论文DOI：10.1021/jacs.2c02692 苏成勇课题组在前期工作的基础上，为了进一步提高有机金属超分子笼的化学稳定性，提出顶点导向的有机分子夹螯合组装策略，构筑了一种罕见的共价顶点多孔超分子笼MOC-63，并利用其多活性中心的空间限域与功能协同实现了绿色、温和条件下四氢喹啉类化合物多步自由基脱氢反应的强化。
作为模拟酶催化的人工合成模型之一，有机金属超分子笼不仅可以提供识别底物的仿生微环境，而且可以将活性中心引入笼纳米空间，实现限域空间的功能协同效应。然而在通常的配位分子笼催化研究中，人们重点关注仿酶微环境的作用，而作为天然酶结构中的关键活性部分—金属中心，其催化作用往往被忽视或者难以得到发挥，原因在于有机金属超分子笼的人工合需要金属中心作为连接单元，因此金属中心往往配位饱和，难以发挥催化作用，通常需要额外引入催化单元。所以如何创造超分子笼金属中心的活性并加以高效利用，就成为仿生超分子催化中的一个挑战性的课题。作者团队前期围绕仿酶超分子笼的限域效应与多中心协同作用开展了一系列多功能笼限域催化研究，包括活性有机金属超分子笼构筑：Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40, 1725; Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 3371; J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 8595; Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 6156; J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 4456; J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 18183；仿酶超分子催化：Nat. Sci. Rev., 2021, nwab155, Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202114070; ACS Catal. 2013, 3, 1; 不对称光催化：Angew.Chem. Int. Ed. 2020, 59, 8661; Nat. Commun., 2020, 11:4675; Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 3852; 超分子光化学产氢：Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 2639; Nat. Commun. 2016, 7, 13169; J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 13057等。（1）设计合成了一种有机分子夹顶点导向螯合组装的酸碱稳定型多孔超分子笼MOC-63；（2）多重咪唑质子供受体中心质子平衡赋予超分子笼酸碱调控大范围价态变化与溶解性转变，据此实现酸碱自适应氧化还原活性、催化速率、催化循环与相转移回收的控制；（3）利用Fe-N键的动力学活性，结合笼稳定化效应，实现了Fe-活性中心局部动态交换与笼框架整体稳定性的兼顾；（4）利用仿酶超分子笼效应实现多孔笼溶液中纳米限域空间的多活性中心富集、协同、限域作用，强化底物多步自由基反应的高效转化。▲图1. 顶点导向的金属-有机超分子笼MOC-63的合成及单晶结构
作者将早期工作中Fe-Pd异金属超分子笼中稳定性较差的Pd顶点替换为共价有机单元，通过双齿螯合的共价有机分子夹与氧化还原活性的Fe中心组装得到Fe4L6超分子笼，类似著名的Fujita八面体超分子笼，不仅具有开放的窗口供客体分子识别与交换，而且大大提升了超分子笼的化学稳定性，可耐受更强的酸碱环境。作者首先发现MOC-63在纯的DMSO-d6中的核磁信号发生明显宽化，而在高分辨质谱会出现脱除质子的信号，这表明笼上咪唑的可交换质子在溶液中会发生一定程度的解离。因而作者推测可能是易于解离的质子导致笼在溶液中产生多种构象，从而导致谱图宽化（图2）。在调节溶液酸碱性控制笼的质子化状态后，核磁信号发生了明显的改善。在酸碱溶液中的高分辨质谱也证实了这一质子化状态转变的过程，MOC-63笼上12个咪唑单元的质子供受体的特性，赋予了笼整体酸碱价态调控的能力，实现了从脱除全部可交换质子的整体-4价到超过+8价的电荷状态的转变，从而调节其限域空腔的电荷环境和笼的溶解性，并实现了酸碱调控的超分子笼相转移催化剂循环回收与再利用（图3）。限域空腔中的多个活性Fe催化中心使得笼对于四氢喹啉类化合物的多步自由基脱氢反应相较于普通Fe配合物催化剂表现出更加优异的性能（图3）。作者发现对于MOC-63催化体系而言，反应能在较低的反应中间体含量条件下表现出更高的反应活性，说明反应中间体在笼中的转化速率更快。一方面多中心的协同效应为反应提供了高密度富集的局部氧化还原活性中心，另一方面具有客体识别作用的限域空间为底物的多步碰撞反应提供了便利，在短时间内即可实现高效的多步转化。此外，超分子笼的稳定性为其酸碱调控催化反应速率创造了有利条件，通过调节开放多孔笼溶液的酸碱性实现了反应速率的控制和加速，并可进行酸碱调节的笼催化循环与回收。类比于传统的“溶剂笼效应”，超分子笼作为稳定的纳米限域反应器，不仅为反应提供了稳定持续的反应场所，同时也通过增浓、协同、限域作用改变催化过程的分子扩散、碰撞行为，从而有效提升底物在限域空间的多步转化和产物生成速率（图4）。良好的溶解性和催化效率也使得该笼限域催化可以在绿色、温和条件下高效进行。该工作展示了如何利用饱和配位的活性金属中心创造兼具稳定性与催化活性的有机金属超分子笼的方法，并利用其实现了笼限域空间中的仿酶催化，为推进超分子有机金属超分子笼的功能化与应用研究提供了新的思路。https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c02692
