專利名稱：使用金屬配合物的均相氧化催化作用的制作方法
相關(guān)申請的交叉引證不適用關(guān)于聯(lián)邦政府資助研究的說明本工作得到國立衛(wèi)生研究所基金的資助(5RO1GM55836)。美國政府享有本發(fā)明的一些權(quán)益。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及氧化催化劑和催化作用的領(lǐng)域。更具體地說，本發(fā)明涉及用于烯烴氧化，尤其是烯烴的對映異構(gòu)選擇性氧化的催化劑領(lǐng)域。
反應(yīng)選擇性，包括化學選擇性、區(qū)域選擇性和立體選擇性，在化學和生物學中都具有頭等的重要性。不同官能團，諸如醇、酮、醛、羧酸及其它化合物之中或之間反應(yīng)的選擇性稱之為化學選擇性。區(qū)域選擇性指的是一種取向或區(qū)域異構(gòu)體對任何其它因反應(yīng)而被改變的底物中可能產(chǎn)生或消失的取向或異構(gòu)體的優(yōu)先選擇性。立體選擇性的概念包含非對映異構(gòu)選擇性(具有相同聯(lián)結(jié)但有著不能重合的非鏡象的兩種化合物的非對映異構(gòu)體之中的選擇性)和對映異構(gòu)選擇性(具有相同連接且有著能夠重合的鏡象的兩種化合物的兩種可能對映異構(gòu)體之間的選擇性)。例如，在各種藥物的生產(chǎn)中，人們已經(jīng)認識到災(zāi)難性的后果，即一種對映體具有有益的性質(zhì)而另一種對映體卻是有害的。為了達到所需的選擇性程度和類型，化學家們采用了幾乎涵蓋整個周期表的一系列化學試劑，從所有能夠達到的地方收集各種化學元素。在Jacobsen等人的美國專利5,637,739中公開了采用手性過渡金屬催化劑使前手性烯烴產(chǎn)生對映異構(gòu)選擇性環(huán)氧化并使前手性硫化物產(chǎn)生對映異構(gòu)氧化的若干方法。
相比之下，自然界卻利用了每一當?shù)丨h(huán)境中所能得到的相當少量的元素并在有限的溶劑來源和可能達到的溫度條件下利用這些元素去實踐其精巧的生命化學。自然界通過完成試劑的設(shè)計和似乎無限精巧的體系的相互連接，成功地達到其選擇性的目的；而且通過這種設(shè)計上的復(fù)雜性，自然界能夠利用少數(shù)的化學元素在廣泛的范圍內(nèi)發(fā)揮結(jié)構(gòu)和功能作用，這要比化學家們?yōu)榱送瑯幽康乃_到的作用范圍廣泛得多。在這種關(guān)鍵性的差異中，一個根本的原因在于對環(huán)境的嚴重破壞，這要歸咎于化學，當然是歸咎于缺乏適當思考或恰當關(guān)心而實踐的工業(yè)化學。在通過采用各種各樣化學元素以達到選擇性目的方面，化學家們已經(jīng)能夠在相當簡單的設(shè)計范圍內(nèi)有所作為。在這過程中，各種生物會遇到不熟悉的因而常常是有毒的化學元素。而能使低毒性過渡元素如錳和鐵的反應(yīng)性范圍擴展的那些優(yōu)選的試劑則會引導(dǎo)產(chǎn)生出對環(huán)境保護而言比現(xiàn)有方法更為理想的各種方法。
致力于設(shè)計耐氧化的螯合配體以支持激活過氧化物的錳和鐵的催化劑的工作，在T.J.Collins的《化學研究報道》27，279～285頁(1994)和F.C.Anson等人的《美國化學會會志》106，4460～4472頁(1984)中均有報道。一種特別耐用的四齒配體在T.Collins等人的共同未決美國專利申請系列08/681,237號的題為“長壽命均相氧化催化劑”一文中已作了公開，該公開內(nèi)容現(xiàn)并入本文作為參考。第一個穩(wěn)定的錳基即MnV一氧合配合物的開發(fā)，在T.J.Collins、S.W.Gordon-Wylie的《美國化學會會志》111，4511～13頁(1989)和T.J.Collins，R.D.Powell，C.Slebodnick，E.S.Uffelman的《美國化學會會志》112，899～901(1990)中均有報道；在后一篇文章中所述的配合物在水環(huán)境中也是穩(wěn)定的。雖然上述1989和1990年Collins等人發(fā)表在《美國化學會會志》上的文章所述的大環(huán)四酰胺配體當與氧化的金屬離子配位時是穩(wěn)定的，但這些配體-金屬配合物及其同系物并不是高活性的氧原子轉(zhuǎn)移試劑。這與使用雙陰離子卟啉和雙席夫堿(Salen)四齒配位體的體系形成對比，后者MnV和MnIV-氧合配合物在各種氧原子轉(zhuǎn)移過程中起著所謂的活潑中間體的作用。請參閱E.Srinivasan，P.Michaud，J.K.Kochi，《美國化學會會志》108，2309-2320(1986)；J.T.Groves，M.K.Stern，《美國化學會會志》110，8628-8638(1988)；W.Zhang，J.L.Loebach，S.R.Wilson，E.N.Jacobsen，《美國化學會會志》112，2801-2803(1990)。
發(fā)明概述有理由相信，先前的四酰胺MnV-氧合配合物的低活性歸因于四酰胺配體較之卟啉或雙席夫堿配體具有更高的負電荷和σ-給電子能力。本發(fā)明使用一種新的耐氧化和耐水解的過渡金屬配合物，其中含有如鐵或錳一類的金屬，在活化態(tài)時，該氧合配體物種在氧原子轉(zhuǎn)移變成有機親核體的反應(yīng)中是活潑的。重要的是，本發(fā)明的體系還使用了第二種反應(yīng)以增強氧合配體的親電子性。路易斯酸物種的連接常常是在修飾的四齒配體的金屬-氧合部分的緊鄰處以正電荷離子形式傳遞有目標的增加O-親電子性并由此產(chǎn)生有效的金屬基O-原子轉(zhuǎn)移試劑，正如用于表示本發(fā)明催化劑的一個實施方案的

圖1中用圖解方式所表明的那樣。
本發(fā)明提供了一種使氧原子轉(zhuǎn)移到含多個可氧化活性點的靶化合物中的至少一個可氧化活性點上去的方法，或者說，提供了一種使氧原子轉(zhuǎn)移到前手性化合物物種的可氧化的活性點上去的方法。此處所用的術(shù)語“可氧化的”指的是將要接受氧原子的任何活性點，例如烯烴或炔基活性點，以及受到由本發(fā)明提供的氧化催化體系所產(chǎn)生的另一種氧化形式支配的活性點。有關(guān)含有多個可氧化活性點的化合物的情況將進行詳盡解釋。前手性化合物物種氧化生成手性化合物的過程是類似的，所不同的是只需要存在一個可氧化的活性點且催化劑體系必須是具有手性的。所說的方法包含向含其中具有多個可氧化活性點的靶化合物的溶液中加入氧原子源、路易斯酸物種源(最常用的為陽離子物種)以及具有如下結(jié)構(gòu)的催化劑
式中Z是N或O，且至少一個而優(yōu)選的為四個Z都是N物種；MO是過渡金屬-氧合物種Ch1是選自吡啶，嘧啶，吡嗪，二氰基吡嗪，單-、雙、三或四取代苯，苯并咪唑，苯醌，雙亞氨基取代苯，吲哚，取代的冠衍生物，穴狀配體，EDTA衍生物，五元環(huán)和五元環(huán)衍生物，卟啉衍生物，金屬取代的酞菁基體系，雙吡啶基體系，菲咯啉基體系和雙席夫堿(salen)基體系；Ch2和Ch3各自表示連結(jié)相鄰Z原子的結(jié)構(gòu)如下的單元
上式中R1、R2、R3和R4是成對的且累積的相同或不同的基團，而每個基團都選自氫、烷基、芳基、鏈烯基、炔基、烷芳基、環(huán)烷基、環(huán)烯基、烷氧基、苯氧基、鹵素、氟代烷基、全氟代烷基、氟代鏈烯基、全氟代鏈烯基、CH2CF3、和CF3，或者R1、R2、R3和R4一起構(gòu)成取代的或未取代的苯環(huán)，或者R1、R2或R3、R4這兩對的成對的R取代基一起構(gòu)成環(huán)烷基或環(huán)烯基這些基團；以及Ch4為連接相鄰Z原子的選自以下基團之一的單元
