本發(fā)明屬于催化化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及不對稱選擇催化領(lǐng)域，具體來說，涉及一種(R)-1-(2-羥基-1-苯乙基)硫脲修飾的Al-Anderson型雜多酸催化劑、制備方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

2001年諾貝爾獎獲得者Noyori教授指出：“未來的合成化學(xué)必須是經(jīng)濟的、安全的、環(huán)境友好的以及節(jié)省資源和能源的化學(xué)，化學(xué)家需要為實現(xiàn)‘完美的反應(yīng)化學(xué)’而努力，即以100％的選擇性和100％的收率只生成需要的產(chǎn)物而沒有廢物產(chǎn)生”。手性催化合成作為實現(xiàn)“完美合成化學(xué)”的重要途徑之一，其中，手性催化劑是手性催化研究中的最核心科學(xué)問題。從反應(yīng)原理上看，手性有機小分子催化是通過和反應(yīng)底物以不穩(wěn)定的共價鍵可逆地形成活性中間體或通過若相互作用，如氧鍵、范德華力或離子對等活化反應(yīng)底物。雖然均相手性催化具有高效、高對映選擇性和反應(yīng)條件溫和等特點，但大多數(shù)情況下，催化劑用量高摩爾分數(shù)。要實現(xiàn)這些催化反應(yīng)在工業(yè)上的應(yīng)用，必須解決昂貴催化劑的回收利用是個嚴重的問題。

催化是多金屬氧酸鹽應(yīng)用中最有前途且最具實用價值的研究方向。多金屬氧酸鹽同時集酸堿催化劑、氧化還原催化劑、金屬氧化物納米催化劑等的優(yōu)良特性于一身，被認為是一種應(yīng)用廣泛的綠色的多功能催化劑。早在20世紀初，人們就開始對多酸的催化性能進行了研究。到目前為，已有8個多酸催化工業(yè)化項目被成功開發(fā)。催化成為了多酸化學(xué)中一項永恒的研究課題。自從手性多金屬氧酸鹽被成功合成以后，人們便開始了手性多酸在不對稱催化領(lǐng)域的探索。手性多金屬氧酸鹽集多酸與手性材料的各種優(yōu)異性能于一身。其獨特的可溶性類礦物金屬-氧化物結(jié)構(gòu)，為手性的非生命起源學(xué)說及無機固體中手性傳遞的探索提供了理想的模型；其高的負電性，可調(diào)的酸堿性、氧化還原活性及納米尺寸，更為多功能非線性光學(xué)、納米材料、立體選擇性催化以及醫(yī)藥等新材料的設(shè)計、合成帶來了新的希望。

目前，手性有機小分子催化劑很難實現(xiàn)用于工業(yè)化生產(chǎn)，主要由于催化劑活性較低、用量高且不易回收利用。要實現(xiàn)這些催化反應(yīng)在工業(yè)上的應(yīng)用，必須解決昂貴催化劑的回收利用是個嚴重的問題。

自從1993年Zubieta等人在《Nature》上報道采用水熱技術(shù)成功制備了類似DNA的手性雙螺旋結(jié)構(gòu)的化合物(Me₂NH₂)K₄[V₁₀O₁₀(H₂O)₄(OH)₄(PO₄)₇]·H₂O后，人們便開始了手性多酸在不對稱催化領(lǐng)域的探索。中國科學(xué)院化學(xué)所的羅三中教授等更在以有機胺小分子催化劑作為抗衡陽離子，多酸作為催化劑負載載體的領(lǐng)域做出了出色的工作(Organic letters,2007,9(18):3675-3678.)。他們合成了一系列的仲胺-叔胺型脯氨酸衍生物，采用強酸性多陰離子的[PW₁₂O₄₀]^3-替代傳統(tǒng)酸-堿協(xié)同催化中的礦物酸，合成了一系列手性有機胺-多酸雜化材料。這些材料對醛酮的直接Aldol反應(yīng)，不對稱Michael加成反應(yīng)等都表現(xiàn)出很高的催化活性和手性選擇性，但這些材料沒有明確的分子結(jié)構(gòu)，不能進一步探究催化機理，不能解釋手性胺與多酸的協(xié)同作用。大連物化所段春迎課題組利用多金屬氧酸鹽(POMs)的組成、結(jié)構(gòu)的多樣性以及電荷的可調(diào)變性，設(shè)計組裝一系列具有催化功能的多孔性的POMOFs，實現(xiàn)了它們在多相催化中的應(yīng)用(Journal of the American Chemical Society,2013,135(28):10186-10189.)，但這些材料同樣沒有明確的分子結(jié)構(gòu)，不能進一步探究催化機理，不能解釋MOFs與POMs的協(xié)同作用。

