金屬-有機(jī)分子籠催化劑的近期研究進(jìn)展

王姍姍，廖浩誠(chéng)，朱元利，侯寶明，許東芳，譚春霞

（上海師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，上海200234）

0 引言

酶催化在生命活動(dòng)中受到了廣泛關(guān)注，與傳統(tǒng)催化過(guò)程中的單一活化方式不同，酶可以利用其特殊的結(jié)構(gòu)降低反應(yīng)活化能并加速反應(yīng)，如：對(duì)底物進(jìn)行預(yù)組裝，穩(wěn)定過(guò)渡態(tài)，誘導(dǎo)客體分子形成不同中間態(tài)來(lái)替代通常的反應(yīng)途徑等，這些特異性主要得益于酶分子內(nèi)部具有多種相互作用力（如氫鍵、疏水相互作用、Π-Π相互作用等）.

金屬-有機(jī)分子籠（MOCs），也稱(chēng)為金屬-有機(jī)多邊形或多面體（MOPs），它是一類(lèi)由金屬結(jié)點(diǎn)與有機(jī)配體自組裝而形成的具有獨(dú)立空腔結(jié)構(gòu)的超分子化合物.由于MOCs空腔的結(jié)構(gòu)和功能可根據(jù)金屬節(jié)點(diǎn)、配體的尺寸和功能進(jìn)行調(diào)節(jié)，其展現(xiàn)出類(lèi)似于生物酶的空腔，可包裹客體分子，穩(wěn)定反應(yīng)中間體，為空腔中的客體分子提供多種特殊的物理化學(xué)作用力等，從而可以作為超分子仿生催化劑加速反應(yīng)進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)客體的尺寸選擇性、區(qū)域選擇性及立體選擇性.基于此，設(shè)計(jì)和組裝特定結(jié)構(gòu)和功能的分子籠，探究其催化特異性能，并研究其結(jié)構(gòu)與催化性能之間的關(guān)系具有非常重要的意義.

籠子本身和籠子包封的催化劑均可用于超分子催化.目前，基于配位分子籠在催化中充當(dāng)?shù)慕巧煌?，將分子籠催化分為三類(lèi)：1）空腔誘導(dǎo)催化［1］，其中分子籠空腔僅提供疏水環(huán)境，而不具有催化活性位點(diǎn)，通過(guò)聚集底物并對(duì)其進(jìn)行預(yù)組織，達(dá)到誘導(dǎo)反應(yīng)和調(diào)控反應(yīng)選擇性的目的；2）將催化位點(diǎn)構(gòu)筑于分子籠的骨架上進(jìn)行催化［2］，其中催化位點(diǎn)可作為有機(jī)連接基或配位不飽和的金屬中心，分子籠為催化中心提供多種相互作用力共存的類(lèi)封閉空腔；3）用于包封催化劑［3］，其中分子籠作為容器，為催化劑和底物提供限域空腔，增加催化劑與底物之間的相互作用.近年來(lái)，基于分子籠反應(yīng)器的研究備受關(guān)注，人們基于以上三類(lèi)催化對(duì)分子籠反應(yīng)器進(jìn)行了總結(jié)和歸納［4-6］.本文作者主要就近兩年分子籠有無(wú)手性的催化研究進(jìn)展進(jìn)行綜述.

1 非手性MOCs用于催化反應(yīng)

根據(jù)分子籠不同的催化作用可以把其分為4種反應(yīng)：分子籠應(yīng)用于環(huán)加成反應(yīng)、裂解反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)和偶聯(lián)反應(yīng).

