有机金属框架结构手性催化研究进展

手性，自从被人类发现以来一直饱受关注。简单来讲，手性物质的对映异构体就像人类的左右手，互为镜像，却永远无法重合。虽然结构非常相似，互为对映异构体的物质往往表现出截然不同的性质，例如：S-天冬酰胺的味道是甜的，而R-天冬酰胺味道是苦的；(-)-尼古丁毒性比(+)-尼古丁毒性大得多。尤其是在制药行业中，科研工作者需要研究对映异构体对人体生理的影响，找到真正起作用的对映异构体。除了直接从自然界获得，目前人们主要化学方法获得手性物质。传统的手性分离通过重结晶、手性色谱柱、动力学拆分等方法拆分外消旋的天然产物或合成产物，从而得到想要的对映异构体。相比之下，手性催化方法的效率要高的多，手性催化剂可以催化底物反应得到手性产物分子，在催化以及工业生产中占据着举足轻重的地位。

金属有机框架（metal-organic framework，MOF）作为一种多孔、结构可调的材料，可作为良好的非均相催化剂。近10年，手性催化的发展非常快速。把手性催化和MOF结合起来，利用MOF孔道的可调控性，实现高活性和高选择性一直是化学家追求的目标。在这一领域，上海交通大学的崔勇（点击查看介绍）课题组以及美国芝加哥大学的林文斌（点击查看介绍）课题组的工作相当出色。下面，笔者主要介绍一下他们近几年的研究进展。

2010年，林文斌课题组在Nat. Chem.上发表了一系列长方体状MOF结构，作为可调控的手性催化平台（Nat. Chem., 2010, 2, 838）。这类MOF使用具有功能性的Binol（联萘二酚）手性配体与金属铜配位，得到的MOF具有长方形孔道。孔道里Binol还能继续金属配位，通过加入Ti(OⁱPr)₄ 进行合成后修饰，产生了手性催化位点，从而实现了二乙基锌对芳香醛的不对称催化加成反应，达到了很高的转化率，具有较高的ee值。作者的设计思路如图1a所示，通过在配体上引入Binol功能基团，在合成MOF后，利用功能基团对金属配合物的配位作用引入手性金属中心，从而实现催化的目的。图1b所示为作者合成的四种配体中最大的一个，利用这个配体合成的MOF结构可以拥有2.4和3.2纳米的孔径。正是由于拥有较大孔径，并且活性位点也正位于孔道中，能够有效催化底物（二乙基锌）的转化，并且达到91%的ee值（图1c）。

图1. a）通过后修饰MOF负载手性金属位点； b）手性Binol配体及其形成的MOF结构； c）MOF孔道内负载手性金属活性中心及手性催化过程。图片来源：Nat. Chem.

同年，该组又在Angew. Chem. Int. Ed. 上报道了同样使用Binol手性配体与金属锌配位得到的具有互穿结构的手性MOF（Angew. Chem. Int. Ed., 2010, 49, 8244）。互穿结构在MOF中很常见，一般是在使用柔性配体比较长的配体时容易得到。这种MOF的结构属于典型的unc 拓扑（单节四连接3D网状），具有一定的孔道。由于这些孔道中的Binol可以继续和金属配位，通过加入Ti(OⁱPr)₄ 进行合成后修饰，产生了手性催化位点，从而高效率的不对称催化反应（图2）。

图2. a）手性Binol配体； b）MOF拓扑结构；c, d）MOF不同方向晶体结构图。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

该组继续拓展这一策略。2014年，他们继续使用Binol手性配体，并对其结构进行了优化，在得到一种新的MOF后，使用后修饰法使其负载上了钌和铑催化剂（J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 5213）。这种催化剂可以催化多种不对称有机转化，活性远超作为对照的均相催化剂，还可取得最高99%的产率和最高>99%的ee值（图3）。

