。大部分研究人員認(rèn)為，異核雙金屬salen催化劑含有兩個活性中心，在水解動力學(xué)拆分末端環(huán)氧類化合物過程中，其催化活性較類似結(jié)構(gòu)的單體催化劑明顯提高，不僅能夠提高催化性能，縮短反應(yīng)的時間，而且可減少催化劑的用量，降低生產(chǎn)成本[10]。隨著手性環(huán)氧化合物在醫(yī)藥中間體領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對異核雙金屬salen催化劑的制備和研究具有重要意義。

本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，加入篩選的Lewis酸(AlCl3和ZnCl2)制備得到一系列異核雙金屬及三金屬salen催化劑(salen (Co-Al)、salen (Co-Zn)和salen (Co-Al-Zn))，研究了不同Lewis酸的引入對(salen) Co催化劑結(jié)構(gòu)性能和電子性能的影響，以及在不對稱水解動力學(xué)拆分外消旋環(huán)氧氯丙烷中的應(yīng)用。

1 實驗部分

1.1 試劑及儀器

試劑：3,5-二叔丁基水楊醛、1,2-環(huán)己二胺、L-(+)-酒石酸、四水合醋酸鈷、氯化鋁、氯化鋅、環(huán)氧氯丙烷等均為國內(nèi)市售分析純。

儀器：數(shù)顯電動攪拌器DW-3型(鞏義市予華有限責(zé)任公司)、氣相色譜儀GC-9790II(浙江福立分析儀器股份有限公司)、電子天平JA11003(上海浦春計量儀器有限公司)、低溫冷卻水循環(huán)泵DLSB 5/25(鄭州長征儀器制造有限公司)、島津UV2600紫外分光光度計(中國島津)等。

1.2 雙核及三核salen催化劑的合成

1.2.1 (R,R)-1,2-環(huán)己二胺-(+)-酒石酸鹽的合成

將1.6g L-(+)-酒石酸溶解于30mL水中，提升溫度至65℃，使其充分溶解，向其中緩慢滴加2.5g 1,2-環(huán)己二胺；滴加完畢后，將反應(yīng)溫度控制于70℃，滴加冰醋酸1.0g，并保溫40min；保溫結(jié)束后，將溫度降至20℃，保溫2h，進(jìn)行抽濾，并用去離子水反復(fù)沖洗2次以上，得到白色晶體即為(R,R)-1,2-環(huán)己二胺-(+)-酒石酸鹽。

1.2.2 (R,R)-N,N`-二(3,5-二叔丁基水楊基)-1,2-環(huán)己二胺的合成

稱取去離子水16mL，向其中加入2.5g碳酸鉀，待物料充分溶解后，將2.4g (R,R)-1,2-環(huán)己二胺-(+)-酒石酸鹽和1.5g無水乙醇加入到碳酸鉀溶液中，并將溫度升溫至78℃，使其全部溶解，得到混合溶液A；將4.3g 3,5-二叔丁基水楊醛溶解于2.3g無水乙醇中，得到溶液B；將B緩慢滴加至A溶液中，于78℃保溫2 h，再向其中滴加10g去離子水，繼續(xù)在78℃下保溫1 h后，冷卻至室溫，進(jìn)行過濾處理，并用熱水反復(fù)洗滌2次以上，烘干后得到黃色固體，即為(R,R)-N,N`-二(3,5-二叔丁基水楊基)-1,2-環(huán)己二胺。

1.2.3 (R,R)-N,N`-二(3,5-二叔丁基水楊基)-1,2-環(huán)己二胺合鈷的合成

將38g DMF投入到反應(yīng)器中，向其中加入5.8g (R,R)-N,N`-二(3,5-二叔丁基水楊基)-1,2-環(huán)己二胺，升溫至其全部溶解后，加入3.5g四水合醋酸鈷，升溫至110℃，保溫1.5小時后，向其中滴加30g去離子水，并保持溫度在100℃，保溫1h，將反應(yīng)液冷卻至室溫，用甲醇沖洗過濾得到紅色晶體，即為(R,R)-N,N`-二(3,5-二叔丁基水楊基)-1,2-環(huán)己二胺合鈷(單核(salen) Co催化劑)。