綜上所述，手性有機小分子催化劑很難實現(xiàn)用于工業(yè)化生產(chǎn)，主要由于手性有機小分子催化劑活性較低、用量高且不易回收利用。要實現(xiàn)這些催化反應(yīng)在工業(yè)上的應(yīng)用，必須解決昂貴催化劑的回收利用是個嚴重的問題?，F(xiàn)有的手性有機小分子與POMs結(jié)合的新型材料，沒有明確的分子結(jié)構(gòu)，不能進一步探究催化機理，不能解釋手性有機小分子與多酸的協(xié)同作用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種(R)-1-(2-羥基-1-苯乙基)硫脲修飾的Al-Anderson型雜多酸催化劑、制備方法及其應(yīng)用。本發(fā)明解決了現(xiàn)有手性有機小分子催化劑活性較低、用量高且不易回收利用的技術(shù)問題。

本發(fā)明從有機小分子催化劑的設(shè)計思路出發(fā)，創(chuàng)新性地提出利用“酸-堿”協(xié)同催化策略，以具有潛在催化活性的手性有機小分子作為前軀體，通過有機修飾等方法，巧妙地使有機小分子與高Bronsted酸性的缺位多陰離子結(jié)合，構(gòu)筑手性多酸材料的思路，并在實現(xiàn)這一思路的同時，有機修飾的多酸不但保留了多酸原有的結(jié)構(gòu)，而且拓展了多酸的研究領(lǐng)域，使其在催化、藥物和功能材料方面具有潛在應(yīng)用價值。以期望實現(xiàn)高的催化活性和高的對映選擇性催化的同時，解決昂貴催化劑的回收利用是個嚴重的問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案具體介紹如下。

本發(fā)明提供一種(R)-1-(2-羥基-1-苯乙基)硫脲修飾的Al-Anderson型雜多酸催化劑的制備方法，具體步驟如下：

1)將二水合鉬酸鈉與六水合三氯化鋁在酸性條件下反應(yīng)生成Al-Anderson型雜多酸Na₃[Al(OH)₆Mo₆O₁₈]·10H₂O；

2)將上述得到的Al-Anderson型雜多酸母體Na₃[Al(OH)₆Mo₆O₁₈]·10H₂O與三羥基氨基甲烷進行水熱反應(yīng)后，再室溫下和四丁基溴化銨TBAB反應(yīng)得到有機單側(cè)氨基修飾的Al-Anderson型多金屬氧酸鹽[TBA]₃{[NH₂C(CH₂O)₃]AlMo₆O₁₈(OH)₃}；

3)以D-苯甘氨醇為原料合成(R)-1-(2-羥基-1-苯乙基)異硫氰酸酯；

4)將(R)-1-(2-羥基-1-苯乙基)異硫氰酸酯與有機單側(cè)氨基修飾的Al-Anderson型多金屬氧酸鹽反應(yīng)得到(R)-1-(2-羥基-1-苯乙基)硫脲修飾的Al-Anderson型雜多酸催化劑。

本發(fā)明中，步驟1)中，二水合鉬酸鈉和六水合三氯化鋁的摩爾比為1:1～1:2；pH值在1.5～2之間。優(yōu)選的，pH用鹽酸或者鹽酸和醋酸的混合物調(diào)節(jié)。

本發(fā)明中，步驟2)中，水熱反應(yīng)的溫度為135～145℃，反應(yīng)時間為20～30h；Al-Anderson型雜多酸母體Na₃[Al(OH)₆Mo₆O₁₈]與三羥基氨基甲烷的摩爾比為1:2～1:5；Al-Anderson型雜多酸母體Na₃[Al(OH)₆Mo₆O₁₈]和四丁基溴化銨TBAB的摩爾比為1：3～1:5。

