桥联双芳氧基稀土金属胍基配合物的合成、表征及其催化性能

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本论文以若干桥联双芳氧基为辅助配体,合成了20个稀土金属配合物,所有配合物经过了元素分析和红外光谱的表征,对抗磁性的配合物进行了1H NMR和13CNMR表征,其中有15个配合物还经过了单晶结构的表征。在此基础上,进一步研究了这些稀土金属配合物催化外消旋丙交酯(rac-LA)、外消旋β-丁内酯(rac-BBL)、1,4-二氧六环-2-酮(二氧杂环己酮,PDO)开环聚合以及催化氢膦化和胍化反应等有机反应的行为。研究了桥联双芳氧基稀土金属胍基配合物的结构对反应性能的影响。文中所用桥联双酚配体(LH2)分别为:[Me2NCH2CH2N(CH2-2-OC6H2-3,5-But2)2]H2,简写成L1H2;[C3H6N2-1,4-(CH2-2-OC6H2-3,5-But2)2]H2,简写成L2H2;[CH2N(Me)CH2-2-OC6H2-3,5-But2]2H2,简写成L3H2;[C5H10N2-1,4-(CH2-2-OC6H2-3,5-But2)2]H2,简写成L4H2;[MeOCH2CH2N(CH2-2-OC6H2-3,5-But2)2]H2,简写成L5H2;[(CH2)3OCHCH2N(CH2-2-OC6H2-3,5-But2)2]H2,简写成L6H2;[CH2(2-OC6H2-4-Me-6-But)2]H2,简写成L7H2;主要结果如下:1.以胺基桥联双芳氧基稀土金属氯化物L1LnCl(THF)(Ln=Y, Yb)为反应前体,与不同的胍基锂盐通过复分解反应,合成了13个胺基桥联稀土金属胍基配合物L1Yb[iPr2NC(NiPr)2](1)、 L1Y[iPr2NC(NiPr)2](2)、 L1Yb[Ph2NC(NiPr)2](3)、L1Y[Ph2NC(NiPr)2](4)、 L1Yb[iPrHNC(NiPr)(NC6H4p-Cl)](5)、L1Y[iPrHNC(NiPr)(NC6H4p-Cl)](6)、 L1Yb[(CH2)5NC(NCy)2](7)、L1Y[(CH2)5NC(NCy)2](8)、L1Yb[(TMS)2NC(NCy)2](9)、L1Y[(TMS)2NC(NCy)2](10)L1Yb[(TMS)2NC(NiPr)2](11)、L1Yb[(CH2)5NC(NiPr)2](12)和L1Y[iPr2NC(NCy)2](13)。单晶结构解析表明,配合物1-13在固态时均为单核结构,中心金属与胺基桥联双芳氧基骨架中的两个氧原子、两个氮原子,以及胍基的两个氮原子相连形成六配位的变形八面体的构型。2.通过均配型的二甲基硅胺基稀土金属化合物Y[N(SiHMe2)2]3(THF)2与不同的桥联双酚L1H2-L7H2反应,生成相应的桥联双芳氧基稀土金属胺化物,然后再与N,N’-二异丙基碳化二亚胺(DIC)发生插入反应,合成了7个含不同桥的桥联双芳氧基稀土金属胍基配合物L1Y[(SiHMe2)2NC(NiPr)22](14)、LY[(SiHMe2)2NC(NiPr)2](THF)(15)、 L3Y[(SiHMe2)2NC(NiPr)2](16)、 L4Y[(SiHMe2)2NC(NiPr)2](17)、L5Y[(SiHMe2)2NC(NiPr)2](18)、 L6Y[(SiHMe2)2NC(NiPr)2](19)和L7Y[(SiHMe2)2NC(NiPr)2](THF)2(20)。其中15、16经过单晶表征的确认。其余的5个配合物由于未能得到适合单晶衍射的晶体,故采用核磁共振、元素分析、红外光谱来表征配合物。单晶结构解析表明15和16在固态时均为单分子结构,它们的配位方式与配合物1-13的类似。15虽是六配位的,由于空间位阻作用,其中心金属离子只与咪唑烷基杂环中的一个氮原子、桥联双芳氧基骨架中的两个氧原子、胍基的两个氮原子以及一分子四氢呋喃配位,这反映了桥联配体结构对于配合物配位方式的影响。