文章编号:1006-5342(2002)06-0058-05
Ξ
吕守茂，杨绪红，王红玲
(咸宁师范高等专科学校 化学系，湖北 咸宁 437005)
摘 要 由手性β-氨基醇与作用形成的手性口恶唑是一类性能优异的不对称氢化还
原催化剂.论文综述了催化剂及底物酮的结构与对映选择性的关系以及该催化体系的最佳条件.关键词：手性口恶唑；不对称催化；酮的还原；对映选择性中图分类号:O625.63+4 文献标识码:A 0 前言 1981年,Itsuno 首次报道了用手性β-氨基醇
络合物作为化学计量的还原剂对芳酮进行的对映选择性还原反应[1].随后,C orey 研究小组[2～5]对该反应机理的研究及对配体与络合物结构的分析阐明了该催化反应具有高对映选择性的
原因，并将手性配体的用量由化学计量改为催化量同样获得了好的催化效果，从而引起了化学家们的极
大兴趣[6～8].由C orey 等设计合成的C BS 催化剂皆由天然氨基酸衍生得到，它具有原料易得，其中一些配体的对映选择性极佳，如由脯氨酸衍生而得的脯氨醇.然而，它们的局限性在于这些效果极佳的配体往往只能得到一对对映体中的某一种而另一仲醇则无法通过天然氨基酸衍生的配体催化得到.我国
学者谢如刚先生首创的CT O 催化剂[9]较好地解决了这一问题.该催化剂以噻唑烷代替C BS 催化剂中的吡咯烷后，其催化苯乙酮或α—卤代苯乙酮还原
所得产物构型刚好与C BS 催化剂所得产物仲醇的
构型相反，从而起到了互补作用.
二十多年来，由于化学工作者的辛勤耕耘，手性
β-氨基醇及其衍生物在不对称合成方面的研究获
得累累硕果，它不仅可应用于不对称还原反应而且还可用于不对称硅腈反应，烷基锌对醛的不对称加成反应，不对称Reformatsky 反应，不对称烷基化反应和不对称Aldol 反应等[8]，以其适用范围广，催化产品产率高，催化剂前体易于回收易于制备等优点而倍受化学界的广泛关注.有关该领域的研究论文不断涌现，然而，国内这方面的综述文章见少[10,11].
本文就手性β-氨基醇与作用形成的手性口恶唑
对酮的不对称还原反应中的几个问题，即催化剂的结构与对映选择性，底物的结构与对映选择性以及催化体系的最佳条件等作一综述，以乡食读者11 催化剂结构与对映选择性
与作用形成手性口恶唑的配体β-氨基
醇除可由天然氨基酸衍生得到以外还可以通过人工
合成而得，数量繁多，结构各异.因此，它们在不对称催化性能方面会存在着巨大差异，经化学工作者的艰苦探索现已基本到了配体结构与对映选择性之
间所存在的一些规律.为了论述方便，我们将手性口恶唑催化剂中环上原子编号如结构式1所示.
1.1
配体中羟基的活性我们在研究配体2时发现[12]，当β-氨基醇中的羟基被烷基化后其对α-溴代苯乙酮的对映选择
性还原性能大大降低,%值为69，而羟基被
甲基化后的2b 仅为8.3.类似地，在樟脑硫醇中[13]
当-SH 或-OH 被烷基化后其催化产物仲醇的e.
e.值亦大为降低.这表明对于由β-氨基醇与
形成的催化剂手性口恶唑来说，配体中羟基的氢
原子是不可或缺的.否则，将难以有效地形成催化
剂，非催化还原占主导
.
Ξ收稿日期:2002-10-02
作者简介：吕守茂(1954-
)，男，湖北咸宁人，咸宁师专化学系教授，主要从事不对称合成化学研究.第22卷第6期 咸 宁 师 专 学 报 Vol.22,No.62002年12月 Journal of Xianning T eachers College Dec.2002
e.e %(PhCHCH 3)
OH
3a R 1=H , R 2=H
3b R 1=PhCH 2,
R 2=H
3c R 1=H ,R 2=CH 3
91
7
161.2 催化剂中硼原子的活性研究表明[14]
：当手性口恶唑中2-位硼原子上的氢被苯基、噻吩基等取代后，由于芳环上的π电子与硼原子中的空P 轨道形成共轭体系，使硼原子上的电荷密度增加，根据C orey 还原机理[2]，羰基与硼原子较难有效配位，削弱了催化剂对还原反应的立体化学控制能力，这是导致产物仲醇e.e.值下降的主要原因.另一方面当硼原子连有较大的基团(如
环已基)时，可能由于空间位阻的原因防碍了底物羰
基与硼原子的有效配位亦会导致还原产物e.e.值下降(催化剂4).但对于硼原子上为体积较小的烷基取代时(催化剂5)则由于其能稳定地存在于碱液
中，克服了B -H 对空气和湿度的敏感，提高了催化
剂的实用性，对某些酮的不对称还原效果甚至更好[8]
. 4a R =H 4b R =n -Bu 4c R =Cyclohexyl 4d R =phenyl 4e R =thienyl
68.2 60.6 58.2 38.5 43.5
5a R =H 5b R =CH 35c R =n -Bu
1.3 催化剂中氨基的活性
当口恶唑氮原子上含有取代基时，还原反应
的对映选择性大幅度降低[8,15](6b ～6d )，其催化活性亦大大下降，需1h 以上才能反应完全，而氮原子
上无取代基的6a 只需3min 即可完成反应.这可能
是因为氮原子上的取代基与C -4苯基之间存在着
较强的斥力，空间位阻增大从而降低了氮原子对硼
烷和口恶唑环上硼原子对底物酮进行同面配位的能
力，随着取代基团体积的增大这种效应越明显.当C -4位上苯基为甲基时这种互相间的斥力减小，对应选择性显著提高,4a 对于苯丙酮还原产物的e.e.%值为44.4[8]，而6b 仅为4.4.同时，由于磺酰基(6d )的强吸电子作用大大降低了氨基Lewis 碱性，因而未能观察到对映选择性.
