近日，《国家科学评论》（Nat. Sci. Rev.）和《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.）相继报道了中山大学苏成勇教授课题组在超分子笼限域催化方向的最新研究进展。该课题组基于前期设计合成的水溶性Ru(II)—Pd(II)双金属八面体超分子笼MOC-16（J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 4456），提出以开放多孔笼溶液为液态异相性超分子催化平台，利用仿酶超分子笼效应实现多功能笼限域催化的思想。

MOC-16超分子笼具有高正电荷、多孔窗口、质子电离特性，适于在均相体系中营造笼内外环境、性质（笼内空间和笼外溶液）完全不同的异相性，如笼内外酸碱两性环境、笼内外界面传输、主-客体作用相转移等，进而形成具有多相性、多功能性的溶液微纳空间作为分子反应器，构建融合均相、异相、相转移和酶催化特点的多模式催化平台。而仿酶超分子笼效应是控制反常性笼限域催化的关键因素，克服了经典溶液理论中“溶剂笼”效应的瞬态不稳定性，决定了选择性分子传输（底物识别与产物释放）、难溶性分子相转移（底物、产物与助催化剂）、溶液局域环境酸碱两性化、过渡态稳定化、质子电离平衡驱动、底物富集与定向、反应加速与循环等协同、偶合作用。

图来源：National Science Review

在Nat. Sci. Rev.文章中，作者提出以开放孔笼溶液作为酸碱两性催化体系，将单独的笼限域空间与液体的流动性相结合，有利于底物/产物优先于溶剂分子选择性进出笼限域空间，最大化利用多孔材料的限域空间与仿酶效应，为提高仿酶超分子催化的单分子利用效率提供了一种理想的模型。他们发现该水溶性MOC-16纳米笼表面分布的极高正电荷(+28价)可以诱导笼壁骨架上的24个咪唑基团发生质子电离，驱动电离平衡和pK_a移动，进而在水溶液中创造大量的正电性笼限域纳米空间，形成内碱外酸的两性局域溶液环境。他们首先利用炔烃的氘代反应，在酸性溶液（pH = 2.5）中实现温和条件的快速H/D交换，证明MOC-16纳米笼在酸性溶液中形成了碱性笼限域空间；进而应用于碱催化Knoevenagel缩合，发现该反应可以在酸性笼溶液中顺利进行。MOC-16酸碱两性催化体系为解决自相矛盾的酸碱串联反应提供了理想的对立统一化解决方案，使得相反条件下的缩醛衍生物的酸催化水解和碱催化Knoevenagel缩合可以一锅反应高效进行，同样可以与Henry反应进行非常规串联。应用于更复杂的三元A3-偶合反应，发现可以很容易地通过咪唑N配位将水难溶和不稳定CuOTf助催化剂负载并富集于分子笼窗口，无需外加碱催化剂即可在酸性溶液实现绿色高效A3-偶联反应，并通过底物和产物相转移实现自动催化循环和反应加速（70倍，TON > 700）。他们还制备了动力学惰性更强的Ru(II)—Pt(II)超分子笼，发现可以在更苛刻的酸性条件下进行上述反应。

图来源：Angew. Chem. Int. Ed.

在Angew. Chem. Int. Ed.文章中，作者重点关注正电性超分子笼的静电效应在催化过程的作用，提出高正电超分子笼的多孔笼溶液均相体系中所形成动态纳米限域空间可以提供独特的仿酶超分子笼效应，作为多用途和多模式超分子催化平台，有助于实现反常反应性的催化转化，产生超越天然酶本身的多功能性。他们系统研究了该多孔笼溶液体系中的末端炔C(sp)-H活化及其导致的H/D交换反应与Glaser氧化偶联反应。发现传统碱催化的末端炔氢氘代反应在MOC-16多孔笼溶液体系中，可以在酸性环境（pH = 2.5）中实现温和条件下的快速H/D交换，得益于MOC-16限域空腔的识别与保护作用，免受外部酸性溶液环境的影响，同时正电性的空腔可以活化和稳定炔碳负离子中间体，加速氘代过程。这一特殊条件适用于各种取代炔，更有利于一些对碱和水敏感的炔化合物氘代，具有独特优势。他们进而在超分子笼窗口负载Cu(I)催化位点，实现了末端炔Glaser氧化偶联反应。低催化剂浓度实验表明，MOC-16多孔笼溶液可以突破化学计量比反应限制，实现催化量的循环反应，5轮反应转化数TON可达185，产生明显加速效应（254倍），显示出MOC-16优异的仿酶催化特征。

论文信息：

Kang Li^#, Kai Wu^#, Cheng-Yong Su* et al., Acidic open-cage solution containing basic cage-confined nanospaces for multipurpose catalysis, Nat. Sci. Rev., 2021, DOI: 10.1093/nsr/nwab155.

Kang Li^#, Kai Wu^#, Cheng-Yong Su* et al., Creating Dynamic Nanospaces in Solution by Cationic Cages as Multirole Catalytic Platform for Unconventional C(sp)-H Activation Beyond Enzyme Mimics, Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202114070.

（摘自中山大学化学学院）