纳米团簇合成策略和表征技术的进步推动手性团簇性质的深入研究。不对称反应在构建具有药物活性的光学活性有机化合物方面具有强大的作用，然而，由于缺乏特定的催化位点，原子精确的纳米团簇对不对称反应的贡献尚未实现。目前，脯氨酸类生物分子在催化Aldol不对称缩合反应中应用广泛，然而，该类催化剂的低转化率(TON)限制其潜在应用。为了克服这一固有缺陷，在过去的几十年里，人们一直致力于发现和设计效率更高、TON更高的脯氨酸衍生物。
近期，清华大学王泉明课题组通过币金属纳米团簇表面修饰脯氨酸，结合脯氨酸的烯胺催化机制与金属核的羰基活化作用，发展了一种表面结构协同催化的新策略。这种策略具有双重优势：（1）有机催化和金属簇催化的结合能够获得立体选择性和催化效率优异的不对称醛缩反应的簇基催化剂；（2）具有精确结构的手性金属纳米团簇在机理研究方面表现出独特的优势。该工作报道了手性金属纳米团簇[Au7Ag8(dppf)3(L-/D-proline)6](BF4)2 (L-/D-Au7Ag8)的合成和结构测定。这对超原子团簇L-/D-Au7Ag8在表现出很强的CD信号。DFT计算阐明了对映体的电子结构和光学活性之间的相关性。催化研究表明，在金属纳米簇表面引入脯氨酸可以显著提高不对称醛缩反应的催化效率。与脯氨酸的有机催化相比，Au7Ag8的催化活性有显著提高，这归功于金属核与脯氨酸的功能一体化。
结构分析表明，Au7Ag8由 7 个 Au，7 个 Ag，6 个脯氨酸，三个1,10-双-(二苯基膦)二茂铁组成，内核是Au@Au6Ag6 二十面体。在该合金纳米团簇为 Ag3–Au7–Ag3 排列模式，Au7Ag6二十面体核心的 Ag3三角面与AuAg2 三角面中都被Ag原子占据，只有一个脯氨酸以 μ4-κ1,κ1, κ1, κ1的模式与底端四个 Ag配位，剩余五个都是以 μ2-κ1, κ1 的模式与 Ag 配位。二茂铁双膦配体本身具有 C2 轴手性，但作者使用的dppf配体是外消旋的，但在 D-Au7Ag8（L -Au7Ag8）表面占据的 dppf 都是 S (R) 构型的手性形态存在，这与呈逆时针三叶扇型排布的脯氨酸和dppf之间的立体定向相互作用相关（C–H⋯π作用与空间位阻）。
图1. L-/D-Au7Ag8的合成以及结构解析示意图。
CD光谱表明，L-/D-Au7Ag8具有手性。除了脯氨酸和ProAg的手性信号外，Au7Ag8在可见光区表现出CD特征。其可见区的光学活性可归因于配体到金属的电荷转移(LMCT)或金属核跃迁。Au7Ag8的手性取决于脯氨酸和dppf的手性，脯氨酸的中心手性和dppf的轴向手性分别通过Ag-O键和Au-P键转移到纳米团簇上。Au7Ag8的各向异性因子在350 nm处出现最大值，g值达到2.4×10-3，在500 nm附近的g值达2.3×10-3。Au7Ag8在350和500 nm处的各向异性因子比262 nm处的各向异性因子高约3倍(6.2×10-4)，表明LMCT或金属核跃迁比配体中心跃迁对金属团簇的光学活性起更大的作用。
图2. L-/D-Au7Ag8的紫外吸收光谱、CD图谱以及其与理论模拟值的对比。
修饰有大量脯氨酸位点的手性金属纳米簇可以实现不对称Aldol反应。实验结果表明，在丙酮中，1 mmol% Au7Ag8可以达到72%的转化率和71%的ee，基于团簇的TON（TON =转化的底物摩尔数/Au7Ag8的摩尔数）在5 h内可达72，每个吡咯烷位点的TON为12，约为该反应条件下脯氨酸的3倍，为ProAg的6倍，说明簇骨架在提升催化性能的关键作用。值得一提的是，将[Au7Ag9(dppf)3(CF3CO2)7BF4]n与脯氨酸简单混合作为催化体系只能达到29%的转化率，这表明在纳米金属团簇上集成吡咯烷的胺基催化和金属活化作用能够协同促进Aldol反应。
表1. Aldol不对称缩合反应条件优化。
图3. Au7Ag8的催化Aldol反应的机理图解。
目前，关于氨基催化与过渡金属催化结合的报道较多，然而关于不对称催化，还没有将金属催化和有机催化在纳米团簇中结合的先例。根据本工作提出的反应机理，通过烯胺催化和C=O活化的结合，该手性纳米团簇可以催化不对称Aldol反应并显示了协同催化的能力。此外，与净ProAg或脯氨酸相比，锚定在团簇表面的脯氨酸的催化位点(吡咯烷)更容易暴露并与底物接触。
图4. 纳米团簇骨架在提高催化剂活性中的作用示意图。
小结
该工作首次将精确结构的手性币金属簇用于不对称催化，有望为簇基不对称催化剂的合理设计提供新思路。该研究提出了一种手性纳米簇催化剂中金属核心活化和氨基催化一体化的概念，这是一种协同方式下的双重激活的新策略。这一成果近期发表于《美国化学会志》 (J. Am. Chem. Soc.)，文章的通讯作者为清华大学的王泉明教授，第一作者是清华大学博士王佳琪，目前就职于福建师范大学化学与材料学院。
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Integration of Metal Catalysis and Organocatalysis in a Metal Nanocluster with Anchored Proline
Jia-Qi Wang, Rui-Lin He, Wen-Di Liu, Qi-Yun Feng, Yan-E Zhang, Chun-Yu Liu, Jing-Xuan Ge, and Quan-Ming Wang*
J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 12255–12263, DOI: 10.1021/jacs.3c02567
王泉明教授简介
王泉明，清华大学教授，化学系副主任，国家杰出青年基金获得者（2011）。1989年和1992年分别获得厦门大学化学系理学学士和硕士学位。1992年到中国科学院福建物质结构研究所工作。1998年赴香港中文大学化学系攻读博士，2001年获博士学位。2001年至2005年间，分别在香港中文大学化学系、美国Rochester University化学系以及美国加利福利亚大学河滨分校（UC Riverside）化学系开展博士后研究。2005年回国，任厦门大学化学化工学院教授。2015年6月至今，任清华大学化学系教授、博导。现为中国晶体学会理事、《Fundamental Research》、《无机化学学报》、《结构化学》编委。
主要从事金属团簇化学研究，特别是金属团簇的理性合成与性能调控。目前主要开展两个方面的工作，一是通过分子设计和结构修饰，合成发光的金属簇合物。这类金属簇合物具有特殊的发光性质，它们在常温下固态及溶液中均能发强光，是一类新颖的发光材料。另一方面是配体工程应用于金属纳米团簇的可控合成与性能调控，包括合成方法学、宏量制备以及光团簇催化研究，主要采用膦、炔、杯芳烃和含氮配体作为保护基团，通过团簇的核心和表面结构的控制，提升团簇的性能。近年来，在Acc. Chem. Res.、 Sci. Adv.、 J. Am. Chem. Soc.和Angew. Chem. Int. Ed. 等刊物发表学术论文一百余篇。
王泉明
https://www.x-mol.com/university/faculty/45910
课题组链接
http://wangqmlab.org.cn/index.asp
