【JACS】浙大黄飞鹤/港大Fraser Stoddart等团队：十二价有机阳离子笼用于可见光驱动多组分反应

背景

受天然酶催化启发，超分子催化可以借助主体空腔对底物进行精准识别，从而实现优异的催化效率与选择性，甚至开辟传统方法难以实现的新反应路径。因此，具有合适空腔的主体分子，一直是超分子催化研究的核心。近年来，兼具环境友好和潜在低毒优势的纯有机主体分子受到广泛关注，代表体系包括离散型主体和多组分组装体。然而，相较于现有的离散主体和多组分组装体，超分子催化仍亟需兼具大空腔和高结构稳定性的有机主体作为催化平台。不过，与金属‒有机笼相比，大空腔纯有机主体的构筑仍然十分困难。因此，如何发展兼具大空腔、高稳定性甚至光催化活性的纯有机主体，并将其作为催化平台用于新反应探索，是当前超分子催化领域的重要前沿课题（图1）。

图1. 超分子催化体系概述

图文解析

为突破大空腔有机笼构筑难的问题，作者发展了一种“由大环到笼”的合成策略，成功构建出大空腔有机笼DiamondCage¹²⁺，并证明其能够有效识别苯酚类化合物。基于这一识别特性，作者进一步将其用作超分子光有机催化剂（supramolecular photo−organocatalyst，SPOC），实现了新型多组分反应，并合成出一系列具有潜在生物活性的分子。

在合成上，作者最初尝试直接构筑该有机笼，但无论一锅法还是传统的分步法都未获成功。为此，作者转而采用大环前体策略：先合成大环化合物MCOH·4PF ₆ ，再经溴化得到MCBr·4PF ₆ ，最终通过自二聚成功构建出十四面体笼DiamondCage·12PF6，并进一步通过阴离子交换得到DiamondCage·12Cl（图2a）。相关结构均通过多种表征手段得到证实。

单晶结构分析显示，DiamondCage·12PF ₆ 具有十四面体构型和Td对称性。值得注意的是，6个PF ₆ ‒阴离子通过多重C−H···F氢键占据了笼分子的6个窗口（图2c），进而带来两方面影响：其一，固有空腔被部分堵塞，阻碍了客体分子的进入；其二，可及空腔体积明显减小。相比之下，DiamondCage·12Cl的单晶结构则表现出开放的空腔窗口（图2d）。进一步研究发现，抗衡阴离子不仅影响笼腔大小，也会调控固态堆积方式：DiamondCage·12PF ₆ 体系呈紧密无孔堆积，而DiamondCage·12Cl体系则形成具有不同孔隙的框架结构。体积计算结果也表明，DiamondCage·12Cl的空腔明显大于DiamondCage·12PF ₆ 。上述结果均表明，抗衡阴离子能够有效调控笼分子的空腔体积。

在此基础上，作者进一步考察了该笼分子的主客体识别性能（图2e）。1H NMR实验表明，DiamondCage·12Cl能够有效识别4-甲氧基苯酚（G1）。与此同时，在加入G1后，DiamondCage·12Cl溶液的颜色由浅棕色变为深红色，表明主客体之间发生了电荷转移相互作用。结合等温滴定量热法（ITC）和Job plot实验，作者确认DiamondCage·12Cl与G1的结合计量比为1:2，其结合常数分别为K ₐ , ₁ = (4.42 ± 0.41) × 10 ³ M ⁻ ¹ 和K ₐ , ₂ = (5.18 ± 0.48) × 10 ¹ M ⁻ ¹ 。计算化学结果进一步揭示了主客体复合物的结合模式：其中一个G1分子位于笼分子的内部空腔，另一个则结合在笼分子的窗口位置。

图2. 有机分子笼DiamondCage¹²⁺的合成、主客体性质及光催化性能研究

基于良好的主客体识别能力，作者进一步研究了DiamondCage¹²⁺对酚类化合物的光催化行为。结果表明，在427 nm可见光照射下，仅需0.5 mol%的DiamondCage·12Cl，即可高效催化G1与(E)-A发生反应，一锅法构建双官能化产物G1A-2。值得注意的是，与已报道体系不同，该反应较少生成传统产物G1A-1，显示出独特的反应选择性，也为邻位取代2,3-二氢苯并呋喃类分子的合成提供了新方法（图2f）。

作者随后拓展了多种对位烷氧基取代苯酚底物，发现这些底物均可顺利反应，得到相应产物。随着烷氧基链增长，双官能化产物收率逐渐降低，而传统产物比例有所上升。这说明底物尺寸与笼腔空间的匹配程度会影响反应结果。由此可见，DiamondCage¹ ² ⁺ 在该体系中兼具双重功能：既是光催化剂，又可通过限域空间和主客体预组织效应促进多组分反应的进行。

结合DFT计算，作者提出了可能的反应机理：首先，两个苯酚分子进入笼腔，在光照下经历O−H键活化，形成关键活性中间体；随后与烯烃发生环化反应，并在笼内与另一苯氧基自由基发生偶联反应，最终生成目标产物G1A-2。

综上所述，作者发展了一种“由大环到笼”的新构筑策略，并成功将笼分子应用于酚类分子的识别与可见光催化转化。借助笼分子的限域效应与光催化活性，研究团队实现了具有潜在生物活性骨架分子的高效构建，为超分子催化体系的设计与应用提供了新的启发。

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