毛发状磁性纳米粒子负载Macmillan催化剂的制备和应用

贾献彬，周少敏

(河南大学 特种功能材料重点实验室,河南 开封 475004)



毛发状磁性纳米粒子负载Macmillan催化剂的制备和应用

贾献彬，周少敏*

(河南大学 特种功能材料重点实验室,河南 开封 475004)

摘要：毛发状磁性纳米粒子负载手性催化剂能够将均相催化剂和非均相催化剂的优点有机地结合起来. 我们首先合成了Macmillan手性单体和负载双键的磁性Fe3O4纳米粒子，并通过表面自由基共聚的方法首次制备了负载手性催化剂的毛发状磁性纳米粒子，并将其直接应用于催化不对称Diels-Alder反应. 研究结果证明该催化体系在水中具有高于手性单体的催化活性(92%的产率)和对映选择性(92% ee(Endo)和89% ee (exo))，并能通过简单磁分离进行回收和循环使用，并且该催化剂反复使用5次后其催化活性和对映选择性均没有发生明显的变化.

关键词：磁性纳米粒子；Macmillan催化剂；不对称Diels-Alder反应

手性咪唑烷在不对称合成领域具有重要的应用价值，主要应用在Diels-Alder[1-2]、Michael[3]和1,3-dipolar加成[4]等反应，在不对称催化反应中取得了广泛的发展和应用[5-6]. 但是手性催化剂也存在用量比较大、底物范围有限以及分离和回收利用比较困难等不足，严重影响了其工业化进程. 为了弥补这些不足，近年来手性催化剂的负载化成为研究的热点[7-9]. 目前，Macmillan手性催化剂已报道关于负载在无机粒子、交联聚合物、聚乙烯醇等可溶聚合物，以及采用离子液体等特定溶剂，将均相催化剂动态“担载”在与产物互不相溶的另一相而实现的液液两相催化和分离[10-13]. 然而，目前研制的负载手性催化剂还很难把均相催化剂的高活性、高选择性与非均相催化剂的易分离、能反复利用等优点完全综合起来.

磁性纳米颗粒特别是Fe3O4纳米粒子具有比表面积大、表面活性中心多、表面反应活性高、吸附能力强和催化效率高等优点，因而在催化方面有着重要的应用价值[14-15]. 磁性纳米粒子作为催化剂使用最大的优点是可以通过外磁场作用达到直接分离的目的，操作途径简单、成本低，在工业上得到了广泛地应用[16-18]. 然而，目前通过磁性纳米粒子负载催化剂方面的研究主要局限在小分子直接固定在纳米粒子表面进行负载，其缺点是催化剂催化活性普遍较低[18].

我们首先合成Macmillan手性单体，再将其与表面含有双键的磁性纳米颗粒进行自由基共聚合成了负载手性催化剂的毛发状磁性纳米粒子(图1所示). 通过毛发状Fe3O4纳米粒子负载的催化剂，其悬挂的聚合物链具有一定的流动性，能够像可溶性线形聚合物负载催化剂那样显示出高的催化活性，并且该催化剂能够通过磁分离的方法进行回收使用. 另外，我们将磁性纳米粒子作为催化剂直接应用于催化不对称Diels-Alder反应，研究了该催化剂的催化活性和对映选择性，并通过磁分离的方法对该催化剂进行回收和循环使用，研究了该催化剂的循环使用效果.

图1　毛发状Fe3O4纳米粒子负载手性催化剂的制备途径Fig.1　Synthesis of Fe3O4 nanoparticles supported chiral catalysts

1实验部分

1.1仪器

核磁共振氢谱使用Bruker公司的Av-400测试，TMS为内标；手性物质立体选择性表征由Agilent TM 1100型高效液相色谱仪完成，选择的色谱柱为OJ柱. 产品的接枝率采用 TG 测定，样品 5 mg，在空气气氛条件下，保护气流30 mL·min-1，程序升温速度10 ℃/min，温度范围25～900 ℃. 磁性粒子大小和形态通过扫描电镜表征 (FESEM, FEI, NovaNano SEM450).