式中R5和R6是相同的或不同的，成環(huán)的或非成環(huán)的，且各自為氫、酮、醛、羧酸、酯、醚、胺、亞胺、酰胺、硝基、磺?；?、硫酸根、磷?；⒘姿岣?、甲硅烷基、硅氧烷、烷基、芳基、鏈烯基、炔基、烷芳基、環(huán)烷基、環(huán)烯基、烷氧基、苯氧基、鹵素、CH2CF3或CF3，或者R5、R6對的成對R取代基一起構(gòu)成環(huán)烷基或環(huán)烯基環(huán)這些基團；而且要使氧化反應(yīng)時間進行足夠久的時間以便使靶化合物中所需要的可氧化活性點產(chǎn)生氧化作用。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，路易斯酸包括陽離子的、中性的和陰離子的化學物種。本文中之所以采用“陽離子催化劑配合物”這一術(shù)語，意在涵蓋采用所有這類化學物種作為鍵合于催化劑上并改變其活性的實體，而并非僅限于陽離子類。
金屬類離子系指任何的路易斯酸物種，例如質(zhì)子、堿金屬、堿土金屬、稀土金屬、過渡金屬或主族金屬的離子。
在使用上述催化劑的一個優(yōu)選方法中，在靶化合物中的多個可氧化活性點的相對活性是彼此不同的，且所選擇的加入到溶液中的陽離子要能選擇性地激活催化劑以便氧化靶化合物上的一個可氧化活性點。因此，本發(fā)明的方法包括如下若干步驟識別靶化合物上的一系列可氧化的活性點；識別有著依次不同活性的該系列活性點中的每一個可氧化的活性點，其排列順序是從該系列可氧化活性點中具有最高相對活性的那批起始的可氧化活性點至該系列活性點中具有最低相對活性的那批最終的可氧化活性點；向該溶液中加入第一種陽離子以激活催化劑，從而生成具有足以使所需的第一批可氧化活性點產(chǎn)生氧化作用的第一活性度的第一種陽離子-催化劑配合物，這樣就使得在該系列可氧化活性點中的第二批可氧化活性點繼而在靶化合物的一系列活性點的余下的可氧化活性點中具有最高的相對活性。在每一個可利用的起始可氧化活性點被氧化之后，就從該溶液中任選將第一種陽離子除去。此后，向該溶液中再加入第二種陽離子以激活催化劑從而生成第二種陽離子-催化劑配合物，該第二種陽離子-催化劑配合物具有的活性度足以使靶化合物上的第二批可氧化活性點產(chǎn)生氧化作用，且要使該氧化反應(yīng)進行充分時間以便使該靶化合物上的每一個第二批可氧化活性點都被氧化，這樣就使得該靶化合物上的一系列可氧化活性點中的下一批可氧化活性點在該系列活性點的余下的可氧化活性點中具有最高的相對活性。氧化完成后，從該溶液中任選除去該第二種陽離子。重復(fù)上述步驟向該溶液中加入陽離子，使氧化反應(yīng)繼續(xù)進行，然后任選從溶液中除去陽離子，相繼每次向該溶液中加入陽離子所生成的陽離子-催化劑絡(luò)合物的活性都逐漸增高以便使得在該系列可氧化活性點中的各可氧化活性點都依次被氧化，這樣一直進行到每一個最后可氧化活性點被氧化為止。在陽離子與催化劑的次活性點或多個活性點生成強化學鍵的情況下，就不要求除去陽離子和陽離子-催化劑配合物。此外，如果不需要除去陽離子也能使后續(xù)加入的陽離子對催化劑產(chǎn)生激活作用，那么除去陽離子也就不必要了。
所說的方法還可包括使靶化合物上的至少一個前手性的可氧化活性點產(chǎn)生對映異構(gòu)選擇性氧化，這類靶化合物可能只有一個可氧化的活性點。在對映異構(gòu)選擇性氧化中所用的催化劑或陽離子-催化劑配合物包括使配合物產(chǎn)生不對稱性的取代基，這樣，當與靶化合物上的前手性可氧化活性點反應(yīng)時，陽離子-催化劑配合物就有利于相對其它對映異構(gòu)體而言的其中一種異構(gòu)體的生成，或者，在底物已具有手性的情況下，該配合物有利于各種非對映異構(gòu)變體中的選擇作用。所說的方法在動力學分辨應(yīng)用中還能起作用，在這種應(yīng)用中，混合物中的成對對映異構(gòu)體中的一個異構(gòu)體能被選擇性地從混合物中識別出來。
附圖簡述參照附圖可以更好地理解本發(fā)明，附圖中包括標題“化合物1”和[LMnV≡O(shè)]-，兩者作為圖1優(yōu)選實施方案的可互用的“術(shù)語”。
圖1是催化反應(yīng)循環(huán)的圖解表達，有理由相信本發(fā)明的開關(guān)式氧化反應(yīng)是按照這種方式進行的。
圖2是化合物1的分子結(jié)構(gòu)所繪制的含非氫原子的立體晶體學結(jié)構(gòu)(ORTEP)圖包含50％的電子密度，其中Mn原子位于平面上方0.579并朝向氧合原子，配位氧原子對稱地處于錳的上方。選定的部分鍵長〔?！矼n-O(1)，1.549(3)；Mn-N(1)，1.884(4)；Mn-N(2)，1.873(3)；Mn-N(3)，1.881(3)；Mn-N(4)，1.885(3)。
圖3A和3B說明在A)中，顯示化合物1的紫外/可見光譜(9.71×10-5M，3m1樣品量)，其中加入Li(OSO2CF3)溶于乙腈的等分溶液試樣(開始加入量中在2μl中含0.06微摩爾)；在B)中，顯示經(jīng)稀釋校正后的摩爾比曲線。
圖4表示化合物1的紅外光譜(聚乙烯薄膜)圖(細線)和鋰化的化合物1的紅外光譜圖(粗線)，后者表明在與開關(guān)活性點的鋰化相關(guān)的ν(Mn≡18O)譜帶增加了15cm-1。Li+的鍵合引起大環(huán)四酰氨基-N配體給電子能力的顯著下降，這種下降又被氧合配體結(jié)合能的增高所補償。
圖5A和5B表示，在A)中顯示在三苯基膦和不同開關(guān)離子的存在下化合物1在396nm處紫外/可見光吸收的變化速率。歸一化的觀察速率常數(shù)實驗序號，陽離子當量數(shù)，陽離子，相對速率±三次實驗最小標準偏差1.無陽離子，0，1；2a，5，Na+，2.7±0.1；3a，5，Ba2+，4.8±0.5；3b，60，Ba2+，5.7±0.1；4a，5，Mg2+，7.0±0.4；4b，60，Mg2+，7.2±0.8；5a，5，Li+，13.5±2.0；6a，5，Zn2+，24.5±1；6b，60，Zn2+，24.1±0.8；5b，60Li+，25.0±0.5；2b，60，Na+，506.4±7.0；7a，5，Sc3+，1246.0±206.1；7b，60，Sc3+，1577.6±290.0；在B)中顯示時間標度的放大，用以說明最快的氧化速率。
圖6用圖解法說明配體的合成方法。
圖7用圖解法說明金屬如錳的插入反應(yīng)。
圖8為化學物種[LMnV≡O(shè)]-的1H NMR的波譜圖。由于存在吡啶-N和Mn(O)而產(chǎn)生的低對稱性在四個甲基共振cc′dd′的共振吸收觀察中反映出來。
圖9A和B說明對于在不同摩爾當量Na+的條件下鍵合于[LMnV≡O(shè)]-上的Na+的紫外/可見光譜的研究，0.0(用較長的虛線———表示)，25(用較短的虛線----表示)和60(用最黑的實線表示)。摩爾比曲線指明有兩種鍵合過程存在。其中一種過程是Na+鍵合進開關(guān)點而另一鍵合過程相信是發(fā)生在酰胺氧原子之一上的。
圖10A，B，C和D說明對于在不同摩爾當量Zn2+的條件下鍵合于[LMnV≡O(shè)]-上的Zn2+的紫外/可見光譜的研究，0.0(用較長虛線---表示)，0.23(用較短的虛線----表示)和0.69(用最黑的實線表示)。
圖11A，B，C和D說明對于在不同摩爾當量Mg2+的條件下鍵合于[LMnV≡O(shè)]-上的Mg2+的紫外/可見光譜的研究，0.0用較長虛線表示，0.30用較短虛線表示和1.06用最黑的實線表示。
