一种负载手性杂多酸中空介孔纳米微球的制备方法及其产品和应用
阅读说明：本技术 一种负载手性杂多酸中空介孔纳米微球的制备方法及其产品和应用 (Preparation method of supported chiral heteropolyacid hollow mesoporous nano-microsphere, product and application thereof ) 是由 谢广新 周贤菊 李丽 罗小兵 江莎 唐笑 李艳虹 曹中民 凌发令 姚璐 于 2020-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种负载手性杂多酸中空介孔纳米微球的制备方法及其产品和应用,属于功能材料制备技术领域。本发明公开了一种负载手性杂多酸中空介孔纳米微球的制备方法,以Boc-L-脯氨酸为原料,经包裹聚苯乙烯/丙烯酸内核与钨酸钠溶液共沉淀得到核壳结构,再经过脱-Boc、去除内核与介孔模板等步骤,制备负载手性杂多酸中空介孔纳米微球,制备方法简单、容易操作,制备得到的负载手性杂多酸中空介孔纳米微球可用于催化双迈克尔不对称串联反应,提高反应的产率以及选择性,且反应结束后通过简单的离心即可对纳米微球进行回收再利用。(The invention relates to a preparation method of a supported chiral heteropoly acid hollow mesoporous nano microsphere, a product and application thereof, belonging to the technical field of functional material preparation. The invention discloses a preparation method of a supported chiral heteropoly acid hollow mesoporous nano microsphere, which takes Boc-L-proline as a raw material, obtains a core-shell structure by wrapping a polystyrene/acrylic acid core and coprecipitating with a sodium tungstate solution, and prepares the supported chiral heteropoly acid hollow mesoporous nano microsphere through the steps of removing-Boc, removing the core and a mesoporous template and the like.)
技术领域
本发明属于功能材料制备技术领域，具体涉及一种负载手性杂多酸中空介孔纳米微球的制备方法及其产品和应用。
背景技术
近年来，不对称有机催化在合成医药中间体、天然产物和生物活性分子等方面显现出卓越的催化性能。脯氨酸催化剂由于其在Aldol、Michael、Henry、Michael/Michael等不对称反应中的高反应活性和高立体选择性而成为不对称有机催化的明星催化剂。然而，由于
基于绿色化学的理念，-Hayashi催化剂及其助催化剂的负载回收策略受到越来越多的关注。因此需要研究一种新的能够进行不对称有机反应的催化作用、同时能够易于分离和重复利用的新型不对称有机催化剂。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种负载手性杂多酸中空介孔纳米微球的制备方法；本发明的目的之二在于提供一种负载手性杂多酸中空介孔纳米微球；本发明的目的之三在于提供一种负载手性杂多酸中空介孔纳米微球在催化不对称双迈克尔串联反应中的应用。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