1.2试剂

(S)-5-(4-羟苄基)-2,2,3-三甲基-4-氧咪唑烷根据文献[7]制备；偶氮二异丁腈(AIBN)用乙醇重结晶2次，0 ℃保存；N,N-二甲基甲酰胺(DMF)经过氢化钙干燥、蒸馏纯化；三氟乙酸、环戊二烯和肉桂醛采用Aladdin的试剂；其他试剂未说明均为市售试剂，分析纯.

1.3(S)-5-(4-丙烯酰氧苄基)-2,2,3-三甲基-4-氧咪唑烷(即Macmillan手性单体)的制备

量取20 mL三氟乙酸加入到250 mL的圆底烧瓶中，冰水浴条件下加入11.82 g (S)-5-(4-羟苄基)-2,2,3-三甲基-4-氧咪唑烷，搅拌反应至完全溶解后，慢慢滴加9.6 mL甲基丙烯酰氯，25 ℃反应3 h. 待反应完后，磁子搅拌，用滴液漏斗向圆底烧瓶中慢慢滴加乙醚，有黄色物质析出，继续滴加，直至不再有沉淀生成. 抽滤，用乙醚淋洗5次，真空干燥得黄色粉末状物质为(S)-5-(4-丙烯酰氧苄基)-2,2,3-三甲基-4-氧咪唑盐酸盐.

称取(S)-5-(4-丙烯酰氧苄基)-2,2,3-三甲基-4-氧咪唑盐酸盐5.8 g加入到250 mL的圆底烧瓶中，加入4.4 mL 三乙胺，二氯甲烷100 mL，反应3 h. 反应过后，旋转蒸发，除去过量的三乙胺. 然后用二氯甲烷萃取3次，蒸馏水洗涤3次，MgSO4干燥，抽滤，浓缩，产率80%.1H-NMR(CDCl3)：δ=7.19～7.33 (d, 2H,ArH)，6.95～7.12 (d, 2H,ArH), 6.32 (s, 1H, =CH2)，5.70～5.80 (m, 1H, =CH2)，3.73～3.84 (m,1H, COCH), 2.98～3.18 (dd×dd, 2H, PhCH2)，2.75 (s, 3H, N-CH3)，1.98～2.08 (m,3H,-CH3)，1.28 (s, 3H, CCH3CH3)，1.19 (s, 3H, CCH3CH3).

1.4含双键磁性Fe3O4纳米粒子的制备[18]

称取2 g (8.63 mmol) Fe3O4纳米颗粒至500 mL圆底烧瓶中，加入200 mL甲苯，剧烈搅拌使Fe3O4纳米颗粒分散在甲苯中. 加入10.45 mL (43.15 mmol)3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基丙烯酸酯，加入 0.1%(质量分数) BHT作为阻聚剂. 反应混合物在N2氛围下剧烈搅拌，25 ℃反应24 h. 待反应完后，离心分离，得到的固体产物依次用乙醇、二氯甲烷各洗3遍，将固体产物真空干燥，制得的粒子增重23%.

1.5毛发状磁性Fe3O4纳米粒子的制备

称取表面具有双键的Fe3O4纳米粒子0.30 g加入到反应瓶中，超声分散30 min后，依次加入Macmillan单体0. 3 g， AIBN 4 mg，DMF 30 mL，三乙胺 2小滴. 冻抽5次后，N2条件下75 ℃反应48 h. 反应结束后磁分离，固体产物依次用四氢呋喃和甲醇各洗涤3遍，将固体产物于40 ℃真空干燥48 h制得毛发状磁性纳米粒子，产物重量为0.45 g.

1.6催化剂在不对称Diels-Alder反应中的应用

在试管中加入底物物质的量10%的催化剂，不同溶剂0.6 mL，三氟乙酸(0.011 4 g，0.1 mmol)，环戊二烯(0.168 mL，1.96 mmol)，和肉桂醛(0.063 6 mL，0.48 mmol)，室温下反应24 h，薄层色谱跟踪反应，反应完毕后，磁分离，下层固体用甲醇充分洗涤3遍，真空干燥回收再用，上清液用乙醚(3×10 mL)萃取三次，合并有机相，浓缩，经柱层析分离得到纯的加成产物(石油醚和乙酸乙酯体积比50∶1)，称重计算产率，核磁共振氢谱确认目标产物. 向产物中加入适量的NaBH4，室温反应48 h. 反应完毕后，旋干溶剂，加入适量二氯甲烷，用蒸馏水洗3遍，收集有机相，浓缩经柱层析分离得到纯产物(石油醚和乙酸乙酯体积比16∶1). 通过高效液相色谱(HPLC)OJ-H 手性柱分离手性物质，测得ee值.

