多相不對稱催化體系載體協(xié)同中的氫鍵作用

多相不對稱催化體系載體協(xié)同中的氫鍵作用多相不對稱催化可以環(huán)境友好的合成手性化合物,符合當(dāng)前綠色化學(xué)發(fā)展的趨勢。但多相化易帶來活性降低、不對稱選擇性下降甚至消旋等新問題,因此如何獲得高的不對稱選擇性成為多相不對稱催化領(lǐng)域需要重點解決的問題。限域效應(yīng)作為提高多相化后反應(yīng)不對稱選擇性的方法之一,逐漸受到人們的重視。但由于不對稱反應(yīng)中對映異構(gòu)體能量差值僅為15kJ/mol,與限域空間內(nèi)的弱相互作用,特別是氫鍵作用大小相近。因此載體和底物以及活性中心之間的多重氫鍵作用很容易導(dǎo)致對映異構(gòu)體過渡態(tài)能量差降低,甚至減小到零而發(fā)生消旋。本論文從前期實驗工作中觀察到的現(xiàn)象入手,以兩類具有限域結(jié)構(gòu)的材料為載體,綜合考慮電子因素和空間因素,研究了載體協(xié)同過程中氫鍵的重要作用以及對多相催化體系不對稱選擇性的影響；進(jìn)一步針對如何有效實現(xiàn)載體限域效應(yīng)做了深入探討,為實驗上設(shè)計更有效的多相不對稱催化材料提供理論依據(jù)。論文主要創(chuàng)新性研究內(nèi)容及結(jié)論如下：1、針對實驗觀察到的現(xiàn)象,以介孔材料的一維剛性孔道為載體,有機(jī)小分子9-硫脲表奎寧和氨基表奎寧為活性中心,通過改變限域空間尺寸調(diào)變了活性中心、底物和載體之間氫鍵作用,考察了氫鍵對限域效應(yīng)的影響。研究發(fā)現(xiàn),底物在進(jìn)攻過程中與載體形成了復(fù)雜的氫鍵作用網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)減小限域空間尺寸時,氫鍵網(wǎng)絡(luò)由簡單的兩齒作用向復(fù)雜的多齒作用轉(zhuǎn)變。當(dāng)兩個對映異構(gòu)體過渡態(tài)同時存在簡單和復(fù)雜兩種氫鍵作用網(wǎng)絡(luò)時,反應(yīng)過渡態(tài)的能量差值最大,表現(xiàn)出高的ee值。2、以對限域效應(yīng)敏感程度較好的9-硫脲表奎寧為活性中心進(jìn)一步擴(kuò)展底物,通過調(diào)變底物與活性中心的作用強度調(diào)控不同反應(yīng)體系不對稱選擇性對限域空間尺寸的敏感度。研究發(fā)現(xiàn),活性中心與底物之間的相互作用越強,多相化后載體對反應(yīng)的不對稱選擇性影響越小。當(dāng)載體孔徑與被活化的底物體積相匹配時,反應(yīng)可獲得最高的不對稱選擇性。3、針對實驗觀察到的現(xiàn)象,對利用二維水滑石層板修飾的氨基酸為配體釩催化不對稱烯丙醇環(huán)氧化反應(yīng)的多相催化機(jī)理進(jìn)行了理論模擬,探討了主體層板和多客體之間氫鍵作用提高不對稱選擇性的作用本質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn),水滑石修飾的氨基酸與釩配位后,除了氨基酸羧基氧與層板形成的氫鍵外,V=O也與層板形成了氫鍵。這個氫鍵作用增強了層板改性氨基酸結(jié)構(gòu)的剛性,抑制了以凸面進(jìn)攻的(2S,3S)過渡態(tài)的形成,提高了反應(yīng)的不對稱選擇性。計算結(jié)果表明,水滑石層板在反應(yīng)過程中起到類似巨型剛性取代基的作用,通過空間效應(yīng)和電子效應(yīng)協(xié)同提高了反應(yīng)的不對稱選擇性。擴(kuò)展到鋅催化的不對稱aldol反應(yīng),進(jìn)一步說明了水滑石層板在反應(yīng)過程中通過類取代基作用提高反應(yīng)不對稱選擇性。4、針對如何利用主體層板和多客體之間氫鍵作用有效設(shè)計多相手性催化材料,本論文對活性中心在層板上的分布位置進(jìn)行了調(diào)變。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)活性中心與層板邊緣的氨基酸配位時,由于層板的空間位阻比活性中心與層板中心氨基酸配位時小,因此,盡管層板與V=O之間的氫鍵由原來的1.80A被增強至1.70A,但層板與氨基酸羧基氧形成的兩個氫鍵由1.90和1.70A被明顯削弱至2.07和1.87A。氫鍵作用的減弱導(dǎo)致層板改性氨基酸的結(jié)構(gòu)剛性減小,層板對底物進(jìn)攻方向的限制減小,不論底物以凸面或凹面構(gòu)型進(jìn)攻對氨基酸及V=O與層板形成的氫鍵作用均無明顯破壞。對映異構(gòu)體過渡態(tài)之間的能量差值減小,導(dǎo)致ee值降低。5、為研究氫鍵作用強度對利用二維層板提高不對稱選擇性的影響,以對取代基作用敏感程度較好的鋅催化的不對稱aldol反應(yīng)為例,進(jìn)一步通過改變氨基酸配體(L-丙氨酸、L-絲氨酸、L-天冬氨酸)調(diào)變了層板與氨基酸、活性中心以及底物之間的主客體作用強度。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)以L-天冬氨酸為配體時,Zn中心與氨基酸及底物形成的配位作用最強,同時L-天冬氨酸、底物與層板之間形成的氫鍵數(shù)目也最多。強