1.2.4 雙核及三核salen催化劑的合成

將0.30 g(0.0005 mo1)的單核(salen) Co催化劑溶解于100ml二氯甲烷中，然后分別加入AlCl3和ZnCl2，使單核(salen) Co催化劑與Lewis酸的摩爾比例分別為1∶0.5、1∶1、1∶1.5、1∶2、1∶2.5，在20℃下攪拌4小時，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去二氯甲烷即得到異核雙金屬salen催化劑，分別記為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)。以及異核三金屬salen催化劑，分別記為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催化劑的活性驗證——水解動力學(xué)拆分外消旋環(huán)氧氯丙烷

用分析天平精確稱取消旋的環(huán)氧氯丙烷260g放入三口燒瓶中，向其中投入1.3g篩選出來的催化劑，冰乙酸1g。連接導(dǎo)氣管并通入純凈的空氣，內(nèi)溫控制在3 ℃并維持2h，待內(nèi)溫穩(wěn)定后向燒瓶中加入66 g水，待水滴加完畢后將溫度控制在20 ℃，此后，持續(xù)攪拌反應(yīng)，待其R-環(huán)氧氯丙烷的殘留量小于0.3%時，即為合格，停止反應(yīng)，處理得到S-環(huán)氧氯丙烷。

2 結(jié)果與討論

2.1 紫外吸收光譜結(jié)果分析

首先，對制備得到的salen配體、單核(salen) Co催化劑以及異核雙金屬和三金屬salen催化劑進(jìn)行了紫外吸收光譜的測定，溶劑為二氯甲烷，掃描范圍200nm～550nm，結(jié)果見圖1。其中，圖1(a)為salen配體和單核(salen) Co催化劑的紫外譜圖，圖1(b)為不同摩爾比例異核雙金屬salen (Co-Al)催化劑的紫外吸收譜圖，圖1(c)為不同摩爾比例異核雙金屬salen (Co-Zn)催化劑的紫外吸收譜圖，圖1(d)為不同摩爾比例異核三金屬salen (Co-Al-Zn)催化劑紫外吸收譜圖。

圖1 不同salen催化劑的紫外吸收光譜圖Fig.1 Ultraviolet absorption spectra of different salen catalysts

由圖1(a)可知，salen配體的紫外吸收特征峰有三個，分別在228nm、261.5nm和329.5nm。而引入金屬Co后，特征吸收峰同樣有三個，分別在248.2nm、360nm和420nm，可以看出360nm和420nm處為salen Co(Ⅱ)的特征吸收峰，并且420nm左右的吸收峰可歸結(jié)于配位金屬 Co(Ⅱ)與salen配體的□-□*躍遷[11]。因此，我們可以將紫外光譜的譜圖分為兩部分進(jìn)行分析，其中200～330nm區(qū)間與配體的結(jié)構(gòu)和電子性能相關(guān)，而330～550nm區(qū)間與金屬離子Co和配體結(jié)構(gòu)的相互作用相關(guān)。根據(jù)這些信息，接下來我們將逐一對制備得到的異核雙金屬和三金屬salen催化劑的紫外光譜圖進(jìn)行系統(tǒng)地分析研究。

由圖1(b)可知，AlCl3的加入使得兩個區(qū)間的特征吸收峰都發(fā)生了明顯地變化，這說明我們采用的制備方法能夠很好的將Al融入到(salen) Co催化劑的結(jié)構(gòu)當(dāng)中。其中，200～330nm區(qū)間的特征吸收峰由原來的一個大而寬泛的峰變成了2～3個特征峰，這說明salen配體的結(jié)構(gòu)性能和電子性能因Al3+的引入發(fā)生了改變。從Al元素的電子排布(1s22s22p63s23p1)來看，外層的3s23p1電子容易失去變成Al3+，由于沒有d軌道或f軌道電子，Al與配體之間只可能發(fā)生電荷遷移躍遷或配位體內(nèi)電子躍遷。隨著AlCl3加入量的增加，在200～330nm區(qū)間的特征吸收峰逐漸由250nm附近的單峰裂變成了雙峰結(jié)構(gòu)。Al與salen配體的相互作用必然會影響到salen配體與Co的相互作用，而Co又是催化反應(yīng)的活性中心。從330～550nm區(qū)間的特征吸收峰來看，(salen) Co的特征吸收峰的強(qiáng)度呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的趨勢，其中salen (Co-Al)(1∶1)的峰強(qiáng)最高。由圖2可知，(salen) Co催化劑的濃度與360nm處吸收峰的強(qiáng)度呈線性相關(guān)，擬合值r2=0.99932，而(salen) Co催化劑的濃度又直接影響催化活性的強(qiáng)弱。由此可推測，這一系列salen (Co-Al)催化劑中，salen (Co-Al)(1∶1)的催化活性應(yīng)該是最高的，因此，我們選擇該催化劑進(jìn)行后續(xù)的活性驗證。