<%(PhCHC 2H 5)
OH
6a R =H 6b R =CH 3 6c R =E t 6d R =Ts
65.84140170
1.4 C -4构型对产物绝对构型的预测[15]还原产物仲醇的构型和对映选择性的高低主要
取决于C -4的立体构型及其取代基,C -5上的苯
基则有助于提高对映选择性.当C -4上无取代基存在时(9)，产物构型则由C -5上的取代基及其构型决定，
但对映选择性较低.C -5上含两个苯基(10)较其不含苯的(8)催化效果要好，但比C -4、C -5上各含一个同面苯基(6a ,7)要差.从还原产物1-苯基-1-丙醇的绝对构型可清晰地看出其与C -4构型存在着必然联系，当口恶唑环上C -4构型为S 时苯基烷基酮还原产物的构型为R.反之则反，手性口恶唑这类催化剂[16～18]均呈现这一规律
.
1.5 C -5上大基团的位阻作用[6]
在手性β-氨基醇中，通常情况下含叔醇结构
的配体要优于含伯醇结构的配体，根据C orey 机理
这是由于C -5上有大的取代基时更有利于控制氢负离子进攻酮羰基的立体取向，从而使还原产物的e.e.值提高.比较催化剂11a 与11b ,12a 与12b
9
5第6期 吕守茂，杨绪红，王红玲 手性口恶唑催化前手性酮的不对称催化还原反应
可看出含叔醇结构的催化剂的对映选择性大大地
高于其相应的含伯醇结构的催化剂
.
11a R =H 11b R =Ph
4497
12a R =H 12b R =Ph
891
1.6 催化剂的刚性
研究表明[6]：对于结构类似的催化剂含刚性环
者更有利于稳定催化反应的过渡态，从而使还原产物的对映选择性提高.如含四元环(13)及吡咯烷(5a )催化剂的催化效果比含烷结构的催化剂(14)要好.其原因可能是由于它们的刚性差别所致
.
1.7 双催化中心的协同效应
我们在实验中发现[7,18]，如果将某一配体设计为双β-氨基醇结构，当其与反应后可形成双手性口恶唑而在催化还原过程中形成双催化中心.这种含双催化中心的配体(16,18)较之相应的含单催化中心配体(15,17)具有更高的对映选择性，这可能是由于双催化中心的协同效应而使还原产物e.e.值得到显著提高.值得说明的是双配体较之相应的单配体在催化剂用量方面前者只需后者的一半即可达到最佳催化效果
.
2 底物结构与对映选择性2.1 芳酮与脂肪酮
众多研究表明[12,19]，通常情况下由于芳酮结构中含有芳基这一较大基团其在对映选择性还原反应中有利于控制B -H 进攻底物酮羰基的方向，从而使芳酮还原产物的e.e.值往往高于脂肪酮.就芳酮而言，大多数情况下苯乙酮还原产物的e.e.值均高于苯丙酮而低于α-卤代苯乙酮.在相同催化条件下，催化剂6a 和15对不同底物酮的催化效果比较于表1.
表1 不同结构的前手性酮催化还原对映选择性比较
前手性酮
<%(催化剂6a ) e.e.%
(催化剂15)
PhC OCH 377.157PhC OC 2H 565.838PhC OCH 2Br 96.076CH 3C OC 2H 522.7-CH 3C OC 3H 7-n 26.0-
2.2 单酮与二酮
如前所叙，含双催化中心配体较之相应的单配体在催化还原底物单酮时有协同效应，会使还原产物e.e.值提高.在底物为双酮且当两羰基距离适当时这种协同效应尤其明显.催化剂16、18和19对1,6二苯
基-1.6-己二酮的还原产物的e.e.%分别为98、97和98.4.这可能与催化剂中的两个催化中心与底物两个羰基的恰当匹配，稳定了优势构象，形成了有利于提高反应对映选择性的过渡态有关.双配体对单酮与双酮的不对称催化还原效果比较于表2.值得说明的是在催化剂用量上单酮仅为双酮的一半.