圖12A和B說明對于在不同摩爾當量Ca2+的條件下鍵合于[LMnV≡O(shè)]-上的Ca2+的紫外/可見光譜的研究。
圖13A和B說明對于在不同摩爾當量Ba2+的條件下鍵合于[LMnV≡O(shè)]-上的Ba2+的紫外/可見光譜的研究。
圖14A和B說明對于在不同摩爾當量Sc3+的條件下鍵合于[LMnV≡O(shè)]-上的Sc3+的紫外/可見光譜的研究。但是，Sc3+的配合物鍵合行為表明只需要一個當量就到達終點。
圖15A～F說明用13C-NMR監(jiān)測[LMnV≡O(shè)]-和四甲基乙烯的O原子反應(yīng)活性的研究；用逐漸由淺變深的軌跡線表示碳產(chǎn)物共振吸收隨時間的增長。
優(yōu)選實施方案詳述本發(fā)明方法中所用的催化劑的優(yōu)選實施方案是對化學“綠色化”的貢獻，其依據(jù)的原則是試劑應(yīng)由低毒性元素組成。在綠色設(shè)計中，認為是重要的那些元素如下所述。最好，所說金屬是低毒性元素之一，即鐵或錳。支撐的配體體系最好由碳、氫、氮、氧和其它生物學上常見元素所組成。最好，主要的氧化劑是一種在自然界中廣泛存在的氧化劑，例如氧或其被還原的衍生物之一，尤其是過氧化氫。這一推論為推進配體設(shè)計提供了一個重要的環(huán)境保護的案例，這種配體設(shè)計旨在為范圍寬廣的均相氧化反應(yīng)提供激活過氧化物和氧的無毒性、長壽命的鐵和錳一類的催化劑。
所發(fā)現(xiàn)的可用于本發(fā)明方法的這類催化劑具有如下通式的結(jié)構(gòu)
式中Z是N或O且至少一個Z而最好四個Z都是N；MO是過渡金屬-氧合物種；Ch1是選自吡啶，嘧啶，吡嗪，二氰基吡嗪，單-、雙、三或四取代苯，苯并咪唑，苯醌，雙亞氨基取代苯，吲哚，取代的冠衍生物，穴狀配體，EDTA衍生物，五元環(huán)和五元環(huán)衍生物，卟啉衍生物，金屬取代的酞菁基體系，雙吡啶基體系，菲咯啉基體系和雙席夫堿(salen)基體系，按照如本文表I所列的這類取代基的表示方式；Ch2和Ch3各自表示連結(jié)相鄰Z原子的結(jié)構(gòu)如下的單元
上式中R1、R2、R3和R4是成對的且累積的相同或不同的基團，而每個基團都選自烷基、芳基、鏈烯基、炔基、烷芳基、環(huán)烷基、環(huán)烯基、烷氧基、苯氧基、鹵素、CH2CF3、和CF3，或者R1、R2、R3和R4一起構(gòu)成取代的或未取代的苯環(huán)，或者R1、R2或R3、R4這兩對的成對的R取代基一起構(gòu)成環(huán)烷基或環(huán)烯基這些基團；以及Ch4為連接相鄰Z原子的選自以下基團之一的單元
式中R5和R6是相同的或不同的，成環(huán)的或非成環(huán)的，且各自為氫、酮、醛、羧酸、酯、醚、胺、亞胺、酰胺、硝基、磺?；⒘蛩岣?、磷?；?、磷酸根、甲硅烷基、硅氧烷、烷基、芳基、鏈烯基、炔基、烷芳基、環(huán)烷基、環(huán)烯基、烷氧基、苯氧基、鹵素、CH2CF3或CF3，或者R5、R6對的成對R取代基一起構(gòu)成環(huán)烷基或環(huán)烯基環(huán)這些基團。
所說催化劑的一個優(yōu)選實施方案為如圖1所示的四酰氨基配體，本文中表示為化合物1。在本發(fā)明方法中所用的催化劑含有雙齒次級活性點，在化合物1中該活性點系由吡啶氮和相鄰酰胺氧構(gòu)成。鍵合次級離子的電子作用是通過σ和π相結(jié)合的微擾作用傳遞到Mn(O)部分的。這種鍵合作用增強了氧合配體的電子親合性，由此增強了配體氧原子的轉(zhuǎn)移活性。這種次級鍵合在本文中稱之為“開關(guān)”作用，通過這種作用及時地安排次級反應(yīng)以引發(fā)主反應(yīng)的進行，從而以可接受的速率傳遞中靶的反應(yīng)活性和選擇性。
在本發(fā)明的方法中，開關(guān)過程被用于激活化合物1，這樣就能在方便的時間范圍內(nèi)完成有用的氧化反應(yīng)。通過控制鍵合于次級活性點的路易斯酸或陽離子，就可以控制催化劑的相對活性。采用這種技術(shù)，正如以下將要更細述的那樣，就可以對具有多個可能氧化活性點的較大化合物中所需活性點的氧化反應(yīng)的化學選擇性和區(qū)域選擇性以及反應(yīng)順序加以控制。此外，向所需前手性活性點導(dǎo)入手性也可加以控制，通過合成方法修飾催化劑活性點周圍的環(huán)境以導(dǎo)入不對稱性或者通過聯(lián)于開關(guān)陽離子的基團將不對稱性帶進陽離子催化劑配合物中去?？梢愿淖兣浜衔锏拇笮『托螤钍怪欣谂c所需氧化活性點如烯烴的一側(cè)較之另一側(cè)更加優(yōu)先的接觸。
陽離子配體(L)-金屬(M)-氧合(O)-化學物種{[LM＝O]+}已被用作類似于本發(fā)明的那些金屬催化烯烴氧化反應(yīng)中的活潑氧化劑，通常按以下方式進行[LM]++[O]→{[LM＝O]+}+烯烴→[LM]++環(huán)氧化合物(或其它氧化產(chǎn)物)大環(huán)四酰氨
提供了穩(wěn)定的陰離子[LM≡O(shè)]-化學物種，例如[LMnV≡O(shè)]-。這些陰離子錳基化學物種作為O-原子轉(zhuǎn)移劑不是非常活潑的。改變陰離子化學物種以提供中性的或陽離子的化學物種，發(fā)現(xiàn)這樣做能夠增強錳化學物種在氧化反應(yīng)中的催化能力。在本發(fā)明的一種方法中，將雙齒次級離子鍵合點加入到下式結(jié)構(gòu)的大環(huán)中
能夠調(diào)節(jié)電荷、改善酰胺的給電子能力并改變鍵合于金屬的軸向配體的動力學和熱力學。所說的[LMnV≡O(shè)]-配合物用有代表性的堿、堿土或過渡金屬陽離子的三氟甲磺酸-[SO3CF3]鹽(Triflate)進行滴定。采用紫外/可見光譜對發(fā)生的變化進行跟蹤。繪制出摩爾比曲線并加以解析以便理解成鍵過程。圖3是使用Li+作為陽離子顯示的一個例子，其中K＝9.0×104～1.2×105，pK＝4.95～5.08。摩爾比曲線表明只存在一種成鍵過程。
在紫外/可見光譜中MnV譜帶的變化也用Na+、Zn2+、Mg2+、Ca2+、Ba2+和Sc3+進行監(jiān)測。參見圖9～14。含過渡金屬離子Ru和Rh的陽離子催化劑配合物已經(jīng)制備出來并成功地實現(xiàn)了催化氧化。
如圖5所示，在初始的試驗性反應(yīng)中，使[LMnV≡O(shè)]-開關(guān)配合物在不存在和存在開關(guān)離子條件下與PPh3反應(yīng)以制成Ph3P＝O。監(jiān)測到了紫外/可見光譜中MnV譜帶的衰減。
試驗結(jié)果證明，開關(guān)離子的存在顯著增強了O-原子的轉(zhuǎn)移活性。通過選擇次級離子可以控制反應(yīng)速率。成功地使O-原子催化轉(zhuǎn)移到四甲基乙烯(見圖15)上同時又能通過選擇性地控制次級離子達到控制反應(yīng)速率的目的，這證明了本發(fā)明的氧化催化劑對于包括烯烴在內(nèi)的各種底物的氧化作用是有用的。
參見圖15，例如，本發(fā)明的選擇性氧化法可以按照如下方式進行將氧合催化劑[LMnV≡O(shè)]-和一種所需的堿、堿土或過渡金屬陽離子源、主族金屬離子及一種氧原子源如過氧化物或氧化劑，在室溫下，在含溶劑和具有多個烯烴活性點的靶化合物的溶液中進行混合。如果需要使反應(yīng)以可接受的速率進行，可以加熱該溶液。該反應(yīng)會在一個最活潑的烯烴活性點或幾個活性點以及陽離子-催化劑配合物活性將要接納的任何其它活性點產(chǎn)生氧化反應(yīng)。-+開關(guān)或陽離子+烯烴或靶化合物+[O]→在一個或多個選定的烯烴活性點的氧化產(chǎn)物或環(huán)氧化合物。
一個特定的反應(yīng)示于圖15中。