1.一种负载手性杂多酸中空介孔纳米微球的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将Boc-L-脯氨酸、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和聚苯乙烯/丙烯酸内核(PS/AA)混合，加入水后在70～85℃下混合搅拌15～25min使其充分分散，以1～3滴/min的速度加入NaWO2水溶液，恒温沉降进行反应，反应结束后离心分离、洗涤、干燥，得到白色粉末即为Boc-a核壳；
(2)向步骤(1)中的Boc-a核壳中加入KOH、CH3OH和DMSO，在60～70℃下反应12～16h，加水淬灭，离心分离、洗涤、干燥得到白色粉末即为a核壳；
(3)将步骤(2)中制备得到a核壳通过洗涤除去内层模板(PS/AA)和孔模板(CTAB)，得到负载手性杂多酸中空介孔纳米微球。
优选的，步骤(1)中所述Boc-L-脯氨酸、聚苯乙烯/丙烯酸内核和NaWO2的摩尔质量比为1～8:100:0.1～2，mol:g:mol；
所述十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和聚苯乙烯/丙烯酸内核(PS/AA)的质量比为13.6:100。
优选的，步骤(1)中所述NaWO2水溶液中NaWO2的浓度为0.625mol/L。
优选的，步骤(2)中所述Boc-a核壳、KOH、CH3OH和DMSO的质量体积比为0.5:0.8～1.2:5～15:15～25，g:g:mL:mL。
优选的，步骤(1)和步骤(2)中，所述洗涤为先用纯水洗涤4次，再用乙醇洗涤2次；所述离心分离的转速为11000～13500r/min。
优选的，所述聚苯乙烯/丙烯酸内核(PS/AA)按照如下方法制备：
(1)在抽真空通氩气的情况下以0.19:4.4:14.6:100，mol:mol:mol:L的摩尔体积比向过硫酸钾中加入苯乙烯、丙烯酸和去离子水，升温搅拌进行反应；
(2)搅拌结束后加水稀释，搅拌离心后依次用去离子水和乙醇洗涤，真空干燥后研磨即可得到聚苯乙烯/丙烯酸内核。
优选的，所述过硫酸钾、苯乙烯、丙烯酸和去离子水的摩尔体积比为0.19:4.4:14.6:100，mol:mol:mol:L。
优选的，所述升温搅拌具体为升温至80℃下以800rpm的转速搅拌24h。
优选的，所述加水稀释过程中升温搅拌进行反应后的溶液与水的体积比为1:1.
优选的，所述搅拌离心具体为以11800rpm的转速搅拌离心8min。
优选的，所述真空干燥为在50℃下真空干燥12h。
优选的，步骤(3)中所述洗涤的方式具体为：用体积比为1:3的醋酸/四氢呋喃混合溶剂、N,N-二甲基甲酰胺或者甲苯中的任意一种进行洗涤至除去内层模板(PS/AA)和孔模板十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)。
2.根据上述制备方法制备得到的负载手性杂多酸中空介孔纳米微球。
3.上述负载手性杂多酸中空介孔纳米微球在催化不对称双迈克尔串联反应中的应用。
优选的，所述不对称双迈克尔串联反应中反应物为硝基烯和不饱和酮。
本发明的有益效果在于：本发明公开了一种负载手性杂多酸中空介孔纳米微球的制备方法，以Boc-L-脯氨酸为原料，经包裹聚苯乙烯/丙烯酸内核与钨酸钠溶液共沉淀得到核壳结构，在经过脱-Boc、去除内核与介孔模板等步骤，制备负载手性杂多酸中空介孔纳米微球，制备方法简单、容易操作，制备得到的负载手性杂多酸中空介孔纳米微球可用于催化双迈克尔不对称串联反应，提高反应的产率以及选择性，且反应结束后通过简单的离心即可对纳米微球进行回收再利用。
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
