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引入手性微环境触发非手性金属-有机骨架的不对称催化

非均相不对称催化剂的发展已引起合成化学领域越来越多的关注,但主要的合成策略是将成熟的均相手性催化剂固定在载体上,其中,手性金属有机框架材料(MOF)是一种典型代表。作为一类多孔晶态固体,MOF具有结构清晰、可定制、比表面积大、高密度均匀活性位点等特点,通过将不同均相手性催化剂作为配体骨架或者功能有机单元,与金属氧簇周期性组装成手性MOF催化剂,在手性催化中展现出了巨大优势和潜力。然而,对于探究适合于MOF结构组装的手性配体的合成,以及进一步后续MOF合成条件的探索是耗时耗力的,它们本质上仍是均相手性催化剂的异相化。


受酶催化的启发,尤其是在酶催化口袋中,催化位点周围氨基酸残基创造的独特微环境,其中结合基团与底物之间的相互作用,创造了优异的活性和选择性。因此,可以创新合成策略,在催化位点周围通过简单的合成后修饰,引入手性微环境,从而将中心对称MOF转化为手性MOF,进一步实现手性催化。在这种情况下,具有挑战性的手性配体合成将不再是必需的,这将提供了一种概念上与众不同的制备手性MOF催化剂的新方法。

图1. (R)-Cn@PCN-222(Cu) (n = 1, 2, 3) 的催化剂的合成及它们催化环氧环己烯不对称开环的结果示意图。


近日,中国科学技术大学江海龙教授(点击查看介绍)课题组通过后合成修饰的手段,将相似但具有不同碳链长度的手性羟基化分子(催化惰性)锚定在非手性PCN-222(Cu)的不饱和Zr-oxo簇上,在簇位点上创造手性微环境,从而构筑了一系列手性MOF催化剂 (R)-Cn@PCN-222(Cu) (n = 1, 2, 3),用于氧化环己烯的不对称开环反应(图1)。

图2. PCN-222(Cu)和(R)-Cn@PCN-222(Cu) (n = 1, 2, 3) 的a) 漫反射红外傅里叶变换光谱,b) 核磁共振氢谱,c) 77 K下的氮气吸附等温线, d) 粉末X射线衍射图。


作者对后合成得到的手性MOF催化剂进行了一系列表征,证明了不饱和Zr-oxo簇的末端羟基几乎完全被手性分子取代,修饰后MOF的多孔特性和结晶性仍然保持(图2)。随后研究了(R)-Cn@PCN-222(Cu) (n = 1, 2, 3) 在氧化环己烯不对称开环反应的催化性能。所有催化剂都能高活性的得到氧化环己烯和苯胺的开环产物,但对映选择性却明显不同,其顺序是(R)-C3@PCN-222(Cu) > (R)-C1@PCN-222(Cu) > (R)-C2@PCN-222(Cu)(表1)。

表1. 不同催化剂催化环氧环己烯与苯胺的不对称开环反应。


作者进一步的对比实验观察到: (1) 催化活性位点来源于PCN-222(Cu)中锆簇的路易斯酸性,手性位点来自于后修饰的手性小分子;(2) 不同手性分子创造了不同空间位阻的手性微环境,对产物的对映选择性有显著影响;(3) (R)-C3@PCN-222(Cu)的ee值要明显大于相应的手性分子和MOF物理混合的ee值,证明了将手性修饰分子固定在MOF骨架上的重要性。(4) 合成相应的没有孔空间的手性Zr-oxo簇,催化得到的ee值均显著低于(R)-C3@PCN-222(Cu)的ee值, 说明MOF孔空间产生的空间限域效应是实现高对映体选择性的关键(表1)。

图3. a) (R)-C1@PCN-222(Cu) 开环反应中中间体B和TS (过渡态) 结构的优化。b) (R)-C1@PCN-222(Cu), c) (R)-C2@PCN-222(Cu) 和d) (R)-C3@PCN-222(Cu)上环氧化物不对称开环路径的自由能分布。


理论研究合作者中国科学技术大学郑晓教授(现任职复旦大学)课题组利用密度泛函计算进一步揭示了不同手性分子形成的空间微环境效应对ee值的影响。计算结果表明,在亲核反应过程中并未形成碳正离子自由基,且反应物键长键角不变。作者因此得出结论,该催化开环反应属于SN2机理(图3a)。通过计算,作者得到了催化剂参与下各反应阶段的能量,并绘制相应的反应能级图。其中最优催化剂(R)-C3@PCN-222(Cu) 在反应中得到不同构型产物的吉布斯自由能垒(图中黑色箭头所示)差距最大,更有利于得到(R, R)构型的开环产物,进而获得最高的ee值,(R)-C1@PCN-222(Cu)次之,(R)-C2@PCN-222(Cu)最小(图3b-d),这一计算结果与实验结论具有很好的一致性。


为进一步探究不同催化剂催化差异的原因,作者还进行了过渡态结构的弱相互作用计算和可视化分析,揭示了催化对应选择性差异与体系中存在的弱相互作用之间的关联。其中,在获得最佳ee值的催化剂(R)-C3@PCN-222(Cu)中,得到(R, R)构型开环产物过程中过渡态结构具有最小的空间位阻,且在不同构型产物形成过程中过渡态结构的空间位阻差异最大。此外,在(R)-Cn@PCN-222(Cu)中,当n为奇数时,过渡态结构中还存在π-π堆积相互作用,这有助于过渡态的形成过程(图4)。上述计算有效地解释了(R)-Cn@PCN-222(Cu)的非单调选择性顺序: (R)-C3@PCN-222(Cu) > (R)-C1@PCN-222(Cu) > (R)-C2@PCN-222(Cu)。

