金屬-有機分子籠催化劑的近期研究進展

王姍姍，廖浩誠，朱元利，侯寶明，許東芳，譚春霞

（上海師范大學化學與材料科學學院，上海200234）

0 引言

酶催化在生命活動中受到了廣泛關注，與傳統催化過程中的單一活化方式不同，酶可以利用其特殊的結構降低反應活化能并加速反應，如：對底物進行預組裝，穩定過渡態，誘導客體分子形成不同中間態來替代通常的反應途徑等，這些特異性主要得益于酶分子內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-有機分子籠（MOCs），也稱為金屬-有機多邊形或多面體（MOPs），它是一類由金屬結點與有機配體自組裝而形成的具有獨立空腔結構的超分子化合物.由于MOCs空腔的結構和功能可根據金屬節點、配體的尺寸和功能進行調節，其展現出類似于生物酶的空腔，可包裹客體分子，穩定反應中間體，為空腔中的客體分子提供多種特殊的物理化學作用力等，從而可以作為超分子仿生催化劑加速反應進程，實現客體的尺寸選擇性、區域選擇性及立體選擇性.基于此，設計和組裝特定結構和功能的分子籠，探究其催化特異性能，并研究其結構與催化性能之間的關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的角色不同，將分子籠催化分為三類：1）空腔誘導催化［1］，其中分子籠空腔僅提供疏水環境，而不具有催化活性位點，通過聚集底物并對其進行預組織，達到誘導反應和調控反應選擇性的目的；2）將催化位點構筑于分子籠的骨架上進行催化［2］，其中催化位點可作為有機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，基于分子籠反應器的研究備受關注，人們基于以上三類催化對分子籠反應器進行了總結和歸納［4-6］.本文作者主要就近兩年分子籠有無手性的催化研究進展進行綜述.

1 非手性MOCs用于催化反應

根據分子籠不同的催化作用可以把其分為4種反應：分子籠應用于環加成反應、裂解反應、氧化還原反應和偶聯反應.

1.1 環加成反應

主族金屬離子，如二價鍶離子（Sr2+）、二價鋇離子（Ba2+）、三價鎵離子（Ga3+）和三價銦離子（In3+）等，具有多種配位數，是一種理想的路易斯（Lewis）、酸催化劑.基于此，LIANG等［7］使用金屬銦作為節點與陽離子三齒配體在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，此分子籠頂點上的In3+作為Lewis酸性活性中心，頂點上未配位氧原子作為Lewis堿性活性中心，使其能高效催化環氧化物的環加成反應和氨基腈的斯特雷克（Strecker）反應.對于大尺寸底物，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+活性中心周圍的配體和甲酸鹽基團的空間限制，因此推測這些催化反應發生在分子籠空腔內.該分子籠重復使用5次后可依舊保持結構的完整性，這也證明其結構的穩定性.

與上述案例相似，REBECCA等［8］報道的基于三核鋯簇與咪唑功能化的二羧酸配體構筑而成的陽離子管狀分子籠（ImBDC-Zr，ImBPDC-Zr和ImTPDC-Zr）也可作為環氧化合物的二氧化碳（CO2）環加成催化劑.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中Lewis堿性陰離子Cl-的協同作用，在溫和的條件下，ImBDC-Zr和ImBPDC-Zr表現出優異的活性和選擇性.其中ImBDC-Zr和ImBPDC-Zr是在沒有任何輔助催化劑的情況下作為CO2環加成反應催化劑的第一個例子.

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

CULLEN等［9］采用6個面內乙酸基功能化線性二齒芴配體與4個二價鐵離子（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-施彭格勒環化（Pictet-Spengler）反應.其所具有的空腔能夠結合和激活不同大小的多種底物，與小分子酸相比，分子籠空腔內反應性官能團化大大提高了反應的速率，宿主通過芐基陽離子和羰基正離子進行的簡單反應，使速度加快了1 000倍，表現出顯著增強的反應速率和底物尺寸選擇.底物縮醛上烷基鏈的柔性對反應影響不大，但位阻較大的基團不利于環化反應，增加色氨酸的大小也不利于籠子里的反應.這些結果表明：腔內尺寸和形狀匹配對分子籠催化過程有很大影響，這種對結構的微妙敏感性說明了分子籠的“仿生酶”行為，它可以在一個活性位點結合和激活兩種不同的底物，并表現出不同的反應活性.