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：
图1为一种负载手性杂多酸中空介孔纳米微球制备流程图；
图2为实施例2中制备的纳米微球的SEM图；
图3为实施例2中制备的纳米微球的TEM图；
图4为实施例2～5中制备的纳米微球的粒径分布图，其中a、b、c和d分别表示实施例2、实施例3、实施例4和实施例5制备的纳米微球；
图5为实施例2～5中制备的纳米微球的红外光谱图，其中a、b、c和d分别表示实施例2、实施例3、实施例4和实施例5制备的纳米微球；
图6为实施例2～5中制备的纳米微球的SEM图，其中a、b、c和d分别表示实施例2、实施例3、实施例4和实施例5制备的纳米微球；
图7为实施例1中制备的纳米微球催化不对称双迈克尔串联反应后的HPLC测试结果。
具体实施方式
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。
实施例1
制备聚苯乙烯/丙烯酸内核PS/AA，具体制备方法如下：
(1)先100mL的双颈瓶中加入过硫酸钾(0.05g，0.19mmol，0.2mol％)，抽真空通氩气并置换三次，加入苯乙烯(5mL，4.4mmol)、丙烯酸(1.0mL，14.6mmol)和预超声的去离子水(100mL)，将温度升至80℃后以800rpm的转速搅拌24h后停止反应得到母液；
(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，从而从母液中离心分离出产品，在50℃下真空干燥12h，将干燥后的产物充分研磨得平均粒径约325±11nm的聚苯乙烯微球(PS/AA)，即可作为后续制备负载手性杂多酸中空介孔纳米微球中的聚苯乙烯/丙烯酸内核。
实施例2
制备一种负载手性杂多酸中空介孔纳米微球，制备流程如图1所示，具体制备方法如下所示：
(1)向装有磁力搅拌装置的50mL单颈瓶中，分别加入阿拉丁试剂公司购买的Boc-L-脯氨酸(2.2mmol)、安耐吉试剂公司购买的十六烷基三甲基溴化铵CTAB(20.4mg)、实施例1中制备的聚苯乙烯/丙烯酸内核PS/AA(150mg)和15.0mL水，搅拌升温至80℃并保温20min，用微量进样器以1～3滴/min的速度滴加含0.15mmol NaWO2的NaWO2水溶液1.0mL，停止搅拌，继续恒温沉降12h，以12000r/min的转速离心分离，依次用15mL纯水洗涤4次、15mL乙醇洗涤2次，真空干燥得白色粉末(Boc-a核壳)(126mg，88％)；
(2)向带有磁力搅拌装置的50mL单颈瓶中，加入步骤(1)中制备的Boc-a核壳(0.5g)、KOH(0.8g，13.3mmol)、5mL CH3OH和15mL DMSO，65℃下反应12h，加20mL水淬灭反应，用30mL正己烷)-萃取3次，以12000r/min的转速离心分离，依次用15mL纯水洗涤4次、15mL乙醇洗涤2次，真空干燥，得白色粉末(a核壳)(326mg)；
(3)将制备的a核壳用50mL体积比为1:3的醋酸和四氢呋喃混合溶剂洗涤4次(或者50mL的N,N-二甲基甲酰胺洗涤3次、或者50mL甲苯洗涤6次)，出去内层模板(PS/AA)、孔模板CTAB，获得负载手性杂多酸中空介孔纳米微球，其SEM和TEM图如图2和3所示，说明制备的纳米微球具有明显的核壳结构。
实施例3
制备一种负载手性杂多酸中空介孔纳米微球，具体制备方法如下所示：
(1)向装有磁力搅拌装置的50mL单颈瓶中，分别加入阿拉丁试剂公司购买的Boc-L-脯氨酸(4.0mmol)、十安耐吉试剂公司购买的六烷基三甲基溴化铵CTAB(6.8mg)、实施例1中制备的聚苯乙烯/丙烯酸内核PS/AA(50mg)和15.0mL水，搅拌升温至70℃并保温25min，用微量进样器以1～3滴/min的速度滴加含1.0mmol NaWO2的NaWO2水溶液1.0mL，停止搅拌，继续恒温沉降12h，以11000r/min的转速离心分离，依次用15mL纯水洗涤4次、15mL乙醇洗涤2次，真空干燥得白色粉末(Boc-a核壳)(126mg，88％)；