图4. 催化剂(R)-C3@PCN-222(Cu)催化得到的a) (R, R)-产物和b) (S, S)-产物在δginter= 0.005 a.u.下的sign(λ2)ρ彩色等值面的IGMH分析。


综上,本研究通过对非手性的MOF进行简单的后合成修饰,也即在催化中心周围引入手性分子,实现了催化剂高活性和高的对应选择性,其完全分立的催化中心(来源与MOF簇)与手性中心(来源于手性小分子)为新型手性催化剂的构筑带来了极大丰富和多样化的选择。该工作为设计合成手性多相催化剂开辟了新道路。


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Turning on Asymmetric Catalysis of Achiral Metal-Organic Frameworks by Imparting Chiral Microenvironment

Ge Yang, Wenwen Shi, Yunyang Qian, Xiao Zheng*, Zheng Meng, and Hai-Long Jiang*

Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202308089


导师介绍


江海龙,1981年8月生于安徽合肥庐江县。中国科学技术大学讲席教授、博士生导师,国家重点研发计划项目首席科学家(2021年),英国皇家化学会会士(FRSC,2018年),获国家杰出青年基金资助(2017年,结题优秀),入选第四批国家“万人计划”科技创新领军人才(2019年)、科技部中青年科技创新领军人才(2018年)等。自2017年至今,连续每年入选科睿唯安(原汤森路透)全球高被引科学家(化学)和爱思唯尔(Elsevier)中国高被引学者榜单。


2003年7月于安徽师范大学获化学学士学位;2008年7月于中国科学院福建物质结构研究所获无机化学博士学位。2008年8月至2011年8月在日本国立产业技术综合研究所工作,分别任产综研特别研究员和日本学术振兴会外国人特别研究员(JSPS fellow);2011年9月至2013年1月在美国德克萨斯农工大学从事博士后研究。2013年初入职中国科学技术大学化学系(现任系执行主任),担任教授、博士生导师。2017年获得中国科大海外校友基金会青年教师事业奖,2018年获得卢嘉锡优秀导师奖、太阳能光化学与光催化研究领域优秀青年奖,2019年获得中国科学院优秀导师奖,2022年入选安徽省优秀青年科技人才,2023年获日本化学会杰出讲座奖(Distinguished Lectureship Award)。


长期从事无机化学、材料化学和催化化学的交叉性研究工作,特别是以金属有机框架(MOFs)、共价有机框架(COFs)等晶态多孔功能材料为研究平台,围绕催化中心微环境的化学调控方面开展了较为系统的研究工作,部分研究成果获2020年度教育部自然科学一等奖(第一完成人)。研究结果已在国际重要SCI期刊上发表论文200余篇,其中2013年回国建立课题组独立工作以来,以通讯作者身份在Nat. Catal.(1篇),J. Am. Chem. Soc.(15篇),Angew. Chem.(23篇),Chem(4篇),Nat. Commun.(3篇),Adv. Mater.(11篇),Natl. Sci. Rev.(2篇),Joule(1篇),Matter(1篇),Acc. Chem. Res.(1篇),Acc. Mater. Res.(1篇),Chem. Rev.(1篇),Chem. Soc. Rev.(2篇),Coord. Chem. Rev.(4篇), Mater. Today(1篇)等高水平期刊上发表论文。论文被引用40000次以上(H指数:100),篇均引用约200次,其中65篇入选ESI高被引论文(Highly Cited Papers, Top 1%)。授权中国专利5项。撰写书章两章。担任中国化学会晶体化学专业委员会委员、中国化学会分子筛专业委员会委员、中国感光学会光催化专业委员会委员、天津市能源材料化学重点实验室学术委员会委员等;担任Sci. Bull.和科学通报副主编以及EnergyChem(Elsevier)、催化学报、中国化学快报、化学学报、Scientific Reports(NPG)、MetalMat (WILEY-VCH)、Z. Anorg. Allg. Chem. (WILEY-VCH)、Materials(MDPI)、无机化学学报、中国科学技术大学学报等期刊编委和顾问委员会委员。承担基金委、科技部、中科院、教育部、安徽省等多项重要科研任务。


江海龙

https://www.x-mol.com/university/faculty/14775 

课题组链接

http://mof.ustc.edu.cn/ 


郑晓,男,1980年3月出生,博士,复旦大学教授。近年来主要的研究方向是开放体系的第一性原理方法、复杂开放体系的量子耗散动力学理论,以及密度泛函理论(DFT)的发展与应用。首次实现了真实纳米电子器件中的含时电子输运的第一性原理模拟。最近在DFT交换-相关泛函的改进方面也取得了重要进展,系统地提高了DFT 方法计算一般电子体系的前线轨道能量与能带间隙的精度。已发表包括5篇Phys. Rev. Lett.等SCI 论文90篇,以及3篇会议进展与书章节,并多次在国内以及国际会议上作报告。曾获国家自然科学基金委优秀青年项目支持,获2015年中国化学会唐敖庆理论化学青年奖。


科研主页

https://chemistry.fudan.edu.cn/zx/list.htm 


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