1.1 環(huán)加成反應(yīng)

主族金屬離子，如二價(jià)鍶離子（Sr2+）、二價(jià)鋇離子（Ba2+）、三價(jià)鎵離子（Ga3+）和三價(jià)銦離子（In3+）等，具有多種配位數(shù)，是一種理想的路易斯（Lewis）、酸催化劑.基于此，LIANG等［7］使用金屬銦作為節(jié)點(diǎn)與陽(yáng)離子三齒配體在N，N-二甲基甲酰胺（DMF）中合成了四面體分子籠In12-GL，如圖1（a）所示，此分子籠頂點(diǎn)上的In3+作為L(zhǎng)ewis酸性活性中心，頂點(diǎn)上未配位氧原子作為L(zhǎng)ewis堿性活性中心，使其能高效催化環(huán)氧化物的環(huán)加成反應(yīng)和氨基腈的斯特雷克（Strecker）反應(yīng).對(duì)于大尺寸底物，其催化效率較低，但隨著溫度升高到80℃，其催化效率提高了1倍以上，這種尺寸選擇性催化可能源于圍繞在In3+活性中心周?chē)呐潴w和甲酸鹽基團(tuán)的空間限制，因此推測(cè)這些催化反應(yīng)發(fā)生在分子籠空腔內(nèi).該分子籠重復(fù)使用5次后可依舊保持結(jié)構(gòu)的完整性，這也證明其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性.

與上述案例相似，REBECCA等［8］報(bào)道的基于三核鋯簇與咪唑功能化的二羧酸配體構(gòu)筑而成的陽(yáng)離子管狀分子籠（ImBDC-Zr，ImBPDC-Zr和ImTPDC-Zr）也可作為環(huán)氧化合物的二氧化碳（CO2）環(huán)加成催化劑.如圖1（b）所示，由于咪唑中心密度較高，分子籠具有良好的CO2吸附性能，其次基于頂點(diǎn)三核鋯簇中羥基布朗斯特酸（Br?nsted）性和配體中未配位咪唑官能團(tuán)中Lewis堿性陰離子Cl-的協(xié)同作用，在溫和的條件下，ImBDC-Zr和ImBPDC-Zr表現(xiàn)出優(yōu)異的活性和選擇性.其中ImBDC-Zr和ImBPDC-Zr是在沒(méi)有任何輔助催化劑的情況下作為CO2環(huán)加成反應(yīng)催化劑的第一個(gè)例子.

圖1 分子籠的環(huán)加成反應(yīng).（a）四面體分子籠In12-GL；（b）管狀分子籠

CULLEN等［9］采用6個(gè)面內(nèi)乙酸基功能化線性二齒芴配體與4個(gè)二價(jià)鐵離子（Fe2+）組裝成正面體的分子籠Fe4L6，如圖2所示，此籠狀配合物可以催化色酚和各種醛衍生物的皮克特-施彭格勒環(huán)化（Pictet-Spengler）反應(yīng).其所具有的空腔能夠結(jié)合和激活不同大小的多種底物，與小分子酸相比，分子籠空腔內(nèi)反應(yīng)性官能團(tuán)化大大提高了反應(yīng)的速率，宿主通過(guò)芐基陽(yáng)離子和羰基正離子進(jìn)行的簡(jiǎn)單反應(yīng)，使速度加快了1 000倍，表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的反應(yīng)速率和底物尺寸選擇.底物縮醛上烷基鏈的柔性對(duì)反應(yīng)影響不大，但位阻較大的基團(tuán)不利于環(huán)化反應(yīng)，增加色氨酸的大小也不利于籠子里的反應(yīng).這些結(jié)果表明：腔內(nèi)尺寸和形狀匹配對(duì)分子籠催化過(guò)程有很大影響，這種對(duì)結(jié)構(gòu)的微妙敏感性說(shuō)明了分子籠的“仿生酶”行為，它可以在一個(gè)活性位點(diǎn)結(jié)合和激活兩種不同的底物，并表現(xiàn)出不同的反應(yīng)活性.

圖2 基于芴的四面體Fe4L6催化Pictet-Spengler環(huán)化反應(yīng)

1.2 裂解反應(yīng)

環(huán)丙烷是一類(lèi)具有張力的碳?xì)浠衔?，在輻照條件下表現(xiàn)出獨(dú)特的開(kāi)環(huán)反應(yīng)，特別是光敏劑單電子氧化環(huán)丙烷可以得到有價(jià)值的1，3-自由基陽(yáng)離子中間產(chǎn)物.TAKEZAWA等［10］采用吡啶基取代的三嗪為有機(jī)配體與環(huán)二胺修飾的Pd為金屬節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了Pd6L4八面體光敏分子籠，如圖3所示.由于分子籠包含3個(gè)以三嗪為核心的配體，再加上對(duì)Pd2+的配位作用，產(chǎn)生了一個(gè)非常強(qiáng)的電子受體空腔.當(dāng)分子籠Pd6L4被紫外光照射時(shí)，客體和電子接受壁之間的距離很近，分子籠接受來(lái)自結(jié)合客體分子的電子，客體自由基-陽(yáng)離子立即失去一個(gè)質(zhì)子，留下可以與水/氧氣（H2O/O2）反應(yīng)生成水合/氧化產(chǎn)物的客體自由基.通過(guò)光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)環(huán)丙烷脫亞甲基變成乙烯的反應(yīng)，當(dāng)烯烴部分或苯環(huán)與環(huán)丙烷環(huán)相鄰時(shí)，反應(yīng)具有顯著的化學(xué)選擇性和高產(chǎn)率，這種脫甲基化反應(yīng)可用于天然產(chǎn)物的后期衍生化，產(chǎn)生全新的非天然類(lèi)固醇.

圖3 基于三嗪的八面體Pd6L4光催化環(huán)丙烷脫甲基化反應(yīng)

酰胺官能團(tuán)由于氮（N）孤子對(duì)與羰基π*軌道的共軛使其擁有高旋轉(zhuǎn)勢(shì)壘和化學(xué)惰性，當(dāng)這種共軛被酰胺的平面構(gòu)象扭曲被破壞時(shí)，它們的化學(xué)和物理性質(zhì)就會(huì)發(fā)生變化.因此，通過(guò)改變酰胺鍵周?chē)亩娼莵?lái)控制酰胺類(lèi)化合物的反應(yīng)性一直是合成化學(xué)和生物化學(xué)的研究熱點(diǎn).WANG等［11］對(duì)上述光活性三嗪分子籠的應(yīng)用作進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，此Td對(duì)稱(chēng)的分子籠可實(shí)現(xiàn)對(duì)仲芳酰胺活性順式扭曲構(gòu)象的非共價(jià)捕獲，如圖4所示，這種扭曲的結(jié)果就是酰胺的水解反應(yīng)性增強(qiáng).此分子籠具有一個(gè)大的疏水空腔，具有Td對(duì)稱(chēng)性，因此，跨平面構(gòu)象的芳香酰胺應(yīng)采用順式扭曲構(gòu)象，形成擬S4對(duì)稱(chēng)二聚體，并與空腔相匹配.當(dāng)二級(jí)芳香酰胺被包含在Td對(duì)稱(chēng)的分子籠中時(shí)，順式扭曲構(gòu)象比反式平面構(gòu)象更有利，N孤對(duì)電子與羰基π*軌道之間的共軛作用被破壞，對(duì)親核試劑的反應(yīng)活性增強(qiáng)，酰胺的水解反應(yīng)性增強(qiáng)，在溫和的條件下，連接的酰胺被活化并順利水解，由實(shí)驗(yàn)可知酰胺在分子籠內(nèi)扭曲的角度達(dá)到34°.

圖4 基于三嗪的八面體Pd6L4光催化酰胺的水解反應(yīng)

1.3 氧化還原反應(yīng)

ZHU等［12］采用錳卟啉與2-甲?；拎そM裝了一種大空腔尺寸的氧化還原活性立方體分子籠，其將黃素單核苷酸（FMN）包裹在內(nèi)腔中，使得在煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）存在下，這種新的超分子體系從NADH中收集電子對(duì)，其速率比溶液中的單體提高了20倍.還原的FMN通過(guò)分步單電子過(guò)程使得錳（Ⅲ）卟啉被快速還原相應(yīng)的Mn（Ⅱ）-卟啉，形成的Mn（Ⅱ）-卟啉中間體，有效地活化O2，實(shí)現(xiàn)芳香醇在NADH存在下氧化催化過(guò)程.如圖5（a）所示，這種主-客體系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)應(yīng)歸因于宿主-客體系統(tǒng)中的金屬氧化還原中心和FMN之間的近距離，有利于電子進(jìn)行高效的轉(zhuǎn)移.一鍋反應(yīng)可以避免繁瑣的反應(yīng)中間產(chǎn)物的分離和提純，實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單和綠色的過(guò)程.一種能夠以酶催化的方式實(shí)現(xiàn)連續(xù)化學(xué)轉(zhuǎn)化的方法是在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行催化位點(diǎn)隔離，以促進(jìn)一鍋催化.ZHAO等［13］在金屬-有機(jī)籠子和介孔基質(zhì)中分別引入催化位點(diǎn)，合成了一種新的雙功能多相催化劑，提供一種連續(xù)化學(xué)轉(zhuǎn)化的新方法.同時(shí)含有金屬-有機(jī)分子籠與介孔碳材料的優(yōu)點(diǎn)，包括大小可控、可調(diào)節(jié)，在分子尺度上具有獨(dú)特的限制效應(yīng)，從而可以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于酶催化的空間隔離催化.通過(guò)在胺修飾的介孔碳材料中包裹一種球形金屬有機(jī)籠來(lái)實(shí)現(xiàn)一鍋串聯(lián)反應(yīng)，如圖5（b）所示，此分子籠是由24個(gè)彎曲tempo修飾的二齒吡啶配體與12個(gè)Pd2+自組裝而成，通過(guò)分別控制M12L24球形籠和介孔碳材料上不同催化活性位點(diǎn)的位置，得到的催化劑在一鍋醇的連續(xù)氧化-腦文格縮合反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，生成α，β不飽和二腈，由于分子籠本身與介孔碳材料或均相溶液在混合時(shí)可以形成聚集體，介孔碳材料包裹分子籠（Cage＠FDU-ED）的反應(yīng)速率是簡(jiǎn)單混合分子籠和介孔碳材料或均相溶液的5倍左右，因此認(rèn)為，活性的提高應(yīng)歸因于復(fù)合材料內(nèi)部催化活性中心的高度分散和良好的隔離.結(jié)合金屬超分子配合物和介孔非均相催化劑的獨(dú)特的特點(diǎn)，合成的Cage＠FDU-ED表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性、活性和可回收性，從而可以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于酶催化的空間隔離催化.

圖5 氧化還原反應(yīng)示意圖.（a）基于Mn卟啉的氧化還原活性立方體分子籠；（b）分子籠M12L24＠FDU-ED的復(fù)合材料一鍋催化氧化-腦文格縮合反應(yīng)

1.4 偶聯(lián)反應(yīng)

萘二酰亞胺（NDIS）是一種良好的催化活性構(gòu)筑單元，其可通過(guò)陰離子-p相互作用預(yù)先組織底物來(lái)催化自由基誘導(dǎo)的反應(yīng)［14］，在這個(gè)過(guò)程中其自身被還原成自由基陰離子［15-16］.KIM等［17］合成了一種含有NDIS配體與2-甲?；拎そM裝而成的氧化還原可切換的四面體Zn4L6MOCs，如圖6所示，催化四芳基硼酸酯的氧化偶聯(lián)反應(yīng)，共催化劑C60被包裹以提高催化活性，該催化劑具有良好的官能團(tuán)耐受性.對(duì)其作用機(jī)理進(jìn)行了探討表明，此反應(yīng)是自由基誘導(dǎo)的，自由基穩(wěn)定劑C60和C70都起到助催化劑的作用，結(jié)合在籠形催化劑內(nèi)部以提高其催化活性，催化反應(yīng)在籠子的表面發(fā)生，分子籠起到調(diào)節(jié)電子傳遞的作用，而不是包裹反應(yīng)底物.

圖6 基于NDIS的四面體分子籠催化四芳基硼酸酯的氧化偶聯(lián)反應(yīng)

PARMAR等［18］使用2，2’-聯(lián)吡啶-5，5’-二羧酸與三核鋯簇合成了化學(xué)穩(wěn)定性較好的四面體分子籠MOP-BPY，然后負(fù)載Pd原子作為Suzuki-Miyaura交叉偶聯(lián)反應(yīng)的新型多相催化劑MOP-BPY（Pd）.對(duì)MOP-BPY（Pd）的結(jié)構(gòu)和理化特性進(jìn)行了表征，發(fā)現(xiàn)每個(gè)分子籠上存在4.5個(gè)Pd原子.如圖7所示，由于此分子籠固定了Pd原子，以及分子籠很好地分散在水介質(zhì)中，此催化劑對(duì)不同底物的催化活性均較高，各種底物的偶聯(lián)效率均在90.0%以上，優(yōu)于分子Pd配合物和錨定Pd原子的金屬有機(jī)骨架（MOF）的偶聯(lián)效率.此外，MOP-BPY（Pd）被成功地回收和循環(huán)利用3次，性能沒(méi)有下降.

圖7 基于聯(lián)吡啶的四面體分子籠修飾PdCl4后催化Suzuki-Miyaura交叉偶聯(lián)反應(yīng)

2 手性MOCs用于不對(duì)稱(chēng)催化反應(yīng)

軸向二醇衍生的手性磷酸，如1，1’-聯(lián)萘酚（BINOL）［19］已被廣泛應(yīng)用于亞胺類(lèi)化合物的對(duì)映選擇性轉(zhuǎn)化中，如Friedel-Craft反應(yīng)［20］、Pictet-Spengler反應(yīng)［21］和Aza-Diels-Alde反應(yīng)［22］.GONG等［23］采用杯芳烴分子和鈷形成的金屬簇作為分子籠的頂點(diǎn)，手性磷酸修飾的三齒羧酸配體合成了一個(gè)手性八面體分子籠，籠上覆蓋的磷酸和羧酸基團(tuán)可通過(guò)氫鍵自組裝形成永久性多孔的氫鍵有機(jī)骨架（HOF）.在每個(gè)籠子中，8個(gè)磷酸中的2個(gè)參與氫鍵相互作用，其余6個(gè)磷酸可用于催化.如圖8所示，手性磷酸骨架可以作為高效、可回收的多相Br?nsted酸催化劑，用于吲哚與醌單亞胺的不對(duì)稱(chēng)［3+2］偶聯(lián)，以及吲哚與芳醛的Friedel-Craft烷基化反應(yīng).所提供的對(duì)映體選擇性（對(duì)映體過(guò)量值（ee）高達(dá)99.9%）超過(guò)了均相對(duì)映體，并與迄今報(bào)道的最具對(duì)映體選擇性的均相磷酸催化劑相媲美.催化劑重復(fù)試驗(yàn)至少能夠回收利用10次，且活性和對(duì)映選擇性均無(wú)損失.IEDLER等［24］基于酰胺配體與鎵離子組裝的四面體分子籠由于內(nèi)部空腔所產(chǎn)生的獨(dú)特微環(huán)境，已被用作許多有機(jī)和有機(jī)金屬轉(zhuǎn)化的催化劑［25-28］，這個(gè)主體包含一個(gè)疏水結(jié)合位點(diǎn)，而它的全部十二陰離子電荷能夠使其溶解在極性溶劑，例如水中，而疏水的內(nèi)部允許識(shí)別和結(jié)合水中的親脂底物，四面體的空腔可對(duì)底物施加多種作用力，從而導(dǎo)致在腔內(nèi)發(fā)生各種催化轉(zhuǎn)化.STEPHEN等［29］采用酰胺配體與鎵離子組裝了類(lèi)似的手性四面體分子籠，并報(bào)道了其催化苯胺、醛和α-重氮酯的非對(duì)映選擇性三組分Aza-Darzen反應(yīng)，如圖9所示，它在此分子籠的催化下，得到了雙取代N-苯基氮雜環(huán)丙啶的反式異構(gòu)體，形成了與本體溶液中相反的立體異構(gòu)體，當(dāng)分子籠的空腔被尺寸較大的底物占據(jù)時(shí)，反應(yīng)的產(chǎn)率急劇下降，從而證明分子組裝的空腔對(duì)于多組分反應(yīng)是必不可少的.這種反應(yīng)可以激發(fā)更復(fù)雜的超分子組裝反應(yīng)的發(fā)展，使這些宿主獨(dú)特的空腔能夠決定選擇性，并發(fā)揮水介質(zhì)中的化學(xué)優(yōu)勢(shì).

圖8 基于手性磷酸螺環(huán)骨架的八面體分子籠催化吲哚與醌單亞胺的不對(duì)稱(chēng)［3+2］偶聯(lián)反應(yīng)

圖9 Ga4L6四面體分子籠催化非對(duì)映選擇性三組分Aza-Darzen反應(yīng)

光誘導(dǎo)的［2+2］環(huán)加成反應(yīng)是合成環(huán)丁烷的最直接方法，環(huán)丁烷是許多天然產(chǎn)物、藥物和生物活性化合物的核心結(jié)構(gòu).WANG等［30］報(bào)道了一種籠式光催化方案，可以實(shí)現(xiàn)α，β-不飽和羰基化合物不尋常的分子間［2+2］環(huán)加成反應(yīng).采用光敏劑手性釕配體RuL3與Pd配合物組裝成了截?cái)嗟陌嗣骟w手性分子籠（MOC-16），具有可見(jiàn)光活性納米空間，如圖10所示，在藍(lán)色LED光催化下進(jìn)行α，β-不飽和羰基化合物［2+2］環(huán)加成反應(yīng)，很容易生成順式頭對(duì)頭非對(duì)映異構(gòu)體，非對(duì)映選擇性高達(dá)99%.此外，該水溶性分子籠具有疏水效應(yīng)，可以通過(guò)水介質(zhì)轉(zhuǎn)移不溶性底物和光產(chǎn)物，從而實(shí)現(xiàn)生態(tài)友好的催化過(guò)程.該分子籠催化分子間［2+2］環(huán)加成反應(yīng)底物范圍廣泛，具有極好的官能團(tuán)耐受性.催化過(guò)程中穩(wěn)定，循環(huán)利用10次，催化活性無(wú)明顯下降.這種光活性的MOCs在模擬酶催化及有立體選擇性的反應(yīng)中具有很好的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也為具有特殊非對(duì)映選擇性和生態(tài)友好的環(huán)加成反應(yīng)提供了一條很有前途的途徑.

圖10 基于Ru的八面體分子籠光催化α，β-不飽和羰基化合物分子間［2+2］環(huán)加成反應(yīng)

3 結(jié)論

本文作者著重根據(jù)MOCs有無(wú)手性分別介紹了其在催化方面的應(yīng)用和最新研究進(jìn)展，非手性MOCs催化主要有加成反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、偶聯(lián)反應(yīng)和裂解反應(yīng)，不對(duì)稱(chēng)催化主要介紹了加成反應(yīng).總之，分子籠催化的研究已成為超分子化學(xué)研究的熱點(diǎn)，通過(guò)研究，未來(lái)將設(shè)計(jì)和制造出具有更多和更復(fù)雜功能的分子籠，這些分子籠有望能表現(xiàn)出與天然酶相媲美的反應(yīng)性、選擇性和特異性.