金属和生物催化剂催化的苯环和四氢吡咯环C-H键的选择性羟化反应

论文摘要

通过活化芳环C-H键直接将羟基引入芳环生成相应的羟基化合物是合成化学和催化化学领域中最难解决和最具有挑战性的研究课题之一,具有重要的科学意义和应用前景。本文研究了负载铁或钒的非均相催化剂及铁均相催化剂催化的选择性氧化苯为苯酚反应及Sphingomonas sp. HXN-200全细胞催化的氘代N-苄基四氢吡咯立体选择性羟化反应,建立了一种利用质谱检测的生物催化剂高通量筛选方法。全球90%的苯酚是通过异丙苯法生产,该工艺需要三步反应,生产过程对环境的污染严重。由于苯环上C-H键的键能大,难活化,而且产物比原料更活泼,易发生深度氧化。因此,直接氧化苯合成苯酚具有很大的挑战性。本研究成功合成和表征了不同硅铁比的同晶取代Fe-沸石催化剂。以硅铁比为25的Fe-沸石催化双氧水氧化苯反应,苯的转化率为12%,苯酚选择性高达100%。分别以乙酰丙酮合钒和偏钒酸铵为钒源,成功地合成了钒-β沸石和钒-MCM-41催化剂并进行了表征。以硅钒比为100的钒-β沸石作为催化剂,氧气作为氧化剂,在还原剂抗坏血酸与底物苯的摩尔比为4:1时,苯转化率达11%,苯酚选择性为100%。考察了均相催化氧化苯为苯酚的反应。醋酸亚铁作催化剂,三氟醋酸作助催化剂,当催化剂和苯的质量比为1 : 450时,苯转化率约18%,苯酚的选择性达88%。用金属配合物催化芳杂环的不对称氧化,过程复杂、选择性差。利用酶反应的特异性,应用生物法合成芳杂环的羟基化合物可以在室温和常压下进行,操作简便、公害少,具有底物选择性、立构选择性、化学选择性和对映选择性高等特点,有很好的应用前景。本研究选用HXN-200全细胞催化氘代苄基四氢吡咯的区域和立体选择性羟化反应,研究了同位素对酶催化羟化反应的影响。首次报道从（R）-和（S）-苄基四氢吡咯醇出发,通过磺酰化、溴代和氘代三步反应,两次构型翻转,分别合成（R）-和（S）-3-氘代苄基四氢吡咯,总收率70%,产物纯度>99%。由Sphingomonas sp. HXN-200选择性地催化氧化氘代底物得到两对假对映体醇,其中3种羟化产物为氘代产物,一种为非氘代产物,分子量相差1。通过质谱图上分子离子峰高度的比值,计算不对称催化的ee值,通过与手性HPLC测定的实际值比较,发现误差可以控制在20%以内,而且有重复性,说明该方法可用于生物催化剂的高通量筛选。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 金属催化苯选择性羟化成苯酚反应
• 1.1.1 苯酚的合成
• 1.1.2 苯的催化氧化
• 1.1.3 多孔材料
• 1.2 生物催化不活泼C-H键的选择性羟化反应
• 1.2.1 酶催化不活泼C-H 键的羟化反应
• 1.2.2 全细胞催化不活泼C-H 键的羟化反应
• 1.3 本课题研究的内容和意义
• 2 实验部分
• 2.1 制备催化剂
• 2.1.1 合成掺杂铁的β沸石催化剂
• 2.1.2 制备浸渍铁的催化剂
• 2.1.3 合成掺杂钒的β沸石催化剂
• 2.1.4 合成浸渍钒的催化剂
• 2.2 表征催化剂
• 2.2.1 X-射线衍射
• 2 吸附法'>2.2.2 低温 N₂吸附法
• 2.2.3 感应耦合等离子体原子发射光谱
• 2.2.4 扫描电镜
• 2.3 催化实验
• 2.3.1 铁催化下的苯氧化反应
• 2.3.2 钒催化的苯氧化反应
• 3 Fe 催化的苯选择性氧化成苯酚
• 3.1 引言
• 3.2 结果和讨论
• 3.2.1 催化剂表征
• 3.2.2 浸渍铁催化剂
• 3.2.3 反应混合物的三元相图测定
• 3.2.4 铁催化剂的催化活性
• 3.2.5 催化剂浸出和回收研究
• 3.2.6 其它金属－沸石催化剂研究
• 3.3 讨论
• 3.4 小结
• 4 钒催化下苯选择性氧化成苯酚的反应
• 4.1 引言
• 4.2 结果
• 4.2.1 催化剂表征
• 4.2.2 钒催化剂的催化活性
• 4.2.3 浸出研究
• 4.3 讨论
• 4.4 结论
• 5 均相催化氧化苯为苯酚
• 5.1 引言
• 5.2 催化剂测试
• 5.3 结果
• 5.3.1 不同金属盐作催化剂影响
• 5.3.2 温度的影响
• 5.3.3 催化剂用量的影响
• 5.3.4 助催化剂用量的影响
• 5.3.5 苯－双氧水物料比和进料方式的影响
• 5.3.6 溶剂效应
• 5.4 讨论
• 5.5 结论
• 6 Sphingomonas sp. HXN-200 催化的选择性羟化反应
• 6.1 引言
• 6.2 材料和方法
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 氘代羟化产物的ee
• 6.3.2 温度的影响
• 6.3.3 反应时间的影响
• 6.3.4 底物的量对产率的影响
• 6.3.5 微生物量对产率的影响
• 6.4 结论
• 7 高通量筛选对映选择性催化剂的方法
• 7.1 引言
• 7.2 材料和方法
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 化学法合成底物（R）-和（S）-3-氘代-N-苄基四氢吡咯
• 7.3.2 高通量筛选方法的建立
• 7.4 结论
• 8 结论与创新点
• 8.1 结论
• 8.2 创新点
• 8.3 问题与建议
• 参考文献
• 作者简历
• 附录
• 学位论文数据集