圖2 基于芴的四面體Fe4L6催化Pictet-Spengler環化反應

1.2 裂解反應

環丙烷是一類具有張力的碳氫化合物，在輻照條件下表現出獨特的開環反應，特別是光敏劑單電子氧化環丙烷可以得到有價值的1，3-自由基陽離子中間產物.TAKEZAWA等［10］采用吡啶基取代的三嗪為有機配體與環二胺修飾的Pd為金屬節點設計了Pd6L4八面體光敏分子籠，如圖3所示.由于分子籠包含3個以三嗪為核心的配體，再加上對Pd2+的配位作用，產生了一個非常強的電子受體空腔.當分子籠Pd6L4被紫外光照射時，客體和電子接受壁之間的距離很近，分子籠接受來自結合客體分子的電子，客體自由基-陽離子立即失去一個質子，留下可以與水/氧氣（H2O/O2）反應生成水合/氧化產物的客體自由基.通過光誘導電子轉移實現環丙烷脫亞甲基變成乙烯的反應，當烯烴部分或苯環與環丙烷環相鄰時，反應具有顯著的化學選擇性和高產率，這種脫甲基化反應可用于天然產物的后期衍生化，產生全新的非天然類固醇.

圖3 基于三嗪的八面體Pd6L4光催化環丙烷脫甲基化反應

酰胺官能團由于氮（N）孤子對與羰基π*軌道的共軛使其擁有高旋轉勢壘和化學惰性，當這種共軛被酰胺的平面構象扭曲被破壞時，它們的化學和物理性質就會發生變化.因此，通過改變酰胺鍵周圍的二面角來控制酰胺類化合物的反應性一直是合成化學和生物化學的研究熱點.WANG等［11］對上述光活性三嗪分子籠的應用作進一步研究發現，此Td對稱的分子籠可實現對仲芳酰胺活性順式扭曲構象的非共價捕獲，如圖4所示，這種扭曲的結果就是酰胺的水解反應性增強.此分子籠具有一個大的疏水空腔，具有Td對稱性，因此，跨平面構象的芳香酰胺應采用順式扭曲構象，形成擬S4對稱二聚體，并與空腔相匹配.當二級芳香酰胺被包含在Td對稱的分子籠中時，順式扭曲構象比反式平面構象更有利，N孤對電子與羰基π*軌道之間的共軛作用被破壞，對親核試劑的反應活性增強，酰胺的水解反應性增強，在溫和的條件下，連接的酰胺被活化并順利水解，由實驗可知酰胺在分子籠內扭曲的角度達到34°.

圖4 基于三嗪的八面體Pd6L4光催化酰胺的水解反應

1.3 氧化還原反應

ZHU等［12］采用錳卟啉與2-甲酰基吡啶組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，其速率比溶液中的單體提高了20倍.還原的FMN通過分步單電子過程使得錳（Ⅲ）卟啉被快速還原相應的Mn（Ⅱ）-卟啉，形成的Mn（Ⅱ）-卟啉中間體，有效地活化O2，實現芳香醇在NADH存在下氧化催化過程.如圖5（a）所示，這種主-客體系統的優勢應歸因于宿主-客體系統中的金屬氧化還原中心和FMN之間的近距離，有利于電子進行高效的轉移.一鍋反應可以避免繁瑣的反應中間產物的分離和提純，實現更簡單和綠色的過程.一種能夠以酶催化的方式實現連續化學轉化的方法是在一個系統內進行催化位點隔離，以促進一鍋催化.ZHAO等［13］在金屬-有機籠子和介孔基質中分別引入催化位點，合成了一種新的雙功能多相催化劑，提供一種連續化學轉化的新方法.同時含有金屬-有機分子籠與介孔碳材料的優點，包括大小可控、可調節，在分子尺度上具有獨特的限制效應，從而可以實現類似于酶催化的空間隔離催化.通過在胺修飾的介孔碳材料中包裹一種球形金屬有機籠來實現一鍋串聯反應，如圖5（b）所示，此分子籠是由24個彎曲tempo修飾的二齒吡啶配體與12個Pd2+自組裝而成，通過分別控制M12L24球形籠和介孔碳材料上不同催化活性位點的位置，得到的催化劑在一鍋醇的連續氧化-腦文格縮合反應中表現出優異的性能，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可以形成聚集體，介孔碳材料包裹分子籠（Cage＠FDU-ED）的反應速率是簡單混合分子籠和介孔碳材料或均相溶液的5倍左右，因此認為，活性的提高應歸因于復合材料內部催化活性中心的高度分散和良好的隔離.結合金屬超分子配合物和介孔非均相催化劑的獨特的特點，合成的Cage＠FDU-ED表現出優異的穩定性、活性和可回收性，從而可以實現類似于酶催化的空間隔離催化.

圖5 氧化還原反應示意圖.（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的復合材料一鍋催化氧化-腦文格縮合反應

1.4 偶聯反應

萘二酰亞胺（NDIS）是一種良好的催化活性構筑單元，其可通過陰離子-p相互作用預先組織底物來催化自由基誘導的反應［14］，在這個過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-甲酰基吡啶組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反應，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耐受性.對其作用機理進行了探討表明，此反應是自由基誘導的，自由基穩定劑C60和C70都起到助催化劑的作用，結合在籠形催化劑內部以提高其催化活性，催化反應在籠子的表面發生，分子籠起到調節電子傳遞的作用，而不是包裹反應底物.