為了控制反應(yīng)使得只有一個活性點或只有那些具有一定活性的活性點被氧化，所用的第一種陽離子應(yīng)是那種產(chǎn)生具有最低活性陽離子-催化劑配合物的陽離子。在與陽離子鍵合時所生成的這種具有最低活性的陽離子-催化劑配合物將只會對底物或靶化合物上最活潑的烯烴活性點進行氧化。按照這種方式，通過從結(jié)合于產(chǎn)生活性最低的陽離子-催化劑配合物[LM(O)]-的氧合-四酰氨基配體的次級鍵合點的陽離子開始并一直進行到活性最高的陽離子-催化劑配合物為止的催化作用，使得從活性最高到活性最低的一系列烯烴活性點都分別被氧化。對于含有多個烯烴活性點a，b，c，d，e，f，g等的靶化合物來說通常依次將產(chǎn)生活性最低的陽離子-催化劑配合物的第一種陽離子源加入到上述反應(yīng)混合物中。該陽離子將鍵合于氧合催化劑的次級鍵合點上。該陽離子-催化劑配合物將引發(fā)靶化合物上活性最高的烯烴活性點即第一個烯烴活性點a的氧化反應(yīng)。反應(yīng)隨即停止，且如必要，可任選除去第一種陽離子。然后向該反應(yīng)混合物中加入第二種陽離子源且該陽離子鍵合于氧合催化劑的次級鍵合點上，隨即引發(fā)靶化合物上余下的活性最高的烯烴活性點。即第二個烯烴活性點b的氧化反應(yīng)(原先存在的活性最高的活性點已經(jīng)先被氧化了)。然后，如必要，從該反應(yīng)混合物中除去第二種陽離子并加入第三種陽離子以便與氧合催化劑的次級鍵合點鍵合，在此，該催化劑將引發(fā)靶化合物上余下的最活潑烯烴活性點、即第三個烯烴活性點c的氧化反應(yīng)。該過程能夠繼續(xù)進行下去，依次使靶化合物上不同的烯烴活性點d、e、f、g等產(chǎn)生氧化。采用某種受到溫度因素控制的陽離子也可以獲得一系列不同的活性。因此，陽離子/催化劑配合物在選定的溫度下使活性最低的活性點產(chǎn)生氧化，使得只有這個點才發(fā)生反應(yīng)。當升高溫度時，可以找到某一溫度條件，在此溫度下兩個活性最高的活性點與其它的活性點相比較會產(chǎn)生選擇性反應(yīng)，如此等等。以上所述是化學選擇性的例子。在一種由若干個不相同的烯烴構(gòu)成的化合物中或在同一化合物中含有由若干個相同烯烴和若干個不相同烯烴分別構(gòu)成的若干烯烴簇的情況下，則若干個烯烴之一或若干個烯烴簇之一將比其它烯烴或烯烴簇更為活潑。每一種烯烴或烯烴簇的活性有些不同。由于已經(jīng)知道與烯烴活性點雙鍵相鄰的或聯(lián)結(jié)于該雙鍵上的各種官能團具有不同活性，所以通過控制可以做到對一個官能團上的氧化反應(yīng)的選擇要比對另一官能團上的氧化反應(yīng)更為優(yōu)先。氧合催化劑的活性也可以通過將金屬離子M變?yōu)榱硪贿^渡金屬的辦法加以控制。例如，在這類催化劑體系中鐵的活性要比錳的活性大得多。對于要求溫和氧化的體系而言，錳是優(yōu)選的。
開關(guān)催化劑對于向前手性底物中引入不對稱性是有用處的。與靶化合物上的前手性活性點有關(guān)的對映異構(gòu)選擇性可以通過在陽離子-配合物中存在的不對稱性加以控制。催化劑上的氧原子轉(zhuǎn)移點必須能夠觸及烯烴或靶化合物的其它可氧化的前手性活性點。在氧合催化劑中能夠建起手性或者通過開關(guān)陽離子和聯(lián)于其上的基團將手性帶進該氧合催化劑中。通過選擇催化劑上的取代基就可以控制催化劑的大小、形狀和手性特征。各種取代基的許多變化及這些取代基的制備方法在以上引述的Collins等人的專利申請(并入本文)和在S.Gorden-Wylie等人題為“大環(huán)四酰氨基N-配體”的共同未決美國專利申請系列號08/681，187中均已公開，后者的有關(guān)部分并入本文作為參考。類似地，靶化合物的大小和形狀及靶化合物上功能團的位置，尤其是最靠近雙鍵的那些功能團將控制著催化劑能夠接近烯烴雙鍵的哪一端以便使氧原子轉(zhuǎn)移到烯烴上，即使得烯烴的活性點產(chǎn)生氧化。在一種對映異構(gòu)體相對于也許本應(yīng)產(chǎn)生或消失的其它對映異構(gòu)體而優(yōu)先產(chǎn)生或消失的情況下，選擇性也就發(fā)生了。盡管從市場上已能購得具有對映異構(gòu)選擇性的催化劑，但最佳的氧化催化劑的循環(huán)使用次數(shù)僅限于10～20次?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的催化劑體系具有非常長的壽命，而且在氧化動力源、尤其是氧或其還原衍生物之一的存在下，與市售催化劑相比，其表現(xiàn)出的再生次數(shù)要多出不知多少倍。
本發(fā)明的催化劑體系還可通過使硫化合物氧原子從開關(guān)催化劑轉(zhuǎn)移到有機或無機底物上去的途徑以誘導(dǎo)手性。例如，一種前手性磷化合物可在磷?；蛄蛏媳谎趸?，從而生成手性化學物種。
圖1所示的吡啶取代的大環(huán)(化合物1)可采取在以上引用且并入本文的S.Gordon-Wylie等人的共懸未決美國專利申請系列號08/681,187中所公開的制備大環(huán)四酰胺的多步法進行合成。不含吡啶基的母體配合物在T.J.Collins，R.D.Powell，C.Slebodnick，E.S.Uffelman的《美國化學會會志》113，8419-8425(1991)中已有報道。
四齒配體的合成一般按照如下方法進行。第一步，將氨基羧酸、優(yōu)選α或β氨基羧酸溶解于載體溶劑中并與選自草酸鹽和丙二酸鹽(諸如堿存在下的丙二酰氯)中的一種活化的衍生物一起加熱以制成中間體。在完成選擇性的雙偶合反應(yīng)之后，將含二酰胺二羧基的中間體分離出來。第二步，在溶劑和偶合劑存在下，向該中間體中加入二胺。該二胺是一種能提供次級鍵合點的二胺，例如選自如表I中所列的吡啶、嘧啶、吡嗪二氰基吡嗪、單或雙取代的苯、苯并咪唑、吲哚、取代的冠衍生物、穴狀配體、EDTA衍生物、五元環(huán)類化合物和五元環(huán)衍生物、卟啉衍生物、金屬配位的酞菁基體系、雙吡啶基體系、啡咯啉基體系和雙席夫堿體系的這些二胺。偶合劑優(yōu)選的是鹵化磷化合物或新戊酰氯。將制得的混合物加熱并使反應(yīng)進行足夠長時間以生成大環(huán)四齒化合物，當用吡啶作溶劑時往往要回流48～72小時。通常使用化學計量的反應(yīng)試劑。
氨基羧酸上的取代基、活化的草酸鹽或丙二酸鹽衍生物以及二胺類化合物全都可進行選擇性地變化，這樣就能使制得的四齒大環(huán)化合物滿足特定的最終用途的需要。取代基的改變對于合成方法學來說幾乎沒有或沒有影響。
當制得大環(huán)配體后，就用金屬離子與其進行配位反應(yīng)，金屬離子優(yōu)選的為元素周期表中的第六族(Cr、Mo、W)、第七族(Mn、Tc、Re)、第八族(Fe、Ru、Os)、第九族(Co、Rh、Ir)、第十族(Ni、Pd、Pt)和第十一族(Cu、Ag、Au)的過渡金屬離子或具有I、II、III、IV、V、VI、VII或VIII氧化態(tài)的那些金屬離子。因為本發(fā)明優(yōu)選使用的催化劑體系是在環(huán)境中能起充分氧化作用的，所以無毒性的那些金屬是優(yōu)選的，而錳和鐵離子則是最優(yōu)選的。
如果將所制得的金屬配合物隨后與強的氧原子轉(zhuǎn)移氧化劑，優(yōu)選者為過氧化物，諸如過氧化氫、叔丁基過氧化物或枯基過氧化物等混合，則生成配體金屬氧合配合物。任何氧原子源均可使用。
對于金屬為鐵時的那種特別經(jīng)久耐用的氧化催化劑而言，Ch4具有如下通式結(jié)構(gòu)
