“降维策略”构筑二维MOF酸催化剂

作为一类兼具原子经济性和步骤经济性的合成策略，多组分反应（Multicomponent reaction，MCR）在有机药物合成领域占据重要地位。传统均相酸催化剂在多组分反应中寿命较短，从而需要较高的催化剂载量（5-20 mol%）。固体酸催化剂又由于相对较弱的酸性和较低的催化位点密度而未能在多组分反应中发挥应用。近年来，以金属有机框架（MOF）和共价有机框架（COF）材料为代表的多孔晶化材料在固相催化剂的设计合成中取得了卓越的成效。但是因为受制于分子扩散速率的限制，多孔催化材料在有机合成中的应用大多局限于单一的官能团转化反应或简单小分子体系的构筑。

近日，芝加哥大学林文斌教授（点击查看介绍）团队在设计开发了一系列具有超强Lewis酸性的MOF催化剂的基础上，系统性地研究了MOF拓扑结构对于催化多组分反应活性的影响，进而提出了一种“降维”策略：利用二维MOF材料接近100%的底物可及的Lewis酸位点，显著提升了多种多组分反应活性和选择性，并成功构筑了一系列具有生物活性的复杂并环药物分子。作者利用多种表征手段证实了二维MOF酸催化剂Zr₆OTf-BTB的单层结构，接近Sc(OTf)₃的Lewis酸性强度，以及96%的底物可接触酸位点比例（图1）。这一基于材料拓扑性质的催化剂设计策略有望在更加复杂的有机合成领域发挥重要作用。

图1. 针对三种具备不同拓扑结构的Lewis酸MOF催化体系Zr₆OTf-BPDC、Zr₆OTf-BTC和Zr₆OTf-BTB的结构图示

图2. 二维Lewis酸MOF催化剂Zr₆OTf-BTB的合成后修饰构筑过程、结构表征和Lewis酸性强度测定

作者通过合成后修饰策略构筑了三种具备不同拓扑结构的Lewis酸性MOF催化剂Zr₆OTf-BPDC、Zr₆OTf-BTC和Zr₆OTf-BTB，结构表征证实了其中Zr₆OTf-BPDC和Zr₆OTf-BTC具有三维网状结构，Zr₆OTf-BTB则显示出二维单层结构（图2）。在针对Lewis酸催化的多组分Povarov反应中（通过苯胺、苯甲醛和烯烃的环化反应构筑1,2,3,4-四氢喹啉衍生物），二维Zr₆OTf-BTB表现出相较于三维MOF和均相Sc(OTf)₃更为出色的反应活性和催化剂寿命。同时，Zr₆OTf-BTB在针对不用底物的Povarov反应中，在多组分氮杂环丙烷构筑中，以及在复杂并环药物分子的合成中，都表现出优异的反应活性、选择性和底物适应性（表1-2）。

表1. 二维Lewis酸性MOF Zr₆OTf-BTB催化多组分Povarov反应

表2. 二维Lewis酸性MOF Zr₆OTf-BTB催化多组分氮杂环丙烷构筑

作者进一步比较了三种Lewis酸性MOF催化剂对不同大小的底物的Povarov反应活性（图3），以及利用三甲基乙腈作为大体积探针分子定量测定了不同MOF体系中底物可接触的Lewis酸Zr-OTf位点含量。在同三维MOF具有相近的Lewis酸性强度的基础下，二维MOF更为出色的催化反应活性源自于其96%的位点底物可接触率，进而在针对大体积复杂分子的构筑上具备难以取代的优势。

图3. 三种Lewis酸性MOF催化剂针对不同大小的底物的Povarov反应活性比较

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的共同第一作者是芝加哥大学博士研究生冯轩宇和宋洋。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Dimensional Reduction of Lewis Acidic Metal−Organic Frameworks for Multicomponent Reactions

Xuanyu Feng, Yang Song, and Wenbin Lin*

J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c03561

团队（通讯作者）简介

林文斌教授于1994年在美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校化学系获博士学位。1994至1997年在美国西北大学从事博士后研究。1997年至2001年在美国布兰迪斯大学化学系任助理教授。2001年到2013年任职于美国北卡罗来纳大学教堂山分校，并于2011年被聘为Kenan 杰出教授。2013年起担任美国芝加哥大学化学系James Frank教授席位。系中国科学院海外顾问组成员，香港研究资助委员会自然科学部委员(2012-2013年度兼任主席)，美国国立卫生研究院 NANO Study Section 常务会员。2011年入选美国科学促进会会士(AAAS fellow)。

林文斌教授所领导的研究团队是国际上最早进行理性设计合成金属－有机框架材料的团队之一，主要研究领域为功能材料、手性催化、光催化、纳米医学及化学药物设计等。林文斌教授研究组在2005年首次成功开发出有高手性选择性的金属有机框架化合物不对称催化剂，同时在利用金属有机框化合物发展非线性光学材料及人工光合作用方面的研究走在国际前列，所发展的具有二阶非线性光学性质的金属有机材料是是最早进行晶体工程方法控制金属有机化合物的尝试之一。近年来，林文斌教授团队创造性地开发了多种基于金属有机框架纳米粒子的生物可降解性、高药物载量以及分子可调控性的新型纳米抗癌药物并率先报导了局部纳米药物递送用于局部免疫激活与系统性免疫治疗相结合的癌症治疗新思路。为了推动相关产品的临床转化，林文斌教授创立了名为Coordination Pharmaceuticals的生物医药公司，目前已有三种药物开始临床I期研究。

林文斌教授目前已在包括Nat. Chem., Nat. Biomed. Eng., Nat. Catal., J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun., Chem, Angew. Chem. Int. Ed等世界顶级杂志上发表文章400余篇，文章被引用近60000次 (h-index >115) ，同时他还担任多本著名杂志的顾问，比如Chem. Sci., Chem. Mater., ACS Catal, Inorganic Chemistry Frontiers 和Asian J. Org. Chem.等，林文斌教授在科研工作中取得的卓越成就，使其于2009年入选由发表文章影响因子确定的1999-2009年度全球“十大化学家”(“Top ten chemists”，by Thomson Reuters)。

林文斌

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

课题组链接

http://linlab.uchicago.edu/index.html