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反應

PARMAR等［18］使用2，2’-聯吡啶-5，5’-二羧酸與三核鋯簇合成了化學穩定性較好的四面體分子籠MOP-BPY，然后負載Pd原子作為Suzuki-Miyaura交叉偶聯反應的新型多相催化劑MOP-BPY（Pd）.對MOP-BPY（Pd）的結構和理化特性進行了表征，發現每個分子籠上存在4.5個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中，此催化劑對不同底物的催化活性均較高，各種底物的偶聯效率均在90.0%以上，優于分子Pd配合物和錨定Pd原子的金屬有機骨架（MOF）的偶聯效率.此外，MOP-BPY（Pd）被成功地回收和循環利用3次，性能沒有下降.

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

2 手性MOCs用于不對稱催化反應

軸向二醇衍生的手性磷酸，如1，1’-聯萘酚（BINOL）［19］已被廣泛應用于亞胺類化合物的對映選擇性轉化中，如Friedel-Craft反應［20］、Pictet-Spengler反應［21］和Aza-Diels-Alde反應［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，手性磷酸修飾的三齒羧酸配體合成了一個手性八面體分子籠，籠上覆蓋的磷酸和羧酸基團可通過氫鍵自組裝形成永久性多孔的氫鍵有機骨架（HOF）.在每個籠子中，8個磷酸中的2個參與氫鍵相互作用，其余6個磷酸可用于催化.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稱［3+2］偶聯，以及吲哚與芳醛的Friedel-Craft烷基化反應.所提供的對映體選擇性（對映體過量值（ee）高達99.9%）超過了均相對映體，并與迄今報道的最具對映體選擇性的均相磷酸催化劑相媲美.催化劑重復試驗至少能夠回收利用10次，且活性和對映選擇性均無損失.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部空腔所產生的獨特微環境，已被用作許多有機和有機金屬轉化的催化劑［25-28］，這個主體包含一個疏水結合位點，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，而疏水的內部允許識別和結合水中的親脂底物，四面體的空腔可對底物施加多種作用力，從而導致在腔內發生各種催化轉化.STEPHEN等［29］采用酰胺配體與鎵離子組裝了類似的手性四面體分子籠，并報道了其催化苯胺、醛和α-重氮酯的非對映選擇性三組分Aza-Darzen反應，如圖9所示，它在此分子籠的催化下，得到了雙取代N-苯基氮雜環丙啶的反式異構體，形成了與本體溶液中相反的立體異構體，當分子籠的空腔被尺寸較大的底物占據時，反應的產率急劇下降，從而證明分子組裝的空腔對于多組分反應是必不可少的.這種反應可以激發更復雜的超分子組裝反應的發展，使這些宿主獨特的空腔能夠決定選擇性，并發揮水介質中的化學優勢.

圖8 基于手性磷酸螺環骨架的八面體分子籠催化吲哚與醌單亞胺的不對稱［3+2］偶聯反應

圖9 Ga4L6四面體分子籠催化非對映選擇性三組分Aza-Darzen反應

光誘導的［2+2］環加成反應是合成環丁烷的最直接方法，環丁烷是許多天然產物、藥物和生物活性化合物的核心結構.WANG等［30］報道了一種籠式光催化方案，可以實現α，β-不飽和羰基化合物不尋常的分子間［2+2］環加成反應.采用光敏劑手性釕配體RuL3與Pd配合物組裝成了截斷的八面體手性分子籠（MOC-16），具有可見光活性納米空間，如圖10所示，在藍色LED光催化下進行α，β-不飽和羰基化合物［2+2］環加成反應，很容易生成順式頭對頭非對映異構體，非對映選擇性高達99%.此外，該水溶性分子籠具有疏水效應，可以通過水介質轉移不溶性底物和光產物，從而實現生態友好的催化過程.該分子籠催化分子間［2+2］環加成反應底物范圍廣泛，具有極好的官能團耐受性.催化過程中穩定，循環利用10次，催化活性無明顯下降.這種光活性的MOCs在模擬酶催化及有立體選擇性的反應中具有很好的應用價值，同時也為具有特殊非對映選擇性和生態友好的環加成反應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］環加成反應

3 結論

本文作者著重根據MOCs有無手性分別介紹了其在催化方面的應用和最新研究進展，非手性MOCs催化主要有加成反應、氧化還原反應、偶聯反應和裂解反應，不對稱催化主要介紹了加成反應.總之，分子籠催化的研究已成為超分子化學研究的熱點，通過研究，未來將設計和制造出具有更多和更復雜功能的分子籠，這些分子籠有望能表現出與天然酶相媲美的反應性、選擇性和特異性.