式中Z是與金屬配位的原子，優(yōu)選為N；當金屬配合物處于氧化介質(zhì)中時，X是抗氧化的功能基；及R′和R″是相同的或不同的，且各選自這樣一類取代基，即該類取代基是不活潑的，在R′與R″中能形成分子內(nèi)的強鍵并與R′和R ″所鍵合的大環(huán)碳原子能形成強鍵；該類取代基是立體位阻和構(gòu)象位阻的，這樣，在氧化介質(zhì)的存在下該金屬配合物的氧化衰減就會受到抑制。
X優(yōu)選為氧或NRs，其Rs是甲基、苯基、羥基、烴氧基、CF3和CH2CF3。R′和R″各自優(yōu)選氫、甲基、鹵素、CF3；而如果兩者是成環(huán)的，則優(yōu)選諸如環(huán)戊基、環(huán)丁基、環(huán)己基或環(huán)丙基一類的環(huán)烷基。
另外，當處于較溫和的氧化環(huán)境中時，例如當金屬是錳時，R′和R″可以是以上對Ch4所定義的基團中的任何一種基團或者還可以是第9頁上對R5和R6所選擇的那些基團。關(guān)于具有持久氧化性能的氧化催化劑問題，在上面引用的T.Collins等人于1996年7月提交的美國專利申請系列號08/681,237中已有詳盡敘述，此內(nèi)容并入本文作為參考。
錳插入化合物1的大環(huán)中是一個復(fù)雜的過程，其原因在于，在堿性的對質(zhì)子惰性的條件下，四酰胺主活性點與次級活性點兩者都易于錳鍵合。因此，錳在插入主活性點之后必須將其從次級活性點上除去。在錳的情況下，采用堿性水溶液的操作條件就能達到這一目的。有用處的合成方法按如下實施例進行。
實施例1在惰性氣體保護下，將配體(425mg，1.05×10-3摩爾)溶于干燥的四氫呋喃(THF，40ml)中，再加入雙(三甲基硅烷基酰胺)鋰(6.32ml的1.0M THF溶液，6.3×10-3摩爾)。將該混合物攪拌(5分鐘)，隨后加入乙酰丙酮化錳Mn(acac)3(557mg，1.58×10-3摩爾)溶于乙腈的溶液(10ml)。將該反應(yīng)混合物攪拌2小時，然后將該溶液置于一旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器內(nèi)在空氣中蒸發(fā)至干。將固體殘留物溶于少量水中并過濾以除去固體殘渣。在減壓下使濾液蒸發(fā)至干，再將所得固體Li[LMnIII]溶于丙酮并過濾。用過量的叔丁基過氧化氫(TBHP)溶液(0.586ml，5.25×10-3摩爾，含5％叔丁醇和5％水的90％TBHP)處理該濾液。隨后的反應(yīng)根據(jù)顏色的改變進行監(jiān)控，由開始時的亮橙色變成最后的深紅棕色。向含有Li[LMnV(O)]即基本上定量產(chǎn)率的化合物1的鋰鹽的產(chǎn)物溶液中加入過量的氯化四苯基鏻(2.0g，5.25×10-3摩爾)溶于水(20ml)的溶液。通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)使該混合物的溶劑體積減小，從而獲得[Ph4P]化合物1的水懸浮液。采用室溫下向[Ph4P]化合物1的乙酸乙酯溶液中擴散戊烷蒸汽的方法生長出單晶；對化合物1陰離子進行X射線晶體結(jié)構(gòu)測定，其結(jié)果示于圖2。
(C6H5)4P[化合物1]C44H45MnN5O5P的分析計算值C，65.26；H，5.60；N，8.65；P，3.82。實測值C，65.42；H，5.67；N，8.85；P，3.89。1H NMR(氯仿-d1)(見圖8)(C6H5)4P[化合物1]δ 8.58(m，1H)，8.10(m，1H)，7.47-7.85(m，20H)，6.86(m，1H)，2.05(q，2H，J＝7.3Hz)，1.97(q，2H，J＝7.3Hz)，1.86(s，3H)，1.85(s，3H)，1.81(s，3H)，1.80(s，3H)，0.83(t，eH，J＝7.7Hz)，0.55(t，3H，J＝7.4Hz)。ESI-MS(負離子)m/z 470.1，[化合物1]-1(100％)；晶體數(shù)據(jù)單晶是正交晶系，空間群Pbca，a＝14.205(2)，b＝19.87(2)，c＝28.341(4)，V＝7999(9)3(在-100℃下測定)，Z＝8；d計算值＝1.355g·cm-3；μ＝4.24cm-1。采用Zr-過濾的Mo KαX-射線和W掃描方式收集到獨立衍射點總數(shù)7895個(2°＜2θ＜52.16°)。采用SHELXS〔G.M.Sheldrick，Acta Cryst.，A46，(1990)，467〕程序包中的直接法解出結(jié)構(gòu)，同時采用SHELXL 93[G.M.Sheldrick，SHELXL 93，“晶體結(jié)構(gòu)修正程序”，University of Gttingen，德國，1993]程序包、在F2基礎(chǔ)上進行全矩陣最小二乘法修正。吡啶環(huán)上的C和N的區(qū)分按如下方法進行因為在電子密度差值圖上沒有發(fā)現(xiàn)峰高的差別或聯(lián)于各原子之間的鍵長差別，所以將這兩種原子都當作C原子取值并進行修正。兩者中之一〔在以后標記為N(5)〕在各向異性修正中顯示出更明顯的不對稱熱參數(shù)。而另一個〔標記為C(2)〕則是在電子密度差值圖上唯一顯示出可能是H原子位置的那個原子。因為在電子密度差值圖上所有其它氫原子都能明確地確定它們的位置，再結(jié)合考慮溫度因子數(shù)據(jù)，所以對于這兩種原子的指認應(yīng)認為具有充足的依據(jù)。但是，無論它們多么確定，而這兩種原子仍是可以互換的。對氫原子的修正采用騎式模型且其各向同性溫度因子設(shè)定為與它們所聯(lián)結(jié)的那個原子的溫度因子的1.2倍。甲基氫原子當作剛性基團進行修正。晶體結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)在晶體中存在分數(shù)值的結(jié)晶水分子，正如NMR譜所指明的那樣。對水分子的氧原子占有率的修正值為0.38。修正收斂于R1(基于F值)＝0.0564，采用4202個可觀察的反射數(shù)據(jù)〔I＞2σ(I)〕。
實施例組2采用一價、二價和三價的一系列陽離子并借助紫外/可見光譜對化合物1的次級配合物在乙腈中的可逆形成過程進行監(jiān)測。一價堿金屬陽離子系列Li+、Na+和K+(制成三氟甲磺酸鹽)表現(xiàn)出在成鍵性質(zhì)方面出奇大的變化。因此，Li+成鍵表現(xiàn)出等吸光行為(圖3)且摩爾比曲線顯示出為完成鋰化反應(yīng)需要2.5當量的Li+。進行三次重復(fù)滴定([化合物1]＝0.30、0.27和0.14毫摩爾·升-1，logK25°＝5.02±0.06)。相比之下，Na+成鍵的摩爾比曲線(圖9)顯示出有兩種成鍵過程存在，其證據(jù)是，第一個平臺在8個當量Na+時開始出現(xiàn)，第二個平臺在47個當量Na+時開始出現(xiàn)。有理由相信，第一個成鍵行為是在雙齒活性點出現(xiàn)，而第二個成鍵行為是在單齒酰胺氧原子上出現(xiàn)。當加入K+(高達60當量)時，紫外/可見光譜沒有改變。當以這種方式加入Ba2+(圖13)時，紫外/可見光譜發(fā)生非等吸光的改變，表明有1個以上的化合物1陰離子可以鍵合到Ba2+上；Ba2+的鍵合是很強的，因為其摩爾比曲線顯示在達到滴定終點時Ba2+的當量為1.3。類似地，Sc3+的鍵合顯示出非等吸光行為，但是達到滴定終點卻只需要一個當量(圖14)。不幸的是，化合物1所代表的體系的循環(huán)伏安行為對于任何開關(guān)離子來說并非電化學可逆的。但是，化合物1的平面四配位CoIII同系物的循環(huán)伏安研究表明，對于各種次級離子來說卻顯示出電化學的可逆電子轉(zhuǎn)移性質(zhì)。例如，在過量CoIII配合物的條件下，用Ca2+全都能觀察到雙核、三核和四核的化學物種。由此以及由可觀察到多核離子的電噴射電離質(zhì)譜研究結(jié)果，人們可以得出結(jié)論化合物1的CoIII同系物不只一次地鍵合到多電荷的開關(guān)離子上。化合物1多次鍵合到多電荷開關(guān)性離子上這一事實為Ba2+/化合物1和Sc3+/化合物1的紫外/可見光譜鍵合研究中沒有發(fā)現(xiàn)等吸光行為提供了相互一致的合理性依據(jù)。綜上所述，這些結(jié)果表明，二齒配位和酰胺-O鍵合點兩者都對次級離子或多個離子的電荷/離子尺寸比表現(xiàn)出顯著的敏感性。
