近日，《國家科學評論》(Nat. Sci. Rev.)和德國《應用化學》（Angew. Chem. Int. Ed.）相繼報道了中山大學蘇成勇教授課題組在超分子籠限域催化方向的最新研究進展。該課題組基於前期設計合成的水溶性Ru(II)—Pd(II)雙金屬八面體超分子籠MOC-16（J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 4456），提出以開放多孔籠溶液為液態異相性超分子催化平臺，利用仿酶超分子籠效應實現多功能籠限域催化的思想。
MOC-16超分子籠具有高正電荷、多孔視窗、質子電離特性，適於在均相體系中營造籠內外環境、性質（籠內空間和籠外溶液）完全不同的異相性，如籠內外酸鹼兩性環境、籠內外介面傳輸、主-客體作用相轉移等，進而形成具有多相性、多功能性的溶液微納空間作為分子反應器，構建融合均相、異相、相轉移和酶催化特點的多模式催化平臺。而仿酶超分子籠效應是控制反常性籠限域催化的關鍵因素，克服了經典溶液理論中“溶劑籠”效應的瞬態不穩定性，決定了選擇性分子傳輸（底物識別與產物釋放）、難溶性分子相轉移（底物、產物與助催化劑）、溶液局域環境酸鹼兩性化、過渡態穩定化、質子電離平衡驅動、底物富集與定向、反應加速與迴圈等協同、偶合作用。
在Nat. Sci. Rev.文章中，作者提出以開放孔籠溶液作為酸鹼兩性催化體系，將單獨的籠限域空間與液體的流動性相結合，有利於底物/產物優先於溶劑分子選擇性進出籠限域空間，最大化利用多孔材料的限域空間與仿酶效應，為提高仿酶超分子催化的單分子利用效率提供了一種理想的模型。他們發現該水溶性MOC-16奈米籠表面分佈的極高正電荷(+28價)可以誘導籠壁骨架上的24個咪唑基團發生質子電離，驅動電離平衡和pKa移動，進而在水溶液中創造大量的正電性籠限域奈米空間，形成內鹼外酸的兩性局域溶液環境。他們首先利用炔烴的氘代反應，在酸性溶液（pH = 2.5）中實現溫和條件的快速H/D交換，證明MOC-16奈米籠在酸性溶液中形成了鹼性籠限域空間；進而應用於鹼催化Knoevenagel縮合，發現該反應可以在酸性籠溶液中順利進行。MOC-16酸鹼兩性催化體系為解決自相矛盾的酸鹼串聯反應提供了理想的對立統一化解決方案，使得相反條件下的縮醛衍生物的酸催化水解和鹼催化Knoevenagel縮合可以一鍋反應高效進行，同樣可以與Henry反應進行非常規串聯。應用於更復雜的三元A3-偶合反應，發現可以很容易地透過咪唑N配位將水難溶和不穩定CuOTf助催化劑負載並富集於分子籠視窗，無需外加鹼催化劑即可在酸性溶液實現綠色高效A3-偶聯反應，並透過底物和產物相轉移實現自動催化迴圈和反應加速（70倍，TON > 700）。他們還製備了動力學惰性更強的Ru(II)—Pt(II)超分子籠，發現可以在更苛刻的酸性條件下進行上述反應。
在Angew. Chem. Int. Ed.文章中，作者重點關注正電性超分子籠的靜電效應在催化過程的作用，提出高正電超分子籠的多孔籠溶液均相體系中所形成動態奈米限域空間可以提供獨特的仿酶超分子籠效應，作為多用途和多模式超分子催化平臺，有助於實現反常反應性的催化轉化，產生超越天然酶本身的多功能性。他們系統研究了該多孔籠溶液體系中的末端炔C(sp)-H活化及其導致的H/D交換反應與Glaser氧化偶聯反應。發現傳統鹼催化的末端炔氫氘代反應在MOC-16多孔籠溶液體系中，可以在酸性環境（pH = 2.5）中實現溫和條件下的快速H/D交換，得益於MOC-16限域空腔的識別與保護作用，免受外部酸性溶液環境的影響，同時正電性的空腔可以活化和穩定炔碳負離子中間體，加速氘代過程。這一特殊條件適用於各種取代炔，更有利於一些對鹼和水敏感的炔化合物氘代，具有獨特優勢。他們進而在超分子籠視窗負載Cu(I)催化位點，實現了末端炔Glaser氧化偶聯反應。低催化劑濃度實驗表明，MOC-16多孔籠溶液可以突破化學計量比反應限制，實現催化量的迴圈反應，5輪反應轉化數TON可達185，產生明顯加速效應 (254倍)，顯示出MOC-16優異的仿酶催化特徵。
以上研究工作得到國家自然科學基金、廣東省珠江人才計劃本土創新團隊、高校科研業務費、生物無機與合成化學教育部重點實驗室和Lehn功能材料研究所的大力支援。
來源：中山大學
論文資訊：
https://doi.org/10.1093/nsr/nwab155
https://doi.org/10.1002/anie.202114070