(2)向带有磁力搅拌装置的50mL单颈瓶中，加入Boc-a核壳(0.5g)、KOH(0.8g，13.3mmol)、5mL CH3OH和15mL DMSO，65℃下反应12h，加20mL水淬灭反应，用30mL正己烷)-萃取3次，以12000r/min的转速离心分离，依次用15mL纯水洗涤4次、15mL乙醇洗涤2次，真空干燥，得白色粉末(a核壳)(326mg)；
(3)将制备的a核壳用50mL体积比为1:3的醋酸和四氢呋喃混合溶剂洗涤4次(或者50mL的N,N-二甲基甲酰胺洗涤3次、或者50mL甲苯洗涤6次)，除去内层模板(PS/AA)、孔模板CTAB，获得负载手性杂多酸中空介孔纳米微球。
实施例4
制备一种负载手性杂多酸中空介孔纳米微球，具体制备方法如下所示：
(1)向装有磁力搅拌装置的50mL单颈瓶中，分别加入阿拉丁试剂公司购买的Boc-L-脯氨酸(4.0mmol)、安耐吉试剂公司购买的十六烷基三甲基溴化铵CTAB(13.6mg)、实施例1中制备的聚苯乙烯/丙烯酸内核PS/AA(100mg)和15.0mL水，搅拌升温至85℃并保温15min，用微量进样器以1～3滴/min的速度滴加含1.0mmol NaWO2的NaWO2水溶液1.0mL，停止搅拌，继续恒温沉降12h，以13500r/min的转速离心分离，依次用15mL纯水洗涤4次、15mL乙醇洗涤2次，真空干燥得白色粉末(Boc-a核壳)(126mg，88％)；
(2)向带有磁力搅拌装置的50mL单颈瓶中，加入Boc-a核壳(0.5g)、KOH(0.8g，13.3mmol)、5mL CH3OH和15mL DMSO，65℃下反应12h，加20mL水淬灭反应，用30mL正己烷)-萃取3次，以12000r/min的转速离心分离，依次用15mL纯水洗涤4次、15mL乙醇洗涤2次，真空干燥，得白色粉末(a核壳)(326mg)；
(3)将制备的a核壳用50mL体积比为1:3的醋酸和四氢呋喃混合溶剂洗涤4次(或者50mL的N,N-二甲基甲酰胺洗涤3次、或者50mL甲苯洗涤6次)，出去内层模板(PS/AA)、孔模板CTAB，获得负载手性杂多酸中空介孔纳米微球。
实施例5
制备一种负载手性杂多酸中空介孔纳米微球，具体制备方法如下所示：
(1)向装有磁力搅拌装置的50mL单颈瓶中，分别加入阿拉丁试剂公司购买的Boc-L-脯氨酸(2.0mmol)、安耐吉试剂公司购买的十六烷基三甲基溴化铵CTAB(27.2mg)、实施例1中制备的聚苯乙烯/丙烯酸内核PS/AA(200mg)和15.0mL水，搅拌升温至80℃并保温20min，用微量进样器以1～3滴/min的速度滴加含1.0mmol NaWO2的NaWO2水溶液1.0mL，停止搅拌，继续恒温沉降12h，以12000r/min的转速离心分离，依次用15mL纯水洗涤4次、15mL乙醇洗涤2次，真空干燥得白色粉末(Boc-a核壳)(126mg，88％)；
(2)向带有磁力搅拌装置的50mL单颈瓶中，加入Boc-a核壳(0.5g)、KOH(0.8g，13.3mmol)、5mL CH3OH和15mL DMSO，65℃下反应12h，加20mL水淬灭反应，用30mL正己烷)-萃取3次，以12000r/min的转速离心分离，依次用15mL纯水洗涤4次、15mL乙醇洗涤2次，真空干燥，得白色粉末(a核壳)(326mg)；
(3)将制备的a核壳用50mL体积比为1:3的醋酸和四氢呋喃混合溶剂洗涤4次(或者50mL的N,N-二甲基甲酰胺洗涤3次、或者50mL甲苯洗涤6次)，出去内层模板(PS/AA)、孔模板CTAB，获得负载手性杂多酸中空介孔纳米微球。
