仿生铈—邻菲罗啉酮配合物催化醇类需氧氧化

醇氧化反应对于基础研究和工业生产都具有重要的意义。模拟自然界的酶催化氧化，利用分子氧为终端氧化剂的反应体系更加符合可持续发展要求。除了传统的过渡金属氧化酶，一些稀土金属也能参与内源性底物氧化。例如最近发现的甲醇脱氢酶（MDH），是以铈（Ce）、铕（Eu）等金属为中心，并含有吡咯喹啉酮（PQQ）辅因子，能活化氧气并催化甲醇氧化，目前一般认为涉及“加成—消除”和“负氢转移”两种可能机理（图1a）。因此，针对这类特殊的稀土金属酶催化机制及其仿生化学研究，近年来引起了较多关注。其中，S. Itoh和S. Fukuzumi、E. J. Schelter、L. J. Daumann和罗三中教授等团队，先后在该仿生化学研究中取得了重大进展（图1b）。然而，该领域仍存在诸多挑战：(1) PQQ分子中拥有多种和多个配位原子，其仿生配体的理性设计和合成较困难；(2) 稀土金属一般半径较大，配位数范围广，配位情况多样化；(3) 已报道的仿生醇氧化中，大多需要当量的碱、化学氧化剂或者助催化剂，开发简单高效的催化体系是一项难题。

图1. 基于镧系金属/PQQ辅因子的甲醇脱氢酶催化及仿生催化氧化

邻菲罗啉二酮（phd）是一类同时含有氮、氧配位点，并具有氧化还原活性的经典配体。近年来，S. S. Stahl教授课题组发现锌、钌等金属可与phd的氮原子配位，并在助催化剂的存在下可实现胺类需氧氧化脱氢。与天然PQQ及其人工衍生物相比，phd不仅价廉易得，而且可认为是一种更加简化的PQQ类似物。已有的研究主要集中于过渡金属和phd的配合物，而稀土金属与phd配位化学研究较少；另外，铈在地壳的含量并不“稀”，反而和一些常见的金属相当，但是基于铈的甲醇脱氢酶仿生模型还没有报道。

图2. 代表性底物范围

最近，曲阜师范大学沈都益课题组以储量丰富的铈为金属前体，以廉价易得的phd为仿生配体，通过紫外等一系列手段对二者的配位模式进行了表征，并揭示了相应Ce-phd配合物催化剂的结构（图1c）。同时，该仿生催化剂展示出高效的催化活性，无需额外助催化剂、碱、脱水剂，便能以空气为终端氧化剂，将一系列的芳香仲醇、芳香伯醇、脂肪仲醇、烯丙醇类底物选择性地氧化为相应的酮和醛（图2）。并且，针对醇和其它易氧化官能团、分子内和分子间不同类型的醇，该催化剂也体现出较好的化学选择性。同时，探针底物、动力学同位素效应、Hammett效应、紫外光谱、高分辨质谱和当量反应实验结果，表明了可能的活性中间体以及“负氢转移”机理（图3）。总之，该工作报道了一种实用的甲醇脱氢酶仿生催化体系，不仅可在温和而简单的条件下实现醇的选择性氧化，而且为进一步探索镧系金属参与生物催化氧化过程提供了更多参考信息。

图3. 提出的反应机理

相关成果发表于近期的ACS Catalysis，曲阜师范大学为第一单位，沈都益博士为第一及通讯作者，韩国梨花女子大学Shunichi Fukuzumi教授和Wonwoo Nam教授为共同通讯作者。感谢兰州化物所孙伟研究员、济南大学王斌教授和武汉大学郭勉研究员提供的建议，以及曲阜师范大学蒋原野博士的初步理论计算。

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Aerobic Alcohol Oxidation with a Cerium–Phenanthrolinedione Complex: A Mimic of Lanthanide-Based Methanol Dehydrogenase

Duyi Shen,* Ting Ren, Haixing Zhang, Mianran Chao, Chaoyue Sun, Peiwei Gong, Shumiao Zhang, Yong-Min Lee, Shunichi Fukuzumi,* and Wonwoo Nam*

ACS Catal., 2024, 14, 2162–2172, DOI: 10.1021/acscatal.3c05428

沈都益博士简介

沈都益，博士，副教授，硕士生导师。2010年本科毕业于湖南师范大学；2015年在中科院兰州化物所获博士学位，导师孙伟研究员；之后在韩国梨花女子大学进行两年博士后研究工作，合作导师Shunichi Fukuzumi和Wonwoo Nam教授。2017年底入职曲阜师范大学，研究兴趣主要为仿生金属催化氧化和天然色素光催化，近三年以第一和通讯作者发表若干代表性论文（J. Org. Chem. 2021, 86, 13371-13380; Appl. Organometal. Chem. 2022, 36, e6809; Org. Chem. Front. 2023, 10, 2653-2662; J. Org. Chem. 2023, 88, 15270-15281; ACS Catal. 2024, 14, 2162–2172; J. Org. Chem. 2024, DOI: 10.1021/acs.joc.3c02762；有机化学, 2024, DOI: 10.6023/cjoc202308024（综述）等），主持或完成国家自然科学基金青年基金、山东省自然科学基金博士基金、山东省高校优秀青年创新团队等项目。