一种封装手性催化剂中空介孔纳米硅球的制备方法及其产品和应用

1.本发明属于功能材料制备技术领域，具体涉及一种封装手性催化剂中空介孔纳米硅球的制备方法及其产品和应用。


背景技术：

2.随着手性技术的日臻成熟，手性药物已达总药物数量的70％，多手性中心光学活性分子是构建生物活性手性药物分子的关键物质结构。从相对简单的起始原料，构建一些复杂的光学结构，负载催化剂往往更加被重视。从另一个角度来看，分离有机催化剂再利用，负载非均相有机催化剂常常优选相应的均相催化剂，这是公认的、常用的策略，然而，负载后催化位点包埋、催化剂流失严重、催化效率降低等因素，也制约着非均相催化的发展。介孔封装技术的发展，使负载型有机催化剂的增强了催化多功能性和可重复使用性，完全符合绿色化学的观点。
3.在多功能材料的发展方面，介孔硅球被认为是一种有前途的候选环保材料。由于优异的性能、良好的结构得到广泛的认可。
4.因此需要对封装手性催化剂中空介孔纳米硅球的制备方法及其产品和应用进行进一步研究。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种封装手性催化剂中空介孔纳米硅球的制备方法；本发明的目的之二在于提供一种封装手性催化剂中空介孔纳米硅球；本发明的目的之三在于提供一种封装手性催化剂中空介孔纳米硅球作为催化剂催化不对称迈克尔加成反应方面的应用。
6.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.1.一种封装手性催化剂中空介孔纳米硅球的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
8.(1)核壳纳米硅球的制备：将聚苯乙烯/丙烯酸内核和十六烷基三甲基溴化铵加入乙醇/水溶液中，搅拌，超声，然后滴加氨水调节ph，加热搅拌，再以0.1ml/5min的速度滴加正硅酸乙酯，加热搅拌反应后，冷却至室温，离心，洗涤，真空干燥，即可得到白色粉末即为核壳纳米硅球；
9.(2)中空介孔纳米硅球的制备：将步骤(1)中制备的核壳纳米硅球分散于n,n
‑
二甲基甲酰胺中，搅拌，离心，洗涤，真空干燥，得到固体物质，将固体物质分散于乙醇和醋酸的混合溶液中，回流后，离心，反复洗涤，真空干燥，即可得到中空介孔纳米硅球；
10.(3)吸附手性催化剂的中空介孔纳米硅球的制备：将步骤(2)中制备的中空介孔纳米硅球中加入大分子手性催化剂、甲苯，超声，磁力搅拌，然后静置离心，吸出上清液，即可得到吸附手性催化剂的中空介孔纳米硅球；
11.(4)封装手性催化剂中空介孔纳米硅球的制备：将步骤(3)中制备的吸附手性催化剂的中空介孔纳米硅球分散于去离子水，滴加氨水调节ph，加热搅拌，再以0.1ml/5min的速度滴加正硅酸乙酯，加热搅拌反应，冷却至室温，离心，洗涤，自然风干，即可得到封装手性催化剂中空介孔纳米硅球。
12.优选的，步骤(1)中所述聚苯乙烯/丙烯酸内核、十六烷基三甲基溴化铵和正硅酸乙酯的质量摩尔比为50
‑
150:25:2，g:g:mol；步骤(1)中所述聚苯乙烯/丙烯酸内核和步骤(3)中大分子手性催化剂的质量摩尔比为50
‑
150:5，g:mol。
13.优选的，所述大分子手性催化剂为手性胺、手性羧酸或手性膦酸中的任意一种或几种。
14.优选的，步骤(1)和步骤(4)中所述ph为10
‑
12。
15.优选的，步骤(4)中所述正硅酸乙酯与步骤(1)中正硅酸乙酯摩尔比为1
‑
1.6:100，mol:mol。
16.优选的，所述聚苯乙烯/丙烯酸内核按照如下方法制备：