表2 单酮与双酮的不对称还原效果比较[18,20]前手性酮
<%(催化剂16) e.e.%(催化剂18) e.e.%(催化剂19)
PhC OCH 3
818087.0PhC O (CH 2)3C OCH 3865594.3PhC O (CH 2)4C OCH 3
98
97
98.4
3 催化体系的最佳条件
3.1 温度
06咸宁师专学报 第22卷
研究表明[16,19]：手性氨基醇与作用在35℃时就能很快形成催化剂手性口恶唑.而催化还原反应的温度对各类催化剂来说虽不尽相同，但象催化剂(6)和手性方酰氨基醇类(2)、(15)等诸多催化剂最适宜的催化温度在45℃～50℃.且底物单酮的滴加速度以≤3.5×10-2mm ol/min为宜.温度太低催化反应速度太慢，但在持续高温下反应则自由BH3对酮的还原会以足够快的速度进行使产物e.e.值降低.温度对不对称催化还原效果的影响比较于表3.从表3中可以看出温度对于樟脑氨基醇的催化效果的影响尤其明显.
表3 温度对不对称催化反应的影响
<%(t.℃)催化剂15
e.e%(t,℃)樟脑氨基醇[20]
25 (30) 57 (50) 47 (70)15 (0) 76 (20) 87 (50)
3底物为苯乙酮
3.2 溶剂
有关该催化体系溶剂效应方面的研究，多采用从THF，甲苯或二氯甲烷中选择最适宜溶剂的方法.研究表明[6,21]：通常情况下THF是该催化体系的最好溶剂.但在催化过程中对其绝对无水的要求很高，痕量的水分足以影响不对称催化还原效果.在某些体系中甲苯也是较好的溶剂，尤其是那些在甲苯中溶解性较好的催化剂或催化体系温度较高时以甲苯作溶剂可能是最佳选择[22].在其他反应条件相同情况下，催化剂6a的溶剂效应比较于表4.
表4 催化剂6a的溶剂效应
前手性酮e.e.%
(THF)
<%
(C6H5CH3)
<%
(CH2CCl2)
C6H5C OCH3 C6H5C OCH2Cl α-tetralone t-BuC OCH394
92
94
82
52
80
42
44
52
80
60
46
3.3 催化剂特性及其用量
手性氨基醇在不对称催化还原中具有生物酶的某些特性，以其作为手性源仅以催化量的配体即可获得大量新的手性物质，这也正是引起人们普遍关注的原因之一.而且这类催化剂易于回收，多次重复使用仍能基本保持原有活性，催化反应条件温和且还原产物化学得率都很高.手性口恶唑既可分离纯化又可原位生成且两者在催化活性及对映选择性方面相差无几，这也大大增加了该催化剂的实用性.在催化剂的用量上，一般来说在其用量很小时会随着用量的增加产物e.e.值随之升高，通常用10m ol%～20m ol%的催化剂量即可达到满意结果.由于催化剂种类繁多，性能各异某些催化剂增至一定量后反而会使还原产物e.e.值降低.如催化剂15，这可能是过多的催化剂会导致非手性或非催化活性低聚物的形成之故.催化剂用量与对映选择性的关系比较于表5.
表5 催化剂用量与对映选择性[12,19]
m ol%
(催化剂量)
<%
(催化剂6a)
<%
(催化剂15)
5
10
20
77.1
88.9
99
47
57
44
3底物为苯乙酮.
以上所叙，限于作者水平及文章篇幅，难免挂一漏万.相信随着不对称合成化学研究的不断深入及拓展，手性氨基醇类配体将以优异化学酶的形式活跃于手物、天然产物以及许多重要中间体的合成等研究领域及实际应用中，服务于21世纪的人类社会.
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The Asymmetric C atalytic R eduction of Prochiral K etones
C atalyzed by Chiral Oxazaborolidine
LU Shou-mao,Y AN G Xu-hong,WAN G Hong-ling
(Department of Chemistry,X ianning T eachers C ollege,X ianning437005,China)
Abstract:chiral oxazaborolidine by reaction of chiralβ-amino alcohol and borane is a kind of asymmet
ric hydrogena2 tion reduction catalyst with high quality.The relationship between the structures of catalyst as well as ketone enantiose2 lective are summarized in this paper.The best condition of this catalyst system is als o concerned.
K ey w ords:Chiral oxazaborolidine;Asymmetric catalysis;Reduction of ketone;Enantioselective 26咸宁师专学报 第22卷