圖2 (salen) Co催化劑在360nm處的紫外吸收標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.2 Ultraviolet absorption curve of (salen) Co catalyst at 360nm

從圖1(c)中可以看出，ZnCl2的引入同樣對催化劑兩個波段的紫外吸收峰造成了強(qiáng)烈的影響。從Zn元素的電子排布(1s22s22p63s23p64s23d10)來看，外層的4s2電子容易失去變成Zn2+，和Al不一樣的是，Zn的外層有10個d電子，因此它和配體之間除了可以發(fā)生電荷遷移躍遷和配位體內(nèi)電子躍遷以外，還能發(fā)生金屬離子的d-d電子躍遷。也就是說，Zn和salen配體的相互作用強(qiáng)度要強(qiáng)于Al和salen配體的相互作用。由圖1(c)可知，和(salen) Co催化劑相比，異核雙金屬salen (Co-Zn)催化劑在200～330nm區(qū)間的特征吸收峰發(fā)生了明顯的變化，隨著ZnCl2加入量的增加，逐漸由一個寬泛的單峰(salen (Co-Zn)(1∶0.5))演變成了明顯的三峰(salen (Co-Zn)(1∶2.5))。同時，在330～550nm區(qū)間(salen) Co的特征吸收峰的強(qiáng)度則呈現(xiàn)先增加后減弱的趨勢，其中salen (Co-Zn)(1∶1)在360nm的吸收峰強(qiáng)度明顯高于其他樣品，而當(dāng)Co-Zn的比例進(jìn)一步增加至1∶2.5時，(salen) Co的特征吸收峰基本完全消失。由前面的推測可知，該峰的強(qiáng)弱與催化性能呈正比關(guān)系，因此，我們選擇salen (Co-Zn)(1∶1)催化劑進(jìn)行后續(xù)的活性驗證。

由于Al和Zn元素不同的電子排布使得其與salen配體發(fā)生的相互作用不同，從而使得體系中的Co與salen配體間的配位作用也發(fā)生了相應(yīng)的影響。從前面的分析可知，salen (Co-Al)(1∶1)和salen (Co-Zn)(1∶1)是我們選出的活性可能較優(yōu)的兩個催化劑，按此思路，我們又制備了salen (Co-Al-Zn)(1∶0.8∶0.2)和salen (Co-Al-Zn)(1∶0.75∶0.25)這三個異核三金屬salen催化劑，希望能夠通過兩種Lewis酸不同作用的調(diào)和，對最終得到的salen催化劑起到更加積極的作用，其紫外吸收光譜圖見圖1(d)。由圖可知，200～330nm和330～550nm兩個區(qū)間的紫外吸收譜圖與(salen) Co催化劑差異不大，但是隨著催化劑中Zn比例的增加，其紫外吸收峰的強(qiáng)度呈整體下降的趨勢。按照前面的推論來看，我們認(rèn)為 salen(Co-Al-Zn)(1∶0.8∶0.2)催化劑可能會表現(xiàn)出更優(yōu)異的催化性能。帶著這些思考，我們將進(jìn)行后續(xù)的催化劑活性驗證實驗。

2.2 催化性能結(jié)果分析

通過水解動力學(xué)拆分外消旋環(huán)氧氯丙烷得到高光學(xué)純度的手性環(huán)氧氯丙烷的實驗驗證了(salen) Co、salen (Co-Al)(1∶1)、salen (Co-Zn)(1∶1)和salen(Co-Al-Zn)(1∶0.8∶0.2)這4個催化劑的催化性能。其反應(yīng)液中S-環(huán)氧氯丙烷的含量隨反應(yīng)時間的變化情況如圖3。從第4個小時開始取樣監(jiān)控反應(yīng)情況，用手性色譜柱(gamma-DEX225)分析反應(yīng)液中S-環(huán)氧氯丙烷的變化情況。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)液中S-環(huán)氧氯丙烷的含量逐漸增加，而R-環(huán)氧氯丙烷的殘留量逐漸減少，當(dāng)反應(yīng)液中R-環(huán)氧氯丙烷<0.3%時，即為合格。表1列出了4種催化劑反應(yīng)至合格所用的時間。