2结果与讨论

2.1Macmillan手性单体的制备

我们开始制取 (S)-5-(4-丙烯酰氧苄基)-2,2,3-三甲基-4-氧咪唑烷，制备路线是先把丙烯酸羟乙酯活化，再用活化的丙烯酸羟乙酯和(S)-5-(4-羟苄基)-2,2,3-三甲基-4-氧咪唑烷在DMF溶剂中进行反应，柱层析制取(S)-5-(4-丙烯酰氧乙氧基苄基)-2,2,3-三甲基-4-氧咪唑烷. 在制备过程中，因为此法是在DMF溶剂中反应，水洗除去DMF过程和柱层析分离产物时产物的损失很大，产率很低，用这种路线制取单体不是很适合. 随后我们改用(S)-5-(4-羟苄基)-2,2,3-三甲基-4-氧咪唑烷和新制的甲基丙烯酰氯反应，制取(S)-5-(4-丙烯酰氧苄基)-2,2,3-三甲基-4-氧咪唑烷盐酸盐，得到的咪唑烷盐酸盐产率和纯度均很高，再和三乙胺酸碱中和，制取单体(S)-5-(4-丙烯酰氧苄基)-2,2,3-三甲基-4-氧咪唑烷. 应用此法，单体的产率很高，且和三乙胺反应后，不需要柱层分离，操作简便，产物易得.

2.2毛发状磁性Fe3O4纳米粒子的制备

将3-(三甲氧基甲硅烷)丙烯酯接枝的磁性纳米粒子与Macmillan单体直接进行共聚，得到毛发状磁性纳米粒子. 反应后纳米粒子的增重反应了纳米粒子表面成功接枝了手性聚合物链. 我们首先通过扫描电镜(SEM)对制得的催化剂进行表征，如图2所示. 未接枝的磁性Fe3O4分散性不好，有明显团聚现象(图2a). 接枝的磁性粒子从扫描电镜中可以看到是独立分散的纳米球，说明接枝后的磁性粒子具有较好的分散性. 另外，从电镜图中可以观察到纳米颗粒的直径大约10～20 nm(图2b). 此外，接枝的Fe3O4粒子表层覆盖着厚厚的膜，这表明Macmillan聚合物刷成功的接枝到纳米粒子表面，形成具有核壳结构的磁性纳米粒子.

另外，我们通过热重(TG)对合成的磁性纳米粒子的接枝量进行了表征，如图3所示. 当温度从室温升至900°C时，以含双键的Fe3O4为基准，负载手性催化剂磁性纳米粒子的失重率为50.8%. 根据磁性粒子的失重比计算出催化剂(Macmillan)的负载量为1.62 mmol/g，具有较高的催化剂负载量.

图2　SEM图(a)磁性Fe3O4纳米粒子和(b)负载手性催化剂的毛发状磁性Fe3O4纳米粒子Fig.2　SEM images of no grafted Fe3O4 (a) and the grafted hairy Fe3O4 (b)

2.3负载手性催化剂的Fe3O4纳米粒子在不对称反应中的应用

本实验主要以环戊二烯和肉桂醛的Diels-Alder反应为例，催化剂含量10%，室温下反应24 h，测试在不同溶剂中的催化性能. 我们以Macmillan单体作为未负载的手性催化剂来参照对比制备的手性催化剂的催化性能. 从表1中可以看到，单体作为催化剂催化D -A反应具有较好的催化活性，在CH3CN/H2O(90/10)的混合溶剂中催化性能优于在CH3OH/H2O(90/10)和纯水体系，反应产率为75%，对映选择性为93%(Endo)和91% (exo). 当使用毛发状Fe3O4纳米粒子作为催化剂时，在CH3CN/H2O(90/10)和CH3OH/H2O(90/10)溶液中，其催化活性和对映选择性稍弱于单体，但是也表现出较好的催化活性. 另外，我们发现当溶剂为纯水时，该负载催化剂具有比手性单体更好的催化活性(产率为92%)和对映选择性(92%(Endo)和89% (exo)). 分析原因，可能是因为Fe3O4纳米粒子表面的疏水性和亲水性Macmillan端基在水中进行组装，形成更为有利的催化微环境. 图4中我们也可以看到毛发状磁性粒子在水中具有较好的分散性，这为催化剂具有较好的催化性能提供了有利的基础.