實施例組3化合物1體系的錳配位基部分對于次級離子擾動的敏感性可以用IR譜中Li+鍵合對ν(Mn≡O(shè))譜帶的影響加以解釋。為了獲得無大環(huán)配體譜帶的IR區(qū)間?？疾炝?8O標記的錳配位基；為制備此化學物種，將[Et4N][化合物1]與CH3CN/H218O(1∶1；98％18O)的混合物一起在室溫下攪拌三個星期。分別屬于沒有Li+和有Li+鍵合的化學物種的ν(Mn≡O(shè))譜帶顯示于圖4中；ν(Mn≡O(shè))的譜帶從歸屬于母體配合物的939cm-1位移到歸屬于Li+配位的化學物種的954cm-1。這種蘭移15cm-1的現(xiàn)象意味著，Li+的成鍵作用使得大環(huán)四酰胺-N配體的給電子能力的顯著下降有所減弱，這是由于與氧合結(jié)合能增高有關(guān)的氧合配體的給電子能力的增強而使這種下降得到補償。人們可以推斷，氧合配體的親電性也應(yīng)對次級陽離子的成鍵產(chǎn)生顯著的增強效應(yīng)。
實施例組4不同開關(guān)離子對反應(yīng)活性的影響首先通過研究原理性氧化反應(yīng)、即使三苯膦氧化成三苯膦氧化物的證據(jù)來進行考察。采用一個當量的化合物1和100個當量的三苯膦，在空氣中并在15℃的乙腈中，借助紫外/可見光譜監(jiān)測不同開關(guān)離子的反應(yīng)。不同的開關(guān)離子是以三氟甲磺酸鹽(5和60當量)的形式加入的；反應(yīng)至少重復(fù)進行三次。氧化產(chǎn)物三苯膦氧化物的生成由1H NMR譜和ν(P＝O)區(qū)間的IR譜得到證實。該結(jié)果示于圖5；該反應(yīng)的相對速率以三苯膦在沒有開關(guān)離子存在下受到母體化合物1氧化的速率為基準進行歸一化。正如在次級陽離子鍵合于化合物1的反應(yīng)中所見到的那樣，開關(guān)對膦氧化速率的影響是與加入的開關(guān)離子的性質(zhì)密切相關(guān)的。在非開關(guān)化合物1的紫外/可見光譜實驗的條件下，三苯膦氧化成三苯膦氧化物的速率很慢，要達到反應(yīng)完全需要幾千秒鐘。在5當量不同開關(guān)離子的存在下，發(fā)現(xiàn)相對于非開關(guān)反應(yīng)速率的各開關(guān)反應(yīng)速率依次是Na+＝3，Ba2+＝5，Mg2+＝7，Li+＝13，Zn2+＝24，Sc3+＝1244。正如以上所標明，發(fā)現(xiàn)在開關(guān)離子研究中Na+離子是突出的一個與化合物1產(chǎn)生鍵合作用時具有合適秒數(shù)的速率。三苯膦被具有不同開關(guān)性質(zhì)的化合物1所氧化的相對速率反映出這一發(fā)現(xiàn)。因此，對于Mg2+或Zn2+來說，當開關(guān)離子化合物1之比從5∶1增加至60∶1時，發(fā)現(xiàn)三苯膦的氧化速率卻沒有增加。當這種比例的增加對Ba2+規(guī)定為1.2倍、Li+為2倍、Sc3+為1.3倍時，發(fā)現(xiàn)氧化速率只有微小增長。相比之下，Na+化合物1之比從5∶1增至60∶1時，膦的氧化速率增加了169倍。再則，加入K+(多達60當量)不會干擾母體非開關(guān)化合物1的氧化速率，這增強了上述觀點，即K+看起來在可以易于研究的濃度范圍內(nèi)不會與開關(guān)活性點鍵合。
氧合轉(zhuǎn)移速率的增大為上述輕微的氧化信號提供了真正有用的性質(zhì)。我們還研究了化合物1作為氧原子轉(zhuǎn)移劑對于富電子烯烴-四甲基乙烯的反應(yīng)活性。
實施例5借助13C波譜，在50℃下對[Ph4P]化合物1(1當量)、ZnTf2，(4.5當量)、2，3-二甲基-2-丁烯(四甲基乙烯，132當量)和TBHP(90％，266當量)溶于乙腈-d3的混合物進行監(jiān)測，直至全部烯烴都已消耗為止(48小時)。唯一能觀察到的產(chǎn)物是2，3-二甲基丁烯-3-醇-2(＞98％)；該反應(yīng)重復(fù)進行三次。13C NMR(乙腈-d3)(見圖15)2，3-二甲基丁烯-3-醇-2δ19.5，29.3，73.3，108.7，153.3。參見R.W.Murray，W.Kong，S.N.Rajadhyaksha《J.Org.Chem.58，315～321(1993)》。參見圖15。
該產(chǎn)物溶液也用GC/MS進行分析，結(jié)果證實了2，3-二甲基丁烯-3-醇-2作為唯一的烯烴衍生產(chǎn)物存在。所生成的叔丁醇產(chǎn)物和殘留的TBHP具有相同的相對豐度，表明這是一種非常清楚的化學定量性和選擇性反應(yīng)。顯然，除了微量分解外，未被使用的TBHP保持未被消耗的狀態(tài)，因此再加入烯烴就會引發(fā)催化氧化過程的重新開始。對催化溶液的紫外/可見光譜分析表明，在整個催化氧化過程中以及在此之后，都定量地存在著化合物1。雖然在13C NMR譜中可以檢測到痕量的其它產(chǎn)物(顯然由TBHP產(chǎn)生的)，但在丙酮-d6中經(jīng)過反應(yīng)的溶液，將其盛于NMR管中并靜置于試驗臺上9個月后仍基本上保持不變；在此之后發(fā)現(xiàn)，其中含有相同相對比例的2，3-二甲基丁烯-3-醇-2、叔丁醇、TBHP及其丙酮加成物，這些都是在反應(yīng)終了時確立的，此外沒有發(fā)現(xiàn)別的什么。有一個由ZnTf2(1當量)，2，3-二甲基-2-丁烯(30當量)和TBHP(90％，64當量)溶于乙腈-d3的混合物所組成的不含化合物1的對照體系，也在50℃下用13C NMR監(jiān)測5天；沒有觀察到任何變化。當采取將溫度升至70℃并使用氚代乙腈作為溶劑的措施以改變反應(yīng)條件時，在圖15中顯示的歸屬于2，3-二甲基丁烯-3-醇-2的5個相同的特征峰出現(xiàn)了。因此，化合物1提供了一種溫和的、專一選擇性的和異常穩(wěn)定的氧原子轉(zhuǎn)移催化體系。
