中山大学苏成勇教授课题组在超分子笼限域催化研究进展

超分子金属-有机笼作为人工模拟酶催化的合成模型，不仅可以提供结合底物的仿生微环境，而且可以将活性中心整合进笼纳米空间，实现限域空间的功能协同效应。目前金属-有机笼领域的催化大多数着眼于空腔环境对于催化反应的控制，忽略了天然酶金属催化中心本身的重要的作用，主要是因为人工合成超分子笼的金属节点往往配位饱和，难以发挥催化作用。因此，如何在笼构造中嵌入活性金属中心并应用于催化，就成为仿生超分子催化中的一个非常具有挑战性的课题。

中山大学苏成勇教授课题组长期致力于超分子笼限域催化与功能协同方面研究，近年来开发了一系列功能活性金属-有机超分子笼（Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 6156; J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 4456; J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 18183），基于仿酶超分子笼效应，开展系列研究，包括仿酶超分子催化与相转移催化 （ACS Catal. 2013, 3, 1; Nat. Sci. Rev., 2021, nwab155; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202114070）; 手性分子分离（Nat. Commun. 2016, 7, 10487）、不对称光催化（Angew.Chem. Int. Ed. 2020, 59, 8661; Nat. Commun., 2020, 11:4675; Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 3852）、超分子光化学产氢（Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 2639; Nat. Commun. 2016, 7, 13169; J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 13057）等。为了进一步提高超分子金属-有机笼的稳定性，他们最近提出顶点导向的有机分子夹螯合组装策略，构筑了一种少见的共价顶点多孔超分子笼MOC-63。

该合成策略利用共价有机分子夹作为多面体顶点连接单元，替换前期工作中Fe-Pd异金属超分子笼中易被还原的Pd顶点。该有机分子夹双齿螯合氧化还原活性的Fe中心组装得到类似著名的Fujita八面体超分子笼，不仅开放更多窗口供客体识别与交换，而且大大提升了超分子笼的化学稳定性，可以耐受更强的酸碱环境。同时，6个有机分子夹三重双齿配位螯合4个动力学活泼的Fe中心，保证了笼框架机械耦合与Fe中心单个Fe-N键动态解离的平衡，巧妙利用笼稳定效应和螯合效应解决了笼结构整体稳定性与金属中心局部动态活性兼顾的问题，为苛刻环境下的超分子笼仿生催化奠定了基础。

类似蛋白质酶活性中心的静电效应，超分子笼的价态和电荷往往会对其极性、溶解性产生较大影响。MOC-63笼上有12个咪唑单元，提供了大量质子给体和质子受体位点，因而赋予超分子笼极强的酸碱价态调控的能力。通过超分子笼的质子化或去质子化，可以发生从-4价到超过+8价的电荷变化，从而调节其限域电荷环境和溶解性，实现酸碱调控的超分子笼相转移催化剂循环回收与再利用。

由于在笼限域微纳空间镶嵌了多个Fe催化中心，其在四氢喹啉类化合物的多步自由基脱氢反应中展现出相对于普通Fe配合物催化剂更加优异的性能。多中心的协同效应为底物的多步脱氢转化提供了高密度的活性氧化还原中心；同时，笼限域空间为多种自由基中间体的近距离碰撞提供了便利的场所。与常规均相溶液中的随机扩散和碰撞不同，稳定的笼限域纳米空间可以提供远远超越传统“溶剂笼效应”的超分子笼效应，通过增浓、协同、限域作用改变催化过程的分子扩散、碰撞行为，从而有效提升底物在限域空间的多步转化和产物生成速率。超分子笼的酸碱稳定性为通过改变溶液酸碱性来对Fe中心的催化活性进行调控创造了有利条件，因此可以通过调节开放多孔笼溶液的酸碱性实现对反应速率的控制和加速，并进行酸碱调节的笼催化循环与回收。良好的溶解性和催化效率也使得该笼限域催化可以在绿色、温和条件下高效进行。

该工作展示了如何利用超分子金属-有机笼上的饱和配位中心创造动态活性与催化活性中心的方法，如何利用超分子笼仿酶限域效应与多中心协同作用，达到源于仿酶而超越酶模拟的效果，为推进超分子金属-有机笼的功能化与应用研究提供了新的思路。

来源：中山大学

论文信息：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c02692