同样，我们使用毛发状磁性粒子在水中直接催化环戊二烯和肉桂醛的反应，来研究催化剂的回收和重复利用性. 催化剂的回收很简单：负载型催化剂在反应完成后，通过外部磁体的吸附将催化剂从反应混合物中分离出来(图4)，用水和乙醚清洗，干燥，然后直接用于下一个循环的重复使用. 表2显示了催化系统的回收催化性能和回收使用率. 该催化剂反复使用5次，其催化活性和对映选择性没有明显降低，催化剂的回收率均达到98%以上.

图3　磁性Fe3O4纳米粒子接枝前后的热重图Fig.3　TG of the Fe3O4 nanoparticles before and after grafting

图4　毛发状磁性纳米粒子分散在水中照片(左)和磁铁分离后的照片(右)Fig.4　Photographs of the dispersion of catalyst (left) and the separation of catalyst with an external magnet (right)

Entry催化剂溶剂产率/%aEndo/exobee(Endo)/%ee(Exo)/%1手性单体CpCN/pO901.43∶193912手性单体CpOH/pO851.47∶191913手性单体pO561.30∶195664毛发状催化剂CpCN/pO871.29∶187855毛发状催化剂CpOH/pO830.97∶190786毛发状催化剂pO921.23∶19289

a通过色谱柱分离后得到的产率，b通过核磁氢谱获得.

表2　毛发状Fe3O4在水中催化D -A反应24 h的循环使用性能

3总结

综上所述，我们成功制备了负载Macmillan催化剂的毛发状Fe3O4纳米粒子，并通过扫描电镜和热重对催化剂的形貌和负载量进行了表征. 该催化剂能够有效地催化典型不对称Diels-Alder反应. 相比未负载的单体小分子催化剂，该催化剂在水中具有更高的催化活性和对映选择性. 并且，该催化体系通过简单磁分离能够循环使用，反复催化5次其催化活性和对映选择性均未明显减弱，催化剂回收率均超过98%.

参考文献：

[1] CHU Q, ZHANG W, CURRAN D P. A recyclable fluorous organocatalyst for Diels-Alder reactions [J]. Tetrahedron lett, 2006, 47: 9287-9290.

[2] GUIZZETTI S, BENAGLIA M, SIEGEL J S. Poly (methylhydrosiloxane)-supported chiral imidazolinones: new versatile, highly efficient and recyclable organocatalysts for stereoselective Diels-Alder cycloaddition reactions [J]. Chem Commun, 2012, 48: 3188-3190.

[3] XIE J W, YUE L, CHEN W, et al. Highly enantioselective Michael addition of cyclic 1, 3-dicarbonyl compounds toα,β-unsaturated ketones [J]. Org Lett, 2007, 9: 413-415.

[4] CHEN X H, WEI Q, LUO S W, et al. Organocatalytic synthesis of spiro [pyrrolidin-3, 3′-oxindoles] with high enantiopurity and structural diversity [J]. J Am Chem Soc, 2009, 131: 13819-13825.

[5] BANDINI M, FAGIOLI M, MELCHIORRE P, et al. Catalytic enantioselective conjugate addition of indoles to simpleα,β-unsaturated ketones [J]. Tetrahedron Lett, 2003, 44: 5843-5846.

[6] BANDINI M, FAGIOLI M, GARAVELLI M, et al. Can simple enones be useful partners for the catalytic stereoselective alkylation of indoles? [J]. J Org Chem, 2004, 69: 7511-7518.