图3. 手性MOF负载贵金属Ru和Rh及其手性催化。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

后修饰也会带来一定问题，比如：如果金属配合物过大就很难负载上；而且，后修饰的金属中心也有可能解离下来。所以在2011年，林文斌课题组又在Angew. Chem. Int. Ed. 上报道了基于手性Salen配体的MOF，这种MOF自身具有手性活性位点（Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 8674）。通过手性钌Salen配体与锌盐的反应，他们得到了互穿和非互穿的两种手性MOF结构，CMOF 1 和CMOF 2。不过，三价钌活性不高，作者又将这两种CMOF与还原剂LiBEt₃H反应，成功得到了含二价钌的CMOF 1R和CMOF 2R，晶体呈红色。其中，非互穿的CMOF 2R具有1.4纳米的大孔道，利用大孔道和自身的手性金属位点，作者成功的进行了烯烃环氧烷不对称加成催化反应，反应活性高，ee值高达91%。而CMOF 1R由于互穿结构导致孔道过小，产率和ee值也都不高。

图4. a）配体晶体结构； b）CMOF晶体合成和还原路线； c, d）CMOF晶体结构图。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

2014年开始，崔勇课题组在手性MOF设计和合成上提出了一些新的方案。他们在Angew. Chem. Int. Ed. 上报道了基于席夫碱Biphenol（联苯二酚）配体分步合成手性MOF的工作（Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 13821）。不同于Binol配体，Biphenol配体上引入了一对氮氧口袋（NO pocket），用于与更多的金属配位。他们发现Biphenol配体跟锌金属盐反应会首先生成一个七核螺旋体配合物（图5）。由于氮氧口袋的存在，这个螺旋体配合物的中心部分一共有七个锌金属簇合物。螺旋体将可以配位的羧酸基团全部朝向外部，从而获得进一步配位可能性。

图5. 席夫碱Biphenol配体合成七核螺旋体。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

果然，将这个螺旋体配合物在吡啶中继续与金属盐反应可以生成两种手性MOF。其中一种MOF是一个六方晶体，中心具有较大的孔道（图6）。由于该晶体有多余未配位的羧酸基团，可以后修饰上手性吡咯烷（S-AP）。这样，负载了手性基团的MOF，可在羟醛缩合（Aldol reaction）催化反应中实现高达80%的ee值。

图6. 由七核螺旋体进一步反应得到的MOF结构，具有较大空腔。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

2017年崔勇课题组在Nat. Commun.上发表了拥有16个金属簇的手性磷酸盐MOF用来调控路易斯酸性、催化活性和对映选择性（Nat. Commun., 2017, 8, 2171）。图7a展示了他们设计的手性Biphenol配体，左侧是两个羧酸基团用于配位（蓝色区域），右侧是两个叔丁基集团作为立体、电子控制基团（紫色区域），右侧中心的部分是手性磷酸中心（蓝色区域）。通过羧酸和磷酸的配位作用，这些配体可以和各种过渡金属（绿色球状）形成16个金属簇的MOF结构。图7b展示了其中一个代表结构，图7c展示的是MOF孔道中的次级组成单元（SBU）。这些MOF结构具有很好的热稳定性，在沸水、弱酸和碱中也具有良好的稳定性。

图7. 手性MOF的晶体结构。a）配体设计（绿色：金属；黄色：磷；红色：氧；蓝色：碳）； b）从c轴观看晶体结构（用多面体表示金属离子）； c）孔道中的次级组成单元。图片来源：Nat. Commun.

接着，作者使用这些MOF结构，做了一系列不对称催化，包括烯丙基硼化、炔丙基化、傅-克烷基化、硫醚化。取得最高99%的ee值。

表1. MOF催化的不对称硫醚化反应图片来源：Nat. Commun.

——总结——

林文斌课题组和崔勇课题组分别合成了一系列手性MOF结构，并成功进行了手性催化的研究。这些手性MOF结构分为互穿型、无孔型和有孔型。有孔型MOF因为其良好的孔径可作为物质传输通道，具有实现高效催化的潜力。另一方面，在催化位点引入方面，从早期的后修饰，逐渐过渡到了自身包含催化位点，简化了制备步骤，增大了催化剂稳定性。这些手性MOF结构，在一系列不对称催化反应中表现亮眼，大部分都取得了良好的产率和ee值。今后，希望有更多的研究者加入手性MOF的开发以及非均相不对称催化的研究中来。

导师介绍

崔勇

http://www.x-mol.com/university/faculty/12609

林文斌

http://www.x-mol.com/university/faculty/1445

另：想要了解MOF非对称催化的读者，推荐阅读这篇综述：

Minyoung Yoon, Renganathan Srirambalaji, and Kimoon Kim, Chem. Rev., 2012, 112, 1196–1231

（本文由叶舞知秋供稿）