17.(1)将装有过硫酸钾的容器抽真空形成氩气环境，依次加入苯乙烯、丙烯酸和预超声的去离子水，加热搅拌，得到母液；
18.(2)将母液加水稀释，离心，洗涤，离心，真空干燥，研磨，得到平均粒径为110
‑
140nm的聚苯乙烯/丙烯酸内核。
19.优选的，所述苯乙烯的浓度为0.88mol/l；所述14.6mol/l的丙烯酸；所述过硫酸钾、苯乙烯、丙烯酸和去离子水的质量体积比为0.05:5:1.0:100，g:ml:ml:ml。
20.2.上述制备方法制备得到的封装手性催化剂中空介孔纳米硅球。
21.3.上述封装手性催化剂中空介孔纳米硅球在催化不对称迈克尔加成反应中的应用。
22.优选的，所述应用具体为：所述封装手性催化剂中空介孔纳米硅球作为催化剂催化环脂类酮与硝基烯烃的不对称迈克尔加成反应。
23.本发明的有益效果在于：
24.1、本发明公开了一种封装手性催化剂中空介孔纳米硅球的制备方法，首先通过将聚苯乙烯/丙烯酸内核、十六烷基三甲基溴化铵以及正硅酸乙酯之间的相互作用，再通过洗涤的方式将聚苯乙烯/丙烯酸内核ps/aa和十六烷基三甲基溴化铵ctab除去，通过缩孔封装大分子手性催化剂，最终制备封装手性催化剂中空介孔纳米硅球，该制备方法简单，产量高。
25.2、本发明还公开了本发明制备的封装手性催化剂中空介孔纳米硅球，可以作为催化剂在催化不对称迈克尔加成反应中具有优异的催化结果(催化不对称迈克尔加成反应的产率为65～98％，其中反式和顺式的比例为82:18～95:5、ee为92～98％)，并且容易回收、能够重复使用(15次)。
26.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
27.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
28.图1为实施例中大分子手性催化剂的化学结构式，其中(a)、(b)、(c)分别为实施例2、实施例3、实施例4中使用的大分子手性催化剂；
29.图2为实施例2中制备的吸附手性催化剂的中空介孔纳米硅球缩孔封装前后介孔的分布图，(a)为吸附手性催化剂的中空介孔纳米硅球缩孔封装前；(b)为吸附手性催化剂的中空介孔纳米硅球缩孔封装后；
30.图3为实施例1中制备的封装手性催化剂中空介孔纳米硅球的催化流程示意图；
31.图4为实施例2中制备的封装手性催化剂中空介孔纳米硅球的sem图；
32.图5为实施例2中制备的封装手性催化剂中空介孔纳米硅球的tem图；
33.图6为实施例5中封装手性催化剂中空介孔纳米硅球催化不对称迈克尔加成反应后生成产物的高效液相色谱图。
具体实施方式
34.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
35.实施例1
36.制备聚苯乙烯/丙烯酸内核ps/aa，具体包括如下步骤：
37.(1)将装有0.05g过硫酸钾的150ml双颈烧瓶抽真空、通入氩气并置换三次，依次加入5ml浓度为0.88mol/l的苯乙烯、1.0ml浓度为14.6mol/l的丙烯酸和100ml预超声的去离子水的混合溶液中，在80℃、转速为800rpm下搅拌24h，得到母液；
38.(2)将母液置于离心管中，加等体积的水稀释，以11800rpm的转速离心8min，然后依次用与母液等体积的去离子水和乙醇分别洗涤2次，离心，在50℃下真空干燥12h，研磨，得到平均粒径为110
‑
140nm的聚苯乙烯/丙烯酸内核ps/aa。
39.实施例2
40.制备封装手性催化剂中空介孔纳米硅球，具体包括如下步骤：