扮演自然界設(shè)計者角色的酶常常在時間和空間上對多重反應(yīng)作出精確的安排從而達到目標選擇性。盡管現(xiàn)代化學對如何在空間上安排反應(yīng)以便達到選擇性已積累了豐富的知識，但是要在時間上審慎地安排多重反應(yīng)以便支配選擇性卻是一個嶄新的研究領(lǐng)域。采用本文上述氧化催化劑所提供的活性、空間取向和尺寸上的各種變化，可以為組織一個以上氧化反應(yīng)的順序和反應(yīng)活性點設(shè)計出一種配體體系，從而達到目標反應(yīng)活性和選擇性的目的。本發(fā)明的配體體系具有顯著的抗氧化分解的性質(zhì)，從而提供了非常長壽命的和可重復(fù)使用的催化劑。制備許多不同化合物1的合成方法已經(jīng)進行過精選，使得可以按照兩步法從列于表I中的一系列二胺類并依據(jù)Gorden-Wylie等人提出的方法(已并入本文作為參考)制備配體，其改進之處在于用表I中所列二胺類替代Gorden-Wylie合成方法中所述的那些二胺類。重要的是要認識到，所提供的方法明確地將對環(huán)境保護所需要的過渡金屬例如錳可能達到的反應(yīng)活性的范圍擴展了，同時由于允許人們審慎地提高其它種類慢的氧原子轉(zhuǎn)移劑反應(yīng)活性，或更一般地說，提高諸如為了將一種以上的反應(yīng)組合起來以獲得氧化催化劑而設(shè)計的化合物1及其變種一類的反應(yīng)試劑的反應(yīng)活性，因而使反應(yīng)活性的目標在化學的綠色化中有可能變成現(xiàn)實。人們有可能利用本發(fā)明的新方法去完成用符合環(huán)境保護要求的催化元素代替當前正在使用的不符合環(huán)境保護要求的元素所必需的全部任務(wù)。安排多重反應(yīng)的探索及時地為處理困難的反應(yīng)活性問題，諸如為獲得其它種類的難以得到的綠色試劑、尤其是氧化劑以及為達到氧化反應(yīng)中的對映異構(gòu)選擇性和化學選擇性等問題，提供了巨大的希望，而這些問題已經(jīng)證明是對缺乏雄心的開發(fā)性探索的一種阻力。
表I氮雜芳基替代物
母體配合物(吡啶-)吡啶-
嘧啶- 吡嗪- 二氰基吡嗪-簡單的芳族替代物
Q1＝NH2，RNH，R2N，CO2H，SO3H，OH，SH
Q1＝NH2，RNH，R2N，CO2H，SO3H，OH，SHQ2＝NH2，RNH，R2N，CO2H，SO3H，OH，SH其它開關(guān)取代基
苯并咪唑-吲哚-
表I續(xù)取代的冠衍生物
Q1＝NH，NR，O或SQ1＝NH，NR，O或SQ2＝NH，NR，O或SQ2＝NH，NR，O或SQ3＝NH，NR，O或SQ3＝NH，NR，O或SQ4＝NH，NR，O或S取代的苯并-9-冠-3- 取代的苯并-12-冠-4-
Q1＝NH，NR，O或SQ2＝NH，NR，O或SQ3＝NH，NR，O或SQ4＝NH，NR，O或SQ5＝NH，NR，O或S取代的苯并-15-冠-5-
Q1＝NH，NR，O或SQ2＝NH，NR，O或SQ3＝NH，NR，O或SQ4＝NH，NR，O或SQ5＝NH，NR，O或SQ6＝NH，NR，O或S取代的苯并-18-冠-6-
表I續(xù)其它穴狀配體Q1＝NH，NR，O或SQ2＝NH，NR，O或SQ3＝NH，NR，O或SQ4＝NH，NR，O或S
Q1＝NH，NR，O或SQ2＝NH，NR，O或SQ3＝NH，NR，O或SQ4＝NH，NR，O或S
Q1＝NH，NR，O或SQ1＝NH，NR，O或SQ2＝NH，NR，O或SQ2＝NH，NR，O或SQ3＝NH，NR，O或SQ3＝NH，NR，O或SQ4＝NH，NR，O或SQ4＝NH，NR，O或S
表I續(xù)EDTA衍生物
乙二胺四乙酸-
四氮雜環(huán)十四烷四乙酸-
表I續(xù)五元環(huán)
Q＝NH(吡咯-)，S(噻吩-)，O(呋喃-)，CH2(環(huán)戊二烯-)，RCH(取代的環(huán)戊二烯基-，R＝烷基，芳基)R1＝H，烷基，芳基，鏈烯基，鹵素R2＝H，烷基，芳基，鏈烯基，鹵素五元環(huán)衍生物
M＝V，Cr，Mn，F(xiàn)e，Co，Ni，Ru，Os，Rh例如對于M＝Fe可獲得二茂鐵/二茂鐵鎓開關(guān)衍生物R1＝H，烷基，芳基，鏈烯基，鹵素R5＝H，烷基，芳基，鏈烯基，鹵素R2＝H，烷基，芳基，鏈烯基，鹵素R6＝H，烷基，芳基，鏈烯基，鹵素R3＝H，烷基，芳基，鏈烯基，鹵素R7＝H，烷基，芳基，鏈烯基，鹵素R4＝H，烷基，芳基，鏈烯基，鹵素R8＝H，烷基，芳基，鏈烯基，鹵素表I續(xù)卟啉基開關(guān)
通過卟啉的金屬配位、游離卟啉堿或金屬配位卟啉的氧化態(tài)改變、金屬卟啉軸向配位的改變以及光學方法等，可以完成開關(guān)作用。
表I續(xù)酞菁基開關(guān)
通過游離酞菁堿的金屬配位、金屬配位酞菁氧化態(tài)的改變、金屬酞菁配合物的軸向配位及光學方法等，可以完成開關(guān)作用。
表I續(xù)雙吡啶基體系
表I續(xù)啡咯啉基體系
表I續(xù)雙席夫堿基開關(guān)體系
權(quán)利要求
1.一種使氧轉(zhuǎn)移到含多個可氧化活性點的靶化合物上的至少一個可氧化活性點上的方法，該方法包含通過使下列化合物在溶液中進行反應(yīng)從而使含多個可氧化活性點的靶化合物上的可氧化的活性點產(chǎn)生選擇性氧化反應(yīng)所說的靶化合物；一種氧原子源；一種路易斯酸源；及一種結(jié)構(gòu)如下的催化劑
式中Z是N或O，且至少一個Z是N；MO是過渡金屬-氧合物種；Ch1是選自吡啶，嘧啶，吡嗪，二氰基吡嗪，單-、雙、三或四取代苯，苯并咪唑，苯醌，雙亞氨基取代苯，吲哚，取代的冠衍生物，穴狀配體，EDTA衍生物，五元環(huán)和五元環(huán)衍生物，卟啉衍生物，金屬取代的酞菁基體系，雙吡啶基體系，菲咯啉基體系和雙席夫堿(salen)基體系；Ch2和Ch3各自表示連結(jié)相鄰Z原子的結(jié)構(gòu)如下的單元
上式中R1、R2、R3和R4是成對的且累積的相同或不同的基團，而每個基團都選自烷基、芳基、鏈烯基、炔基、烷芳基、環(huán)烷基、環(huán)烯基、烷氧基、苯氧基、鹵素、鹵代烷基、全鹵代烷基、CH2CF3、和CF3，或者R1、R2、R3和R4一起構(gòu)成取代的或未取代的苯環(huán)，或者R1、R2或R3、R4這兩對的成對的R取代基一起構(gòu)成環(huán)烷基或環(huán)烯基這些基團；以及Ch4為連接相鄰Z原子的選自以下基團之一的單元
式中R5和R6是相同的或不同的，成環(huán)的或非成環(huán)的，且各自為氫、酮、醛、羧酸、酯、醚、胺、亞胺、酰胺、硝基、磺酰基、硫酸根、磷?；?、磷酸根、甲硅烷基、硅氧烷、烷基、芳基、鏈烯基、炔基、烷芳基、環(huán)烷基、環(huán)烯基、烷氧基、苯氧基、鹵素、CH2CF3或CF3，或者R5、R6對的成對R取代基一起構(gòu)成環(huán)烷基或環(huán)烯基環(huán)這些基團；其中取代基的選擇與非成環(huán)的R5、R6相同；以及使所說的反應(yīng)進行足夠長時間以便使靶化合物上的至少一個可氧化的活性點產(chǎn)生氧化。
2.權(quán)利要求1所述方法，其中所說的路易斯酸選自質(zhì)子，堿金屬、堿土金屬、稀土或過渡金屬或主族金屬的離子。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所說的在靶化合物上的多個可氧化的活性點的相對活性是彼此不同的，且所選的路易斯酸能通過生成陽離子-催化劑配合物的途徑選擇性地激活催化劑以便使靶化合物上的一個可氧化的活性點產(chǎn)生氧化。
4.權(quán)利要求3的方法，該方法還包含以下步驟識別靶化合物上的一系列可氧化的活性點，按活性大小的順序排列，一般從該系列可氧化活性點中開始的一組具有最高相對活性的可氧化活性點排列至該系列可氧化活性點中最后一組具有最低相對活性的可氧化活性點為止；及(a)向溶液中加入激活催化劑的第一種陽離子以便生成具有第一反應(yīng)活性的第一陽離子-催化劑配合物，該第一陽離子-催化劑配合物的第一反應(yīng)活性足以使靶化合物中第一組可氧化活性點優(yōu)先于其它可氧化活性點而受到選擇性氧化作用；(b)使氧化反應(yīng)進行一段足夠長的時間以便使靶化合物上的每一起始的可氧化活性點都受到氧化，從而使得在系列可氧化活性點中的第二組可氧化活性點在該系列活性點的余下的可氧化活性點中具有最高的相對反應(yīng)活性；(c)任選地從該溶液中除去第一種陽離子；(d)向該溶液中加入第二種陽離子，所產(chǎn)生的具有第二反應(yīng)活性的陽離子-催化劑配合物足以選擇性地氧化第二組可氧化的活性點；(e)使氧化反應(yīng)進行一段足夠長的時間使靶化合物上第二組可氧化活性點受到氧化，從而使靶化合物上的一系列可氧化活性點中的任一下一組可氧化活性點在該系列活性點的余下的可氧化活性點中具有最高的相對反應(yīng)活性；(f)任選地從該溶液中除去第二種陽離子；(g)通過向溶液中依次加入選定的陽離子的步驟，對靶化合物上的一系列可氧化活性點中的每一相繼的可氧化活性點重復(fù)步驟(d)～(f)，使氧化反應(yīng)進行并在加入下一種選定的陽離子之前從該溶液中除去前一種陽離子，每一相繼加入該溶液中的陽離子都具有逐漸增高的反應(yīng)活性從而使一系列可氧化活性點中的各組可氧化活性點依次受到氧化，直至最后的可氧化活性點被氧化為止。