本發(fā)明中，步驟4)中，有機單側(cè)氨基修飾的Al-Anderson型多金屬氧酸鹽與(R)-1-(2-羥基-1-苯乙基)異硫氰酸酯的摩爾比為1:3～1：5；反應(yīng)溫度為45～55℃，反應(yīng)時間為2～3天，反應(yīng)溶劑為極性非質(zhì)子溶劑。

本發(fā)明還提供一種上述制備方法得到的(R)-1-(2-羥基-1-苯乙基)硫脲修飾的Al-Anderson型雜多酸催化劑。

本發(fā)明進一步提供上述(R)-1-(2-羥基-1-苯乙基)硫脲修飾的Al-Anderson型雜多酸催化劑在芳香醛催化氧化制備芳香羧酸中的應(yīng)用。具體應(yīng)用方法如下：取適量芳香醛，在50～70℃的溫度、以水為溶劑的條件下，加入(R)-1-(2-羥基-1-苯乙基)硫脲修飾的Al-Anderson型雜多酸催化劑，在氧化劑作用下攪拌反應(yīng)，得到芳香羧酸。優(yōu)選的，使用過氧化氫作為氧化劑，(R)-1-(2-羥基-1-苯乙基)硫脲修飾的Al-Anderson型雜多酸催化劑的使用量為芳香醛的0.5mol％～2mol％。

本發(fā)明中，催化反應(yīng)結(jié)束后，向相體系中加入有機溶劑(乙醚、乙醇、甲醇等)后，多酸析出，處理后進行回收利用，將回收的催化劑再次用于芳香醛的催化氧化反應(yīng)。

和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明不僅可以利用手性有機小分子的共價修飾作用打破多酸的高對稱性，引入手性，提高其在催化反應(yīng)中的立體選擇性，而且也能將有機手性小分子的不對稱催化或生物醫(yī)藥活性等功能特性引入多酸，并使有機部分與無機的多陰離子有機地結(jié)合為一個整體，從而產(chǎn)生協(xié)同作用獲得更多新穎的性質(zhì)。該催化劑具有反應(yīng)條件溫和、環(huán)境友好、高效、高對應(yīng)選擇性和可回收利用等優(yōu)點，可適用于工業(yè)化生產(chǎn)。同時，以常見非貴金屬為中心原子，使得本催化劑具有更加低廉的生產(chǎn)成本，更具有市場推廣價值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的合成路線圖。

圖2是母體Na₃[Al(OH)₆Mo₆O₁₈]的紅外譜圖。

圖3是單側(cè)氨基修飾的Al-Anderson型多金屬氧酸鹽的紅外譜圖。

具體實施方式

以下采用實施例來詳細說明本發(fā)明的實施方式，借此對本發(fā)明如何應(yīng)用技術(shù)手段來解決技術(shù)問題，并達成技術(shù)效果的實現(xiàn)過程能充分理解并據(jù)以實施。

圖1是本發(fā)明的合成路線圖。

實施例1

Al-Anderson型雜多酸母體Na₃[Al(OH)₆Mo₆O₁₈]的制備

取14g(59.6mmol)鉬酸鈉加入到500mL去離子水中，充分攪拌得到澄清液，室溫下維持強力攪拌，開始緩慢加入6g(37.2mmol)氯化鋁固體，緩慢加入200mL冰醋酸。之后滴加36％濃鹽酸，將體系的pH調(diào)到1.5～2.0。停止攪拌，將液體傾倒入燒杯中靜置，待白色針狀晶體長出。抽濾，得到11.48g白色晶狀固體原料，收率82％。

母體Na₃[Al(OH)₆Mo₆O₁₈]的紅外譜圖如圖2所示。

實施例2

(R)-1-(2-羥基-1-苯乙基)異硫氰酸酯的制備

在干燥的反應(yīng)容器中加入D-苯甘氨醇(5mmol)，用20mL醇溶解，隨后分別緩慢加入加CS₂(0.1142g,15mmol)和三乙胺(0.506mg,5mmol)，在室溫攪拌反應(yīng)1h后，隨后在0℃條件下加入二碳酸二叔丁酯(Boc₂O)(1.091mg,5mmol)和4-二甲氨基吡啶(DMAP)(18mg,0.15mmol)，在室溫攪拌反應(yīng)2h后(在攪拌的過程有氣體產(chǎn)生，應(yīng)注意放氣減壓)，可獲得0.7451g(R)-1-(2-羥基-1-苯乙基)異硫氰酸酯。

(R)-1-(2-羥基-1-苯乙基)異硫氰酸酯的核磁譜圖數(shù)據(jù)的核磁數(shù)據(jù)如下：¹H NMR(501MHz,CDCl₃)δ7.3-7.5(dt,J＝12.3,7.7Hz,5H),4.90-4.95(q,J＝6.7Hz,1H),1.65-1.70(d,J＝6.8Hz,3H).