41.(1)核壳纳米硅球的制备：将实施例1中制备的100mg聚苯乙烯/丙烯酸内核和25mg孔模板剂十六烷基三甲基溴化铵分散在19ml乙醇和1ml去离子水的混合溶液中，搅拌5h，超声30min使其分散均匀，滴加0.18ml质量分数为28％的nh3·
h2o，调节ph＝10，在30℃下搅拌30min，再以0.1ml/5min的速度滴加2mmol的正硅酸乙酯，在转速为660rpm和30℃下反应20h，冷却至室温，取5ml反应液于离心管中，用乙醇稀释至10ml，在转速11800rpm下离心5min，依次用去离子水(6ml
×
2)和乙醇(8ml
×
2)洗涤，在50℃下真空干燥12h，即可得到白色粉末即为核壳纳米硅球，此核壳纳米硅球以聚苯乙烯/丙烯酸作为核，带有活性乙氧基官能团的二氧化硅作为外壳；
42.(2)中空介孔纳米硅球的制备：将步骤(1)中制备的核壳纳米硅球分散于20mln,n
‑
二甲基甲酰胺中，常温搅拌12h，离心，依次用n,n
‑
二甲基甲酰胺dmf(5ml
×
2)、乙醇(5ml
×
3)洗涤，60℃真空干燥，除去聚苯乙烯/丙烯酸内核和十六烷基三甲基溴化铵，得到固体物质，将固体物质分散于30ml乙醇和0.7ml醋酸的混合溶液中，在60℃下回流15h后，离心，反复洗涤三次，除去十六烷基三甲基溴化铵因非均相不对称烷基化反应产生的消旋产物，60℃真空干燥，即可得到中空介孔纳米硅球；
43.(3)吸附手性催化剂的中空介孔纳米硅球的制备：将步骤(2)中制备的中空介孔纳米硅球加入装有磁力搅拌装置的250ml单颈瓶中，分别加入5mmol手性胺(其化学结构式如图1中a所示)、甲苯150ml，超声分散15min，在转速为860rpm下搅拌15min，然后在20℃下静置吸附20h，离心，滴管吸出上清液，即可得到吸附手性催化剂的中空介孔纳米硅球(其介孔分布图如图2中a所示)；
44.(4)封装手性催化剂中空介孔纳米硅球的制备：将步骤(3)中吸附手性催化剂的中空介孔纳米硅球分散于去离子水，滴加0.08ml质量分数为28％的nh3·
h2o，调节ph＝10，在30℃下搅拌10min，取0.02mmol正硅酸乙酯teos以0.1ml/5min的速度滴加到上述溶液中，在转速为660rpm和30℃下反应20h，冷却至室温，在转速11800rpm离心5min，依次用去离子水(6ml
×
2)和乙醇(8ml
×
2)洗涤，自然风干36h，缩孔封装，即可得到封装手性催化剂中空介孔纳米硅球(其介孔分布图如图2中b所示)(其催化流程示意图如图3所示)。
45.图2为实施例2中制备的中空介孔纳米硅球缩孔封装前后介孔的变化，其中a)为中空介孔纳米硅球缩孔封装前；b)为中空介孔纳米硅球缩孔封装后；由图2可知，封装前后峰值都在2.0
×
10
‑
2cc nm
‑1g
‑1，图2(a)介孔主体分布在2
‑
10nm，强度在1.0
×
10
‑
2cc nm
‑1g
‑1，图2(b)介孔主体分布在2
‑
10nm，强度降低到0.6
×
10
‑2cc nm
‑1g
‑1，通过介孔的分布可知封装成功。
46.图4为实施例2中制备的封装手性催化剂中空介孔纳米硅球的sem图，由图4可知，封装手性催化剂中空介孔纳米硅球的形貌是球形。
47.图5为实施例2中制备的封装手性催化剂中空介孔纳米硅球的tem图，由图5可知，封装手性催化剂中空介孔纳米硅球具有明显的中空结构。
48.实施例3
49.制备封装手性催化剂中空介孔纳米硅球，具体包括如下步骤：
50.(1)核壳纳米硅球的制备：将实施例1中制备的50mg聚苯乙烯/丙烯酸内核和25mg孔模板剂十六烷基三甲基溴化铵分散在19ml乙醇和1ml去离子水的混合溶液中，搅拌5h，超声30min使其分散均匀，滴加0.18ml质量分数为28％的nh3·