圖3 添加不同催化劑的反應(yīng)液中S-環(huán)氧氯丙烷的含量隨反應(yīng)時間的變化圖Fig.3 The change of s-epichlorohydrin content in the reaction solution with different catalysts with reaction time

表1 不同salen催化劑反應(yīng)合格時間Table 1 Qualified reaction time of different salen catalysts

由圖3和表1可知，四種salen催化劑的催化活性強(qiáng)弱順序為：salen (Co-Al)(1∶1)> salen (Co-Zn)(1∶1)> salen(Co-Al-Zn)(1∶0.8∶0.2)>(salen) Co。可以發(fā)現(xiàn)改進(jìn)的異核雙金屬和三金屬salen催化劑均表現(xiàn)出了比傳統(tǒng)的單核 (salen) Co催化劑更加優(yōu)異的催化性能，其中，異核雙金屬salen (Co-Al)(1∶1)催化劑催化性能最優(yōu)，同樣條件下，當(dāng)反應(yīng)時間進(jìn)行到第13h，其反應(yīng)液中R-環(huán)氧氯丙烷的殘留量就只剩下0.17%。一方面，Al的引入比Zn的引入對催化劑的活性提高更為明顯，從前面紫外吸收光譜的結(jié)果可知，Zn對 (salen) Co的結(jié)構(gòu)性能和電子性能的影響要強(qiáng)于Al，尤其表現(xiàn)在200～330nm區(qū)間的特征吸收峰上，這在一定程度上可能起到了矯枉過正的作用；另外一方面，Al和Zn的同時加入并沒有起到進(jìn)一步提高催化性能的目的，這可能是由于在該制備條件下，二者沒有達(dá)到最佳的協(xié)同作用，而其中具體作用機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

圖4 四種salen催化劑反應(yīng)前后的紫外吸收光譜對比圖Fig.4 Ultraviolet absorption spectra of four salen catalysts before and after the reaction

我們將四種salen催化劑反應(yīng)進(jìn)行了回收處理，得到了如圖4所示的反應(yīng)前后的紫外吸收光譜對比圖，其中圖4(a-d)分別為(salen) Co、salen (Co-Al)(1∶1)、salen (Co-Zn)(1∶1)和salen(Co-Al-Zn)(1∶0.8∶0.2)催化劑反應(yīng)前后的對比圖。由圖可知，對于(salen) Co、salen (Co-Zn)(1∶1)和salen(Co-Al-Zn)(1∶0.8∶0.2)這三個催化劑來說，經(jīng)過水解反應(yīng)之后，其紫外吸收的特征峰強(qiáng)度都有不同程度的減弱，說明反應(yīng)過程對催化劑的結(jié)構(gòu)有一定的破壞作用。而salen (Co-Al)(1∶1)催化劑反應(yīng)前后的紫外吸收光譜圖基本沒有變化，這說明該催化劑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較強(qiáng)，可以進(jìn)行回收套用。

3 結(jié)論

本文在傳統(tǒng)單核(salen)Co催化劑的基礎(chǔ)上，加入篩選的Lewis酸(AlCl3和ZnCl2)制備得到一系列異核雙金屬及三金屬salen催化劑(salen (Co-Al)、salen (Co-Zn)和salen (Co-Al-Zn))。通過紫外吸收光譜圖分析和在不對稱水解動力學(xué)拆分外消旋環(huán)氧氯丙烷中催化性能的研究表明，Al和Zn的引入對(salen)Co催化劑的結(jié)構(gòu)性能和電子性能都有不同程度的影響，并且改良后的異核雙金屬及三金屬salen催化劑擁有更加優(yōu)異的催化活性，其中以salen (Co-Al)(1∶1)催化劑的活性最優(yōu)，并且反應(yīng)后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可進(jìn)行反復(fù)的回收利用。由于該制備方法簡單，有利于實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。