[7] MOORE B L, LU A, LONGBOTTOM D A, et al. Immobilization of MacMillan catalyst via controlled radical polymerization: catalytic activity and reuse [J]. Polym Chem, 2013, 4: 2304-2312.

[8] KRISTENSEN T E, VESTLI K, JAKOBSEN M G, et al. A general approach for preparation of polymer-supported chiral organocatalysts via acrylic copolymerization [J]. J Organic Chem, 2010, 75: 1620-1629.

[9] SAMI A, SELKL, JT, PETRI M, et al. Asymme-tric Organocatalytic Diels-Alder reactions on solid support [J]. Adv Synth Catal, 2002, 344: 941-945.

[10] ZHANG Y, ZHAO L, LEE S S, et al. Enantioselective catalysis over chiral imidazolidin-4-one immobilized on siliceous and polymer-coated mesocellular foams [J]. Adv Synth Catal, 2006, 348: 2027-2032.

[11] HARAGUCHI N, TAKEMURA Y, ITSUNO S. Novel polymer-supported organocatalyst via ion exchange reaction: facile immobilization of chiral imidazolidin-4-one and its application to Diels-Alder reaction [J]. Tetrahedron Lett, 2010, 51: 1205-1208.

[13] MAURIZIO B, GIUSEPPE C, MAURO C, et al. Poly(ethylene glycol)-supported chiral imidazolidin-4-one: an efficient organic catalyst for the enantioselective Diels-Alder cycloaddition [J]. Adv Synth Catal, 2002, 344: 149-152.

[14] SHI JY, WANG CA, LI Z J, et al. Heterogeneous organocatalysis at work: functionalization of hollow periodic mesoporous organosilica spheres with MacMillan catalyst [J]. Chem Eu J, 2011, 17: 6206-6213.

[15] 黎汉生, 张东翔. 磁性催化剂研究进展[J]. 材料导报,2005, 19: 5-8.

[16] 解从霞, 刘悦, 于世涛. 磁性催化剂的研究进展[J]. 青岛科技大学学报: 自然科学版, 2015, 36: 237-244.

[17] KONG Y, TAN R, ZHAO L L, et al.L-Proline supported on ionic liquid-modied magnetic nanoparticles as a highly efficient and reusable organocatalyst for direct asymmetric aldol reaction in water [J]. Green Chem, 2013, 15: 2422-2433.

[18] NGUYEN V H, HALDORAI Y, PHAM, Q L, et al. Supercritcal fluid mediated synthesis of poly(2-hydroxyethyl methacrylate)/Fe3O4hybrid nanocomposite [J]. Mater Sci Eng B, 2011, 176: 773-778.

[责任编辑：张普玉]

收稿日期：2016-01-17.

基金项目：国家自然科学基金项目(21204019).

作者简介：贾献彬(1976-)，男，博士生，研究方向：纳米材料.*通讯联系人：E-mail：smzhou@henu.edu.cn.

中图分类号：O629. 7

文献标志码：A

文章编号：1008-1011(2016)03-0359-05

Preparation and application of hairy magnetic Fe3O4nanoparticle supporting Macmillan’s catalyst

JIA Xianbin, ZHOU Shaomin*

(KeyLaboratoryforSpecialFunctionalMaterials,HenanUniversity,Kaifeng475004,Henan,China)

Abstract:Hairy magnetic Fe3O4nanoparticle supporting chiral catalysts are combined the advantages of both homogeneous catalyst with heterogeneous catalysts. In this paper, we synthesized the chiral Macmillan monomer and the “living”Fe3O4 nanoparticles with surface-bound vinyl groups, and the hairy magnetic Fe3O4nanoparticle-supported chiral catalyst was synthesized by surface radical copolymerization. Furthermore, the achieved Fe3O4 nanoparticles were used in asymmetric Diels-Alder reaction as the catalysts. The result proved that the catalytic system had better catalytic activity (a 92% yield) and asymmetric selectivity (92% ee for Endo and 89% ee for exo) than Macmillan monomer in water.In addition, the catalyst can be easily magnetically recovered from the reaction mixture and reused five times without significant loss of activity and selectivity.

Keywords:Fe3O4 nanoparticle; Macmillan’s catalyst; asymmetric Diels-Alder reaction