h2o，调节ph＝11，在30℃下搅拌30min，再以0.1ml/5min的速度滴加2mmol的正硅酸乙酯，在转速为660rpm和30℃下反应20h，冷却至室温，取5ml反应液于离心管中，用乙醇稀释至10ml，在转速11800rpm下离心5min，依次用去离子水(6ml
×
2)和乙醇(8ml
×
2)洗涤，在50℃下真空干燥12h，即可得到白色粉末即为核壳纳米硅球，此核壳纳米硅球以聚苯乙烯/丙烯酸作为核，带有活性乙氧基官能团的二氧化硅作为壳；
51.(2)中空介孔纳米硅球的制备：将步骤(1)中制备的核壳纳米硅球分散于20mln,n
‑
二甲基甲酰胺中，常温搅拌12h，离心，依次用n,n
‑
二甲基甲酰胺dmf(5ml
×
2)、乙醇(5ml
×
3)洗涤，60℃真空干燥，除去聚苯乙烯/丙烯酸内核和十六烷基三甲基溴化铵，得到固体物质，将固体物质分散于30ml乙醇和0.7ml醋酸的混合溶液中，在60℃下回流15h后，离心，按
如此方法，反复洗涤三次，除去十六烷基三甲基溴化铵因非均相不对称烷基化反应产生的消旋产物，60℃真空干燥，即可得到中空介孔纳米硅球；
52.(3)吸附手性催化剂的中空介孔纳米硅球的制备：将步骤(2)中制备的中空介孔纳米硅球加入装有磁力搅拌装置的250ml单颈瓶中，分别加入5mmol手性羧酸(其化学结构式如图1中b所示)、甲苯150ml，超声分散15min，在转速860rpm下搅拌15min，然后在20℃下静置吸附20h，离心，滴管吸出上清液，即可得到吸附手性催化剂的中空介孔纳米硅球；
53.(4)封装手性催化剂中空介孔纳米硅球的制备：将步骤(3)中吸附手性催化剂的中空介孔纳米硅球分散于去离子水，滴加0.08ml质量分数为28％的nh3·
h2o，调节ph＝11，在30℃下搅拌10min，取0.026mmol正硅酸乙酯teos以0.1ml/5min的速度滴加到上述溶液中，在660rpm和30℃下反应20h，冷却至室温，在转速11800rpm离心5min，依次用去离子水(6ml
×
2)和乙醇(8ml
×
2)洗涤，自然风干36h，缩孔封装，即可得到封装手性催化剂中空介孔纳米硅球。
54.实施例4
55.制备封装手性催化剂中空介孔纳米硅球，具体包括如下步骤：
56.(1)核壳纳米硅球的制备：将实施例1中制备的150mg聚苯乙烯/丙烯酸内核和25mg孔模板剂十六烷基三甲基溴化铵分散在19ml乙醇和1ml去离子水的混合溶液中，搅拌5h，超声30min使其分散均匀，滴加0.18ml质量分数为28％的nh3·
h2o，调节ph＝12，在30℃下搅拌30min，再以0.1ml/5min的速度滴加2mmol的正硅酸乙酯，在转速为660rpm和30℃下反应20h，冷却至室温，取5ml反应液于离心管中，用乙醇稀释至10ml，在转速11800rpm下离心5min，依次用去离子水(6ml
×
2)和乙醇(8ml
×
2)洗涤，在50℃下真空干燥12h，即可得到白色粉末即为核壳纳米硅球，此核壳纳米硅球以聚苯乙烯/丙烯酸作为核，带有活性乙氧基官能团的二氧化硅作为壳；
57.(2)中空介孔纳米硅球的制备：将步骤(1)中制备的核壳纳米硅球分散于20mln,n
‑
二甲基甲酰胺中，常温搅拌12h，离心，依次用n,n
‑
二甲基甲酰胺dmf(5ml
×
2)、乙醇(5ml
×
3)洗涤，60℃真空干燥，除去聚苯乙烯/丙烯酸内核和十六烷基三甲基溴化铵，得到固体物质，将固体物质分散于30ml乙醇和0.7ml醋酸的混合溶液中，在60℃下回流15h后，离心，按如此方法，反复洗涤三次，除去十六烷基三甲基溴化铵因非均相不对称烷基化反应产生的消旋产物，60℃真空干燥，即可得到中空介孔纳米硅球；