3.研究了桥联双芳氧基稀土金属胍基配合物催化rac-LA聚合的行为。发现配合物1-13能高活性地催化rac-LA开环聚合,得到分子量高、分子量分布窄、高杂同的聚合物。稀土金属离子半径对配合物1-13催化rac-LA聚合的活性有影响。随着稀土金属离子半径增大,相应配合物的催化活性升高。考察了胍基的结构变化对聚合的影响,发现胍基的结构主要影响催化剂的活性,对聚合的可控性和选择性影响不大。对于不同桥的桥联双芳氧基稀土金属胍基配合物14-20,它们同样能催化rac-LA开环聚合。配体中桥的结构对聚合的活性和可控性都有一定的影响,而对聚合的立体选择性有重要的影响。以配合物9为催化剂制备齐聚物研究rac-LA聚合机理,齐聚物的1H NMR表征表明聚合机理符合配位插入机理。4.研究了桥联双芳氧基稀土金属胍基配合物催化rac-BBL聚合的行为。发现配合物1-13能以较高的活性催化rac-BBL开环聚合,且得到分子量分布相对较窄、间规含量在82%左右的聚丁内酯。稀土金属离子的半径对催化rac-BBL聚合活性有明显的影响,随稀土金属离子半径的增大其催化活性反而降低。对于稀土金属胍基配合物1-13,胍基的结构变化对催化rac-BBL开环聚合的活性有一定的影响,但对选择性没有影响。对于不同桥的桥联双芳氧基稀土金属胍基配合物14-20,它们同样能引发rac-BBL聚合。配体结构的变化对聚合的可控性有一定的影响,但对聚合的活性和选择性则有较显著的影响。由于单体的活性差异,与催化rac-LA开环聚合相比较,14、18和19催化BBL开环聚合在立体选择性方面的差异明显减小。以配合物9为催化剂合成齐聚物研究rac-BBL聚合机理,结果表明丁内酯聚合反应机理为配位插入机理。5.研究了桥联双芳氧基稀土金属胍基配合物催化PDO聚合的行为。首次将单点引发剂用于PDO的聚合,并研究了聚合的热力学和动力学。配合物1-13可以高活性催化PDO开环聚合,但聚合物分子量分布相对较宽。稀土金属离子半径对于PDO聚合的活性影响不大。胍基的结构变化对催化PDO开环聚合的活性有一定的影响,胍基N原子上基团的电子效应影响着聚合的活性。热力学研究表明聚合反应属于热力学平衡反应,温度改变对于催化剂活性的影响很大;动力学研究表明聚合反应为一级动力学反应,且表观活化能较低。对于不同桥的稀土金属胍基配合物14-20,它们同样能催化PDO开环聚合。桥联配体的桥结构对聚合的活性和可控性有一定的影响。通过制备齐聚物来研究PDO聚合机理,研究表明PDO聚合机理为配位插入机理,通过单体的酰-氧键断裂进行聚合。齐聚物的MALDI-TOF分析表明在此催化体系中存在着直链形以及大环状的聚合物。6.研究发现桥联双芳氧基稀土金属胍基配合物对于催化芳香醛和亚磷酸二烷基酯的氢膦化(Hydrophosphonylation)反应具有很高的活性,在室温、无溶剂条件下,以0.05mol%用量的催化剂,5分钟内就可以高产率得到相应的目标化合物α-羟基磷酸酯。研究还发现这类催化剂对醛类底物有很好的普适性,芳香醛和脂肪醛都可以高产率地转化成相对应的α-羟基磷酸酯。随后还研究了酮类底物的氢膦化反应,发现对酮类底物的催化活性中等,这可能与催化剂具有较大的空间位阻有关。此外还通过核磁管反应研究了氢膦化反应的机理。7.研究发现桥联双芳氧基稀土金属胍基配合物在温和条件下可以高活性地催化胺与碳化二亚胺成胍(胍化反应)的反应。筛选出10为最佳催化剂,在催化剂用量为0.5mol%、温度为25oC、无溶剂条件下对胍化反应底物的普适性进行了考察,发现该催化剂具有良好的底物适应能力。同时也对胍化反应的机理进行初步的研究。结果表明催化剂首先与底物胺进行胺解反应,生成有机胍和活性中间体胺化物;然后碳化二亚胺插入到胺化物的Ln–N键生成胍基配合物;此胍基配合物再夺取胺上质子生成产物胍同时生成新的活性中间体(胺化物)来实现催化的循环。
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