實施例3

單側(cè)氨基修飾的Al-Anderson型多金屬氧酸鹽的制備

將上述得到的Anderson母體Na₃[Al(OH)₆Mo₆O₁₈]1.071g(1mmol)用10mL去離子水中溶解，得到淺無色透明清液后，緩慢加入三羥基氨基甲烷0.402g(3mmol)。之后將上述體系加入水熱釜，在水熱釜中加熱到140℃，反應(yīng)進行24h后，在85℃條件下將4.83g四丁基溴化銨加如上述溶解的溶液中，產(chǎn)生大量白色沉淀即粗產(chǎn)物，抽濾即可得到無色透明液體，放置得到結(jié)晶，即為有機單側(cè)氨基修飾的Al-Anderson型多酸[TBA]₃{[CH₂NH₂C(CH₂O)₃]AlMo₆O₁₈(OH)₃}。

單側(cè)氨基修飾的Al-Anderson型多金屬氧酸鹽的紅外譜圖如圖3所示。

實施例4

(R)-1-(2-羥基-1-苯乙基)硫脲修飾的Al-Anderson型雜多酸催化劑的制備

將有機單側(cè)氨基修飾[TBA]₃{[CH₂NH₂C(CH₂O)₃]AlMo₆O₁₈(OH)₃}0.5g(0.279mmol)用5mL的DMF在50℃條件下溶解后，加入(R)-1-(2-羥基-1-苯乙基)異硫氰酸酯0.224g(1.375mmol)，維持50℃攪拌條件下，反應(yīng)時間2～3天，反應(yīng)結(jié)束后將無色澄清液放置乙醚氛圍中結(jié)晶，若干天后可得到無色透明晶體，即獲得(R)-1-(2-羥基-1-苯乙基)硫脲修飾的Al-Anderson型雜多酸催化劑。

(R)-1-(2-羥基-1-苯乙基)硫脲修飾的Al-Anderson型雜多酸催化劑的核磁譜圖數(shù)據(jù)如下：¹H NMR(501MHz,DMSO)δ7.90(s,2H),7.22(d,J＝52.0Hz,5H),2.99(d,J＝136.8Hz,23H),1.52(s,24H),1.23(d,J＝43.5Hz,24H),0.89(s,36H)。

應(yīng)用實施例

(R)-1-(2-羥基-1-苯乙基)硫脲修飾的Al-Anderson型雜多酸催化劑催化氧化芳香醛制備芳香羧酸的反應(yīng)

在反應(yīng)管中加入1mmol的芳香醛以及0.1mol％的(R)-1-(2-羥基-1-苯乙基)硫脲修飾的Al-Anderson型雜多酸催化劑，加入5ml H₂O作為溶劑，加入4mmol的H₂O₂作為氧化劑，在50～70℃下反應(yīng)24h。反應(yīng)進度及產(chǎn)率可通過GC-Ms進行測試。催化的產(chǎn)物及收率結(jié)果見表1。催化劑(以苯甲醛為原料的催化氧化體系)回收利用所得到的結(jié)果見表2。

表1.Al-Anderson型雜多酸催化劑催化氧化芳香醛的反應(yīng)結(jié)果

表2催化劑回收利用的實驗結(jié)果

所有上述的首要實施這一知識產(chǎn)權(quán)，并沒有設(shè)定限制其他形式的實施這種新產(chǎn)品和/或新方法。本領(lǐng)域技術(shù)人員將利用這一重要信息，上述內(nèi)容修改，以實現(xiàn)類似的執(zhí)行情況。但是，所有修改或改造基于本發(fā)明新產(chǎn)品屬于保留的權(quán)利。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非是對本發(fā)明作其它形式的限制，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員可能利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容加以變更或改型為等同變化的等效實施例。但是凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍。