《Science》：笼状超分子催化剂选择性加速有机合成反应

众所周知，酶是天然的催化剂，它能在微观尺度创造出有利于反应的分子环境来加快本来缓慢的生物化学反应。这种精巧的天然催化剂自然成为化学家们设计其它反应催化剂的绝好模板。

在最近的《Science》杂志上，一篇来自于美国加州大学伯克利分校化学系的一个研究团队发表的文章描述了一种新设计的催化策略，能加速本来进行很缓慢的烷基-烷基交叉偶联反应。在反应中，该团队采用了一种合成的助催化剂，来围绕其中的有机金属催化剂建立一个“笼子”。该策略使得这种反应过程中的关键一步，即还原消除这一步，速度加快至少7倍。

这个团队利用有机配体分子和金属离子自组装成为超分子笼状结构。作为“宿主”的分子具有强阴离子型属性，并包含一个疏水性的空腔以有利于阳离子化合物，包括不同的有机和有机金属分子在其中停留。在这种主-客体的系统中，非共价相互作用（如芳香相互作用、静电和疏水效果等）是影响主-客体分子间相互作用的主要驱动力。这些相对较弱的作用能稳定活性中间体，加速化学反应并导引化学过程来产生在热力学上几率较小的产物。

酶催化的一个关键特性是底物大小的选择性。在自然界，这种根据形状和大小来识别目标底物分子的现象很普遍，但在有机合成的标准均相或多相催化反应中却很少被利用。这个研究团队发现，在这种笼状催化系统中，客体复合物上的膦配位体的大小是至关重要的。如果配体过大，则底物既不在笼中停留也不被催化。如果配体太小，催化剂又会失活。

绝大多数化学反应都是由过渡金属化合物催化。在许多情况下，还原消除是产物形成的关键步骤。以金催化的反应为例，以往研究表明，位于三价金中心的通过配体解离的还原消除过程发生于碳-碳键偶联产物的释放之前。根据他们的实验数据，该团队提出了一种不同的反应机理，其中卤化物在被宿主分子包裹之前先从金络合物上解离。这会在阴离子笼腔内产生瞬态的阳离子金（III）二烷基复合物。由于笼状结构造成的空间拥挤，停留其中的金（III）络合物自发地经历烷基-烷基交叉偶联，而得到烷烃产物。如果没有这种超分子笼催化，此类反应将非常缓慢。

一般来说，集成过渡金属催化与超分子组装体的方法往往采用两种常用战略中的一种。在第一种策略中，金属催化剂通过共价键连接到配体框架上。这种方法通过合成后修饰广泛应用于金属-有机骨架（MOF）催化反应。第二种策略是如本文所述，其中的催化剂是包在因非共价相互作用形成的框架空腔中。对于这两种策略，在以前的研究报告其速率加速或产物抑制效果都不是太显著，这限制了其实际应用价值。但在这项研究中，该团队却发现其催化系统突破了这些限制，同时具有与酶更相似的行为：催化循环中的基本步骤可以被加速到一个有实用性的水平；反应机理会因为是否存在超分子笼而有所不同；宿主分子可以决定底物的大小选择性。这些不仅对有机化学家很重要，对生物化学和材料科学家也都有吸引力。

尽管这项研究令人印象深刻，不过要将这种超分子催化剂用于实际工业应用还有很长的路要走。主要的障碍在于，与常规的均相或非均相催化剂相比，这种催化反应的底物范围有限，底物的一点点变化就可能导致其反应性或选择性急剧下降。不管怎样，该团队精心设计的催化系统的表现能与天然酶相媲美，让人钦佩。更重要的是，这项工作可能会带动其他化学家将超分子体系与现有的过渡金属催化剂结合来实现之前无法进行的反应。

1. http://www.sciencemag.org/content/350/6265/1235.abstract

2. http://www.sciencemag.org/content/350/6265/1165.summary