对实施例2～5中制备的负载手性杂多酸中空介孔纳米微球进行性能测试，其结果如图4～6所示，其中图4为实施例2～5中制备的负载手性杂多酸中空介孔纳米微球的孔径分布图(a、b、c和d分别表示实施例2、实施例3、实施例4和实施例5制备的纳米微球)；图5为实施例1～4中制备的负载手性杂多酸中空介孔纳米微球的红外光谱图(a、b、c和d分别表示实施例2、实施例3、实施例4和实施例5制备的纳米微球)；图6为实施例1～4中制备的负载手性杂多酸中空介孔纳米微球的SEM图(a、b、c和d分别表示实实施例2、实施例3、实施例4和实施例5制备的纳米微球)。从图4～6的测试结果可知，制备过程中通过调节脯氨酸、钨酸钠和聚苯乙烯(PS)的摩尔质量比能够得到成分不同、粒径不同的负载手性杂多酸中空介孔纳米微球，但脯氨酸、钨酸钠与聚苯乙烯(PS)的摩尔质量比为3：2：150时制得的纳米微球形貌最好，孔径最好主要分布在2～60nm之间。
实施例5
将实施例2～5中制备的负载手性杂多酸中空介孔纳米微球作为催化剂用于催化不对称双迈克尔串联反应，以硝基烯和不饱和酮的反应为例，其反应通式为：
其中以本发明实施例1中制备的负载手性杂多酸中空介孔纳米微球为催化剂催化反式-4-苯基-3-丁烯-2-酮和反式-β-硝基苯乙烯的不对称双迈克尔串联反应为例，具体的催化反应的步骤如下：于反应试管(25mL)中加入制备的负载手性杂多酸中空介孔纳米微球(添加中空介孔纳米微球的摩尔量为反应物反式-β-硝基苯乙烯的30％)作催化剂，继续加入甲苯(1.0mL)和去离子水(1.0mL)，25℃下搅拌15min，加入反式-β-硝基苯乙烯(29.8mg，0.20mmol)和反式-4-苯基-3-丁烯-2-酮(32.2mg，0.22mmol)，反应48h。离心分离，催化剂(负载手性杂多酸中空介孔纳米微球)直接回收用于下一次催化，离心液用乙酸乙酯提取(3×20mL)，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/乙酸乙酯(v/v＝10/1→2/1)为流动相】，旋转蒸发除去溶剂，称重计算产率为85％，HPLC测定对映选择性(94％ee)，非对映选择性D.r.[(anti/syn)＝92/8]，结果如图7所示。
另外实施例3～5中利用不同的脯氨酸、钨酸钠和聚苯乙烯/丙烯酸内核(PS/AA)的摩尔质量比制备的负载手性杂多酸中空介孔纳米微球同样可以用于催化不对称双迈克尔串联反应，按照实施例1中的纳米微球催化反式-4-苯基-3-丁烯-2-酮和反式-β-硝基苯乙烯的不对称双迈克尔串联反应的流程，其催化反应的效果如下表1所示，同样通过离心分离可以得到催化剂用于下一次的不对称双迈克尔串联反应催化。
表1实施例1～4中制备的纳米微球对不对称双迈克尔串联反应的催化效果
催化剂
产率
对应选择性
非对应选择性
实施例2
85
94％
92/8
实施例3
76
90％
84/16
实施例4
82
91％
88/12
实施例5
84
93％
89/11
综上所述，本发明公开了一种负载手性杂多酸(脯氨酸和钨酸)中空介孔纳米微球的制备方法，以Boc-L-脯氨酸为原料，经包裹聚苯乙烯/丙烯酸内核与钨酸钠溶液共沉淀得到核壳结构，再经过脱-Boc、去除内核与介孔模板等步骤，制备负载手性杂多酸中空介孔纳米微球，制备方法简单、容易操作，制备得到的负载手性杂多酸中空介孔纳米微球。本发明制备的中空介孔纳米微球可用于催化双迈克尔不对称串联反应，提高反应的产率(79～98％)以及选择性(ee值93-99％，Dr值＝7.1-23.3)，且反应结束后通过简单的离心即可对纳米微球进行回收再利用，主要是说因为通过本发明的方法制备负载手性杂多酸中空介孔纳米微球，主要通过酸碱中和沉淀将催化剂固载，得到结构稳定、可多次循环使用的不对称双迈克尔串联反应催化剂，由于其制备的催化剂形貌规整、孔结构好，作为催化提供了较为均一的孔通道，增加了催化剂与反应物充分接触的比表面积，从而体现出固载催化与绿色化学紧密结合。
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。
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