58.(3)吸附手性催化剂的中空介孔纳米硅球的制备：将步骤(2)中制备的中空介孔纳米硅球加入装有磁力搅拌装置的250ml单颈瓶中，分别加入5mmol手性膦酸(其化学结构式如图1中c所示)、甲苯150ml，超声分散15min，在转速860rpm下搅拌15min，然后在20℃下静置吸附20h，离心，滴管吸出上清液，即可得到吸附手性催化剂的中空介孔纳米硅球；
59.(4)封装手性催化剂中空介孔纳米硅球的制备：将步骤(3)中吸附手性催化剂的中空介孔纳米硅球分散于去离子水，滴加0.08ml质量分数为28％的nh3·
h2o，调节ph＝12，在30℃下搅拌10min，取0.032mmol正硅酸乙酯teos以0.1ml/5min的速度滴加到上述溶液中，在660rpm和30℃下反应20h，冷却至室温，在转速11800rpm离心5min，依次用去离子水(6ml
×
2)和乙醇(8ml
×
2)洗涤，自然风干36h，缩孔封装，即可得到封装手性催化剂中空介孔纳米硅球。
60.实施例5
61.将实施例2中制备的封装手性催化剂中空介孔纳米硅球用于催化环脂类酮与硝基烯烃的不对称迈克尔加成反应，反应式如下所示：
[0062][0063]
具体包括如下步骤：向试管中加入8.21mg封装手性催化剂中空介孔纳米硅球、0.564g环脂类酮和1ml h2o，将反应混合物置于封闭体系中搅拌15min，再加入37.75mg硝基苯乙烯，在20℃搅拌48h(tlc监测)，加入5ml二氯甲烷萃取有机相，离心分离催化剂，分离的有机相用无水硫酸钠干燥、过滤和真空脱溶，粗产品经硅胶柱层析纯化【石油醚/二氯甲烷(v/v＝10/1
→
2/1)为流动相】，旋转蒸发除去溶剂，称重计算产率，hplc测定。
[0064]
另外将反应物中的硝基苯乙烯分别更换为3
‑
氯硝基苯乙烯、2
‑
氯硝基苯乙烯、4
‑
氯硝基苯乙烯、3
‑
甲基硝基苯乙烯、2
‑
甲基硝基苯乙烯，采用上述制备的封装手性催化剂中空介孔纳米硅球作为催化剂，分别得到不同选择性催化底物。封装手性催化剂中空介孔纳米硅球催化不对称迈克尔加成反应具有良好的催化效果(催化不对称迈克尔加成反应的产率为65～98％，其中反式和顺式的比例为82:18～95:5、ee为92～98％)，并且容易回收、能够重复使用(15次)。
[0065]
同样实施例3和实施例4中制备的封装手性催化剂中空介孔纳米硅球经过检测都具有如实施例2中制备的封装手性催化剂中空介孔纳米硅球的性能，其催化不对称迈克尔加成反应具有良好的催化效果(催化不对称迈克尔加成反应的产率为65～98％，其中反式和顺式的比例为82:18～95:5、ee为92～98％)，并且容易回收、能够重复使用(15次)。
[0066]
综上所述，本发明公开了一种封装手性催化剂中空介孔纳米硅球的制备方法，首先通过将聚苯乙烯/丙烯酸内核、十六烷基三甲基溴化铵以及正硅酸乙酯之间的相互作用，再通过洗涤的方式将聚苯乙烯/丙烯酸内核ps/aa和十六烷基三甲基溴化铵ctab除去，通过缩孔封装大分子手性催化剂，最终制备封装手性催化剂中空介孔纳米硅球，该制备方法简单，产量高。本发明还公开了本发明制备的封装手性催化剂中空介孔纳米硅球，可以作为催化剂在催化不对称迈克尔加成反应中具有优异的催化结果(催化不对称迈克尔加成反应的产率为65～98％，其中反式和顺式的比例为82:18～95:5、ee为92～98％)，并且容易回收、能够重复使用(15次)。
[0067]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。