华东师范大学张大卫/高恩庆Angew: 金属有机笼空腔和窗口双重键合位点实现催化活性双向调控

第一作者：许炎

通讯作者：张大卫，高恩庆，Roy Lavendomme

通讯单位：华东师范大学、布鲁塞尔自由大学

论文DOI：https://doi.org/10.1002/anie.202507981

研究简介

超分子仿酶催化通过模拟酶的活性口袋和协同作用机制，在温和条件下实现媲美酶的高效与高选择性催化，为突破传统催化局限和开发绿色化学过程提供了新途径。金属有机笼（MOC）明确的内腔能精确模拟酶的限域微环境，是构建高效“人工酶”的理想平台。然而，将多重分子识别位点引入金属有机笼，并以仿生方式精准控制催化反应的增强或抑制是一个重大挑战。针对这一难题，华东师范大学张大卫研究员、高恩庆教授创新性地设计合成了一种基于质子化氮杂杯[3]吡啶配体的T对称四面体金属有机笼1。该配位笼存在较大的正电性空腔（一级键合位点）和开放的窗口（二级键合位点），使其具有双重键合位点（图1），成功实现了对多金属氧酸盐（POM）阴离子催化剂的包裹和对POM催化活性的仿生式调控，为智能催化系统的设计提供了新思路。

图1. 配位笼1的合成(A)、¹H NMR谱图(B)、DFT优化模型(C)。

研究人员基于具有较大空腔与窗口的配位笼1进行了一系列主客体结合的尝试，结果表明配位笼1对多金属氧酸盐（POM）阴离子、四芳基硼酸盐类（B(Ph-R)₄⁻）阴离子以及常规阴离子均展现出较强的结合能力（图2），并呈现了空腔和窗口双重键合位点。有趣的是，在空腔中结合一个阴离子客体后（如Mo₈O₂₆⁴⁻），在配位笼的窗口可进一步结合另一当量阴离子客体（如BPh₄⁻），实现一级和二级键合位点对阴离子客体的双重结合。

图2. 配位笼1的主客体性质示意图(A)、笼1空腔包裹Mo₈O₂₆⁴⁻DFT优化模型(B)、以及笼1同时结合Mo₈O₂₆⁴⁻和BPh₄⁻的DFT优化模型(C)。

POM阴离子在核磁共振化学位移时间尺度上均以慢交换的形式结合在笼1的空腔中，其中特殊的是笼1对Mo₈O₂₆⁴⁻的结合力较强，结合常数K_a > 10⁵ M^-1；结合过程伴随配位笼结构的显著收缩，空腔体积从1212 ų减小至508 ų，并且通过核磁氢谱观察到结合Mo₈O₂₆⁴⁻之后的笼1对称性从T降至C₃（图3）。

图3. 配位笼1与Mo₈O₂₆⁴⁻的核磁滴定谱图。

对四芳基硼酸根阴离子B(Ph-R)₄⁻的主客体结合研究发现，在空腔包裹1个B(Ph-R)₄⁻客体后，配位笼1的窗口可对另一当量的B(Ph-R)₄⁻进行二级结合（图4），这种结合通过客体的部分芳基插入配位笼窗口实现。

图4. 配位笼1与B(Ph-CH₃)₄⁻的核磁滴定谱图。

进一步的研究证实，Mo₈O₂₆⁴⁻⊂1的窗口也可键合B(Ph-R)₄⁻，生成Mo₈O₂₆⁴⁻⊂1•BPh₄⁻（图5）。客体的结合常数均整理在表1，这也为后续的催化调控研究奠定了基础。

