基于开孔笼溶液的笼限域催化：均相体系中的多相性与多功能性

近日，《国家科学评论》杂志在线发表了中山大学化学学院苏成勇教授团队及其合作者关于笼限域催化的最新研究进展。该研究团队基于前期设计合成的水溶性Ru(II)—Pd(II)双金属八面体超分子笼，提出以开孔笼溶液为液态异相性超分子催化平台、利用仿酶超分子笼效应实现多功能笼限域催化的思想。开孔笼溶液体系可以看作是笼限域纳米空间与液体流动性的结合，适于在均相体系中营造笼内外环境、性质（笼内空间和笼外溶液）完全不同的异相性，如笼内外酸碱两性环境、笼内外界面传输、主-客体作用相转移等，进而构建具有多相性、多功能性的溶液微纳空间作为分子反应器。仿酶超分子笼效应是控制反常性笼限域催化的关键因素，决定了选择性分子传输（底物识别与产物释放）、难溶性分子相转移（底物、产物与助催化剂）、溶液局域环境酸碱两性化、过渡态稳定化、质子电离平衡驱动、底物富集与定向、反应加速与循环等协同、偶合作用。

传统的均相催化是指反应物与催化剂处于同一均匀物相中，异相催化存在两相界面，而相转移催化伴随两相之间的物料转移。酶催化则兼具均相与非均相催化的特点，其高效、专一、温和条件的特点得益于催化反应发生于活性中心所处的蛋白质三维骨架构造的微环境。酶活性中心微环境不仅可以提供一个有别于自由分子扩散、碰撞的限域空间，而且可以产生选择性吸附、活化、加速等多重效应。因此，金属-有机框架（MOFs）、分子筛等多孔固体被广泛用于模拟酶活性中心微环境，然而其催化过程仍以多相为特征。近年来，多孔液体（porous liquids）、多孔液态MOFs和多孔离子液体等物种相继被报道，预示了一种将多孔性与液体流动性相结合的反常规物相发展趋势。从催化的角度，底物与产物优于溶剂分子选择性进出多孔材料提供的限域空间是催化反应得以进行的前提条件，而要最大化利用多孔材料的限域空间与仿酶效应，一种有效的途径是将单独的限域空间与液体的流动性相结合，所以，开孔笼溶液为此提供了一种理想的模型。实际上，经典溶液理论认为溶剂分子会在反应物分子或者自由基周围形成“溶剂笼”，限制其扩散与碰撞，但是这种溶剂笼效应是瞬态不稳定的。而开孔笼溶液可以有效克服这些问题，得益于其稳固的外形和内部空腔，拥有选择性交换分子的窗口，并可以通过结构设计引入前文所述的仿酶超分子笼效应，进而为反常规催化行为提供了可能。

研究人员发现该水溶性Ru(II)—Pd(II)纳米笼表面分布的极高正电荷(+28价)可以诱导笼壁骨架上的24个咪唑基团发生质子电离，驱动电离平衡和pK_a移动，进而在水溶液中创造大量的正电性笼限域纳米空间，形成内碱外酸的两性局域溶液环境。这一现象类似于酶催化过程中氨基酸残基受静电作用所发生的显著pK_a位移。由于笼限域空间的疏水效应和识别效应，选择性分子交换（底物识别与产物释放）得以通过笼壁界面的窗口在均相溶液中实现，甚至可以相转移难溶性底物和产物。他们通过实验和理论计算解释了酸碱两性笼限域空间的形成机理，并将该开孔笼溶液体系应用于多种催化反应，发现一系列与自由溶液体系完全不同的笼限域催化现象。

炔烃的氘代反应通常需要外加强碱催化，而利用该催化体系在酸性溶液（pH = 2.5）中即可以实现温和条件的快速H/D交换，表明碱性、正电性笼限域溶液空间吸附底物后产生Csp-H活化并稳定了脱氢后的阴离子中间体。同样，碱催化Knoevenagel缩合反应也可以在酸性笼溶液中顺利进行，进一步证明超分子笼效应的C-H活化和负电中间体稳定作用。该酸碱两性催化体系为解决自相矛盾的酸碱串联反应提供了理想的对立统一化解决方案，使得相反条件下的缩醛衍生物的酸催化水解和碱催化Knoevenagel缩合可以一锅反应高效进行，同样可以与Henry反应进行非常规串联。应用于更复杂的三元A3-偶合反应，发现可以很容易地通过咪唑N配位将水难溶和不稳定CuOTf助催化剂负载并富集于分子笼窗口，无需外加碱催化剂即可在酸性溶液实现绿色高效A3-偶联反应，并通过底物和产物相转移实现自动催化循环和反应加速（70倍加速，TON > 700）。他们还制备了动力学惰性更强的Ru(II)—Pt(II)超分子笼，发现可以在更苛刻的酸性条件下进行上述反应。

 该开孔笼溶液催化体系既继承了酶催化的特征，又融合了均相、多相、相转移催化的特点，适用于从单元到三元的不同反应。从溶液异相性角度审视多孔性与流动性的结合，也将为空间限域催化的广泛应用和多功能、非常规分子转化、传输提供多元化平台。

研究详情请见原文：

Acidic open-cage solution containing basic cage-confined nanospaces for multipurpose catalysis

https://doi.org/10.1093/nsr/nwab155

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