江海龙&郑晓Angew.：手性微环境调控手性MOFs的不对称催化

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研究内容

手性广泛存在于医药、化工、农业等领域，对生命和科学至关重要。药物研究已经证明，手性反转的对映体具有显著不同的生物活性。非均相不对称催化剂的开发在合成化学中引起了越来越多的兴趣，但主要依赖于均相手性催化剂的固定化。

中国科技大学江海龙和郑晓通过将不同长度的类似手性羟基化分子(催化无活性)锚定在非手性PCN-222(Cu)中的Zr-氧簇上，制备了一系列手性金属有机骨架(MOFs)。所得手性MOFs在环己烯氧化物的不对称开环中表现出高达83%ee的对映选择性。相关工作以“Turning on Asymmetric Catalysis of Achiral Metal-Organic Frameworks by Imparting Chiral Microenvironment”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

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研究要点

要点1.作者以P6/mmm空间群中的中心对称PCN-222(Cu)为代表构建手性催化剂。主要将一系列结构相似但碳链长度不同的(R)-Cn-COOH手性分子，包括(R)-2-羟基-2-苯基乙酸((R)-C1-COOH)、(R)2-羟基-3-苯基丙酸((R)C2-COOH)和(R)-2-羟基-4-苯基丁酸((R)C3-COOH)被接枝到PCN-222(Cu)中Zr-氧簇的不饱和配位位点上。

要点2.合成的手性催化剂在环己烯氧化物的不对称开环中表现出优异的催化性能，其中(R)-C3@PCN-222(Cu)提供了最佳的对映选择性(高达83%ee)，其次是(R)-C1@PCN-222(Cu)(67%ee)和(R)-C2@PCN-222(Cu)(35%ee)。对照实验表明，只有当手性和催化位点被限制在MOFs中并且彼此非常接近时，ee值才能显著提高。

要点3.MOF中暴露的Zr-oxo簇作为路易斯酸位点驱动反应，Zr-oxo簇周围的多级微环境调节对由此产生的对映选择性起着关键作用：1）(R)-Cn-COOH的悬空手性-OH基团通过弱氢键与底物相互作用，起到手性诱导作用；2）苯环在不同长度的柔性碳链上的存在会产生空间位阻，极大地影响手性诱导水平；3）PCN-222(Cu)中的受限中孔作为手性催化的纳米反应器，进一步提高了对映选择性。

该工作通过路易斯酸位点周围的手性微环境调节很好地实现了多相对映选择性催化，是第一份通过催化位点周围的微环境调节在MOFs中实现手性催化的报告。

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研究图文

图1. (R)-Cun@PCN-222(Cu)合成方案的示意图(上)和催化导致氧化环己烯的不对称开环(下)。

图2.（a）原始PCN-222(Cu)的CD光谱和(b) C1@PCN-222(Cu)、（c）C2@PCN-222(Cu)和（d）C3@PCN-222(Cu)的对映体。

图3. PCN-222(Cu)和(R)-Cn@PCN-222(Cu)(n=1,2,3)的（a）DRIFT光谱，（b）1H NMR光谱，（c）77K下的N2吸附等温线以及（d）的粉末XRD。

图4.（a）(R)-C1@PCN-222(Cu)开环反应的B和TS(过渡态)的优化结构。为了清楚起见，省略了氢原子，除了-NH2（C，灰色；H，白色；O，红色；N，蓝色和Zr，蓝绿色）。（b）(R)-C1@PCN-222(Cu)、（c）(R)-C2@PCN-222(Cu)和（d）(R)-C3@PCN-222(Cu)上环氧化物的不对称开环的自由能分布。

图5. (R)-C3@PCN-222(Cu)催化剂的（a）(R，R)-产物和（b）(S，S)-产物的IGMH分析，对应的δginter=0.005 a.u.的符号(λ2)ρ着色的等值面。

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文献详情

Turning on Asymmetric Catalysis of Achiral Metal-Organic Frameworks by Imparting Chiral Microenvironment

Ge Yang, Wenwen Shi, Yunyang Qian, Xiao Zheng,* Zheng Meng, Hai-Long Jiang*

Angew. Chem. Int. Ed.