图5. Mo₈O₂₆⁴⁻⊂1作为主体与BPh₄⁻的核磁滴定谱图。

表1. 阴离子的结构性质及与配位笼1的结合性能。

由于POM具有一定的催化活性，本研究利用配位笼1与Mo₈O₂₆⁴⁻的主客体复合物（Mo₈O₂₆⁴⁻⊂1）作为催化剂进行硫醚的催化氧化。研究发现，相较于单独的Mo₈O₂₆⁴⁻，Mo₈O₂₆⁴⁻⊂1作为催化剂在转化率和选择性上有明显的提升，均达到90%以上，而配位笼自身则不具备催化氧化活性。机理探究表明催化转化遵循一级反应动力学，Mo₈O₂₆⁴⁻⊂1作催化剂时反应的活化能（28.2 kJ/mol）相较于单独Mo₈O₂₆⁴⁻（50.8 kJ/mol）作为催化剂显著下降。Mo₈O₂₆⁴⁻⊂1相较于Mo₈O₂₆⁴⁻在催化性能上的提升可归因于：1) Mo₈O₂₆⁴⁻的稳定化；2) 过渡态能量的降低；3) 对催化位点可及性的控制，防止过度氧化。为进一步探究主客体复合物催化剂对硫醚催化氧化活性的调控优势，向Mo₈O₂₆⁴⁻⊂1中加入BPh₄⁻进行催化，可以精准地对反应进行抑制；这可归因于底物硫醚通过窗口与内部包裹的Mo₈O₂₆⁴⁻进行接触及触发反应，而客体BPh₄⁻在窗口的二级结合有效抑制了硫醚底物与包裹的Mo₈O₂₆⁴⁻的接触（图6）。

图6. Mo₈O₂₆⁴⁻⊂1、Mo₈O₂₆⁴⁻和配位笼1催化氧化苯甲硫醚制苯甲亚砜的转化率(A)和选择性(B)对比；在343 和323 K 下，Mo₈O₂₆⁴⁻⊂1和Mo₈O₂₆⁴⁻催化氧化苯甲硫醚的一级动力学数据拟合(C)；Mo₈O₂₆⁴⁻、Mo₈O₂₆⁴⁻⊂1和 Mo₈O₂₆⁴⁻⊂1•BPh₄⁻催化氧化苯甲硫醚的转化率随时间的变化(D)。

综上所述，该研究设计合成了一种以质子化的氮杂杯[3]吡啶为面的Zn^II₄L₄四面体（1）。得益于质子化氮杂杯[3]吡啶的平面性和稳定性，该金属-有机笼具有高正电性和多孔性，能够同时实现两个客体的中心和窗口结合。客体结合研究表明，配位笼1能够封装多种阴离子客体，从大尺寸的POMs和四芳基硼酸盐到小尺寸阴离子，且空腔结合动力学各不相同。特别是，Mo₈O₂₆⁴⁻的结合最强，将笼1的初始T对称性降低为C₃对称性的主客体复合物。C₃对称的Mo₈O₂₆⁴⁻⊂1可进一步通过芳基插入在其开口处结合四芳基硼酸盐客体。Mo₈O₂₆⁴⁻在1中的封装显著提升了其将硫化物氧化为亚砜的催化性能，重要的是，在催化体系中加入窗口结合的客体可通过阻碍底物接近中心催化位点，有效抑制Mo₈O₂₆⁴⁻⊂1的催化活性。这种双位点结合模拟了生物变构效应，其中一级和二级相互作用协同调控主体功能。本研究展示了利用复杂的双位点主客体相互作用来精细调整催化剂的性质并控制反应的概念，为模拟仿生方式来增强或抑制催化作用开辟了新的途径。

该论文的第一署名单位为华东师范大学，张大卫研究员和高恩庆教授、布鲁塞尔自由大学Roy Lavendomme博士为通讯作者，博士研究生许炎为第一作者。该研究工作获得了国家自然科学基金委、中石化石油化工科学研究院、华东师范大学的项目经费支持。

作者介绍

张大卫，华东师范大学化学与分子工程学院/石油化工分子转化与反应工程全国重点实验室研究员、博士生导师。2011年毕业于东北大学获学士学位；2017年于法国里昂高等师范学校和华东师范大学获双博士学位；2017-2021年在英国剑桥大学化学系从事博士后研究；2021年5月加入华东师范大学。分别入选国家海外高层次人才引进计划青年项目（2022）、上海海外高层次人才引进计划青年项目（2021）、华东师范大学双百计划第一层次“紫江优秀青年学者”（2021）、剑桥大学Herchel  Smith学者（2017）等荣誉。主要研究方向为配位超分子化学和超分子功能材料。以第一/通讯作者在Nat. Rev. Chem.、Acc. Chem. Res.、Chem. Rev.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem、Nat. Commun. 、CCS Chem.等期刊发表SCI论文50余篇。

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