5.權(quán)利要求4所述的方法，其中所說的可氧化活性點組包括一個可氧化活性點。
6.權(quán)利要求4所述的方法，其中所說的可氧化活性點組包括一個以上的可氧化活性點。
7.權(quán)利要求1所述的方法，其中所說的靶化合物具有至少一個的前手性可氧化活性點，且所說的路易斯酸催化劑配合物具有手性使得能對所說的至少一個可氧化活性點的對映異構(gòu)選擇性氧化產(chǎn)生催化作用。
8.權(quán)利要求7所述的方法，其中所說的可氧化活性點是含前手性磷的化合物。
9.權(quán)利要求1所述的方法，其中所說的可氧化活性點是烯烴。
10.權(quán)利要求7所述的方法，其中所說的可氧化活性點是炔烴。
11.權(quán)利要求7所述的方法，其中所說的催化劑的過渡金屬是錳。
12.權(quán)利要求7所述的方法，其中所說的催化劑的過渡金屬是鐵。
13.權(quán)利要求7所述的方法，其中所說的過渡金屬選自元素周期表中的第六、七、八、九、十和十一族或具有I、II、III、IV、V、VI、VII或VIII氧化態(tài)的那些過渡金屬。
14.權(quán)利要求1所述的方法，其中所說的可氧化活性點是炔烴。
15.權(quán)利要求1所述的方法，其中所說的可氧化活性點是烯烴。
16.權(quán)利要求1所述的方法，其中所說的催化劑的過渡金屬是錳。
17.權(quán)利要求1所述的方法，其中所說的催化劑的過渡金屬是鐵。
18.權(quán)利要求1所述的方法，其中所說的過渡金屬選自元素周期表中的第六、七、八、九、十和十一族或具有I、II、III、IV、V、VI、VII或VIII氧化態(tài)的那些過渡金屬。
19.權(quán)利要求1所述的方法，其中所說的路易斯酸選自鑭系的原子。
20.權(quán)利要求1所述的方法，其中所說的路易斯酸選自錒系的原子。
21.權(quán)利要求1所述的方法，其中所說的陽離子選自Li+、Na+、Zn2+、Mg2+、Ca2+、Ba2+、Sc3+、Rh3+和Ru2+。
22.權(quán)利要求1所述的方法，其中所說的金屬-氧合化學物種中的金屬是鐵，且Ch4是
式中Z是與金屬配位的原子，優(yōu)選為N；當金屬配合物處于氧化介質(zhì)中時，X是抗氧化的功能基；及R′和R ″是相同的或不同的，且各選自這樣一類取代基，即該類取代基是不活潑的，在R′與R″中能形成分子內(nèi)的強鍵并與R′和R″所鍵合的大環(huán)碳原子能形成強鍵；該類取代基是立體位阻和構(gòu)象位阻的，這樣，在氧化介質(zhì)的存在下該金屬配合物的氧化衰減就會受到抑制。
23.權(quán)利要求22所述的方法，其中的R5和R6各選自氫、鹵素、甲基、CF3且若成環(huán)的話為選自環(huán)丁基、環(huán)戊基、環(huán)丙基或環(huán)己基。
24.一種使氧轉(zhuǎn)移到靶化合物上的可氧化活性點上的方法，該方法包括通過使下列化合物在溶液中進行反應(yīng)從而使具有一個前手性可氧化活性點的靶化合物上的可氧化活性點選擇性地產(chǎn)生氧化靶化合物；一種氧原子源；一種路易斯酸源；以及一種與路易斯酸形成配合物的催化劑，所說配合物具有手性，且所說催化劑具有如下結(jié)構(gòu)
式中Z是N或O，且至少一個Z是N；MO是過渡金屬-氧合物種；Ch1是選自吡啶，嘧啶，吡嗪，二氰基吡嗪，單-、雙、三或四取代苯，苯并咪唑，苯醌，雙亞氨基取代苯，吲哚，取代的冠衍生物，穴狀配體，EDTA衍生物，五元環(huán)和五元環(huán)衍生物，卟啉衍生物，金屬取代的酞菁基體系，雙吡啶基體系，菲咯啉基體系和雙席夫堿(salen)基體系；Ch2和Ch3各自表示連結(jié)相鄰Z原子的結(jié)構(gòu)如下的單元
上式中R1、R2、R3和R4是成對的且累積的相同或不同的基團，而每個基團都選自烷基、芳基、鏈烯基、炔基、烷芳基、環(huán)烷基、環(huán)烯基、烷氧基、苯氧基、鹵素、鹵代烷基、全鹵代烷基、CH2CF3、和CF3，或者R1、R2、R3和R4一起構(gòu)成取代的或未取代的苯環(huán)，或者R1、R2或R3、R4這兩對的成對的R取代基一起構(gòu)成環(huán)烷基或環(huán)烯基這些基團；以及Ch4為連接相鄰Z原子的選自以下基團之一的單元
式中R5和R6是相同的或不同的，成環(huán)的或非成環(huán)的，且各自為氫、酮、醛、羧酸、酯、醚、胺、亞胺、酰胺、硝基、磺?；?、硫酸根、磷?；?、磷酸根、甲硅烷基、硅氧烷、烷基、芳基、鏈烯基、炔基、烷芳基、環(huán)烷基、環(huán)烯基、烷氧基、苯氧基、鹵素、鹵代烷基、全鹵代烷基、CH2CF3或CF3，或者R5、R6對的成對R取代基一起構(gòu)成環(huán)烷基或環(huán)烯基環(huán)這些基團；以及其中的路易斯酸-催化劑配合物對靶化合物的所說可氧化活性點的對映異構(gòu)選擇性氧化產(chǎn)生催化作用。
25.權(quán)利要求24所述的方法，其中的路易斯酸選自質(zhì)子，堿金屬、堿土金屬、稀土或過渡金屬的離子。
26.權(quán)利要求24所述的方法，其中所說的可氧化活性點是烯烴。
27.權(quán)利要求24所述的方法，其中所說的可氧化活性點是炔烴。
28.權(quán)利要求24所述的方法，其中所說的可氧化活性點是含磷的化合物。
29.權(quán)利要求24所述的方法，其中所說的催化劑的過渡金屬是錳。
30.權(quán)利要求24所述的方法，其中所說的催化劑的過渡金屬是鐵。
31.權(quán)利要求24所述的方法，其中所說的金屬-氧合物種中的過渡金屬選自元素周期表中的第六、七、八、九、十和十一族或具有I、II、III、IV、V、VI、VII或VIII氧化態(tài)的那些過渡金屬。
32.權(quán)利要求24所述的方法，其中所說的路易斯酸選自鑭系原子。
33.權(quán)利要求24所述的方法，其中所說的路易斯酸選自錒系原子。
全文摘要
本方法提供了一種使氧轉(zhuǎn)移到靶化合物上至少一個可氧化活性點上的方法。該方法包括通過一種溶液中的反應(yīng)使靶化合物上可氧化活性點受到選擇性氧化的若干步驟,該溶液中含有靶化合物,氧原子源,諸如質(zhì)子、堿金屬、堿土金屬、稀土金屬、過渡金屬或主族金屬的離子這樣一類的路易斯酸以及催化劑。該催化劑具有通式(Ⅰ)的結(jié)構(gòu),式中Z優(yōu)選為N,但可包括O,而MO為過濾金屬氧合化學物種。所說路易斯酸鍵合于取代基Ch
文檔編號B01J31/18GK1267238SQ98808220
公開日2000年9月20日 申請日期1998年6月18日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月20日
發(fā)明者T·J·科林斯, S·W·戈頓－懷利, C·G·沃默, C·P·霍爾維茨, E·S·烏菲爾曼 申請人:卡內(nèi)基梅隆大學