不对称催化氢化的新进

评 述

第49卷 第16期 2004年8月

不对称催化氢化的新进展——单齿磷配体的复兴

郭红超 丁奎岭* 戴立信

(金属有机化学国家重点实验室, 中国科学院上海有机化学研究所, 上海200032. *联系人, E-mail: kding@mail.sioc.ac.cn)

摘要 在过去近30年的研究工作中, 发展手性双磷配体主导了不对称催化氢化领域. 进入21世纪以来, 手性单磷配体特别是手性亚磷酸酯和亚磷酰胺类单磷配体的研究引起了国内外的关注, 其特点是这些单齿磷配体的合成比较简单, 原料价格低廉, 同时在烯烃的不对称氢化中具有高催化活性和高对映选择性, 其催化效率和对映选择性可以与目前最好的双膦手性配体形成的催化剂相媲美, 因此单齿亚磷酸酯、氨基亚磷酸酯类配体在工业化中有很广泛的应用前景. 另外从概念上也突破了传统的只有手性双齿磷配体容易获得高对映选择性的观念. 因此, 这是一个值得关注的研究方向. 本文简要回顾了不对称催化氢化研究中手性磷配体的发展过程, 比较系统地介绍了单齿磷配体的合成及其在不对称催化氢化反应中的应用.

关键词 手性磷配体 单齿配体 不对称催化 氢化

在商业化的不对称催化反应中, 不对称催化氢化是最重要的工业过程, 例如, 第一个工业化的催化不对称合成工艺是孟山都公司进行的左旋多巴的催化不对称氢化合成. 手性农药异丙甲草胺等的关键中间体合成则是规模最大的工业化的不对称催化氢化过程. 在催化不对称反应中, 不对称催化氢化已成为研究最为深入的不对称反应之一[1~9]. 手性配体是构成手性催化剂的重要组成部分, 因此在不对称催化氢化反应的研究中, 设计和合成各种各样的高效和高对映选择性手性配体一直是人们研究的主题. 至今为止, 数以千计的手性磷配体已有报道. 不对称催化氢化的进步过程, 也就是一部磷配体的发展史.

含手性碳原子的另一类单齿膦配体(图1), 它的手性不在磷原子上, 而是含有多个手性碳原子. 使用8与Rh形成的催化剂催化香叶酸的氢化, 可以79%的ee值得到氢化产物[15,16]. 在20世纪70年代, 合成这些光学活性的手性单齿磷配体(特别是含有手性磷原子的配体)是相当复杂和繁琐的, 在一定程度上阻碍了单齿磷配体的发展.

1971年, Kagan等合成了第一个手性双齿膦配体(R, R)-DIOP, 实现了手性膦配体设计的真正突破. DIOP的制备相当简单, 起始原料(+) 酒石酸也比较便宜. 使用DIOP对脱氢氨基酸2进行催化氢化, 反应可在极短的时间内实现定量转化, 而且ee值可以达到72%. DIOP的上述优势促使当时对磷配体的研究方向从单齿磷配体转向双齿磷配体. 1975年, Knowles等发展了双膦DIPAMP配体, ee值达95%, 并用于左旋多巴的工业化生产, 这进一步凸显了手性双齿膦配体的重要性. Knowles最早实现了催化不对称氢化反应又能促使不对称氢化的工业化, 这是他获得Nobel奖的主要原因. 从此以后, 人们将注意力转移到了手性双齿膦配体的设计和合成, 特别是具有C2对称性的双膦配体, 许多催化剂体系都能高效和高对映选择性地催化不对称氢化反应. 图2是一些有代表性的双膦配体. 尽管使用单膦配体CAMP 7在Rh催化的脱氢氨基酸的不对称氢化反应中, 产物的ee值已可达90%, 但是它早已被湮没在双齿手性膦配体的研究潮流中. 目前, 发展新型高效双齿膦配体的趋势仍在继续.

1 不对称催化氢化反应研究中手性磷配体 发展的简单回顾

1965年, Wilkinson等[10]用RhCl(PPh3)催化剂实现了温和条件下在有机溶剂中对简单烯烃的催化氢化, 仅仅3年后, Horner等[11]和Knowles等[12]分别独立地用手性膦配体取代Wilkinson催化剂中的PPh3配体实现了第一个不对称氢化反应, 所获得的不对称诱导很低, ee值最高仅为15%. 在Knowles等的后续研究中, 使用手性单齿膦配体5还原脱氢氨基酸1仅以28%的ee值得到产品, 当磷上苯环的邻位引入甲氧基后(PAMP 6), 由于空间位阻的变化, ee值可以提高到58%, 当用环己基代替PAMP中的苯取代基后(CAMP 7), ee值提高到90%, 这在当时是一个非常高的成就. 5 ~ 7是含手性磷原子的单齿膦配体, 8则是

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