马胜前课题组JACS：非金属固相多孔材料催化不对称加氢反应

本文转自x-mol
由于人体的基本组成中含有种类丰富的左旋手性物质，且不同构型的外源性手性分子与人体生命活动相关的手性物质作用往往产生截然不同的效果，因此研究单一构型手性分子的制备和功效具有重要意义。现有统计结果显示，市场上50%左右的药物都具有手性。目前，获得单一构型手性分子的主要途径是通过不对称催化。不对称加氢反应的发现和应用在本世纪初被授予诺贝尔化学奖，因为该反应是获得高附加值手性分子最快捷的方式之一，同时也依然是最具有挑战性的研究方向之一。在众多不饱和反应底物中，烯烃的应用最为广泛，因为它自然含量丰富，易制备。近年来，烯烃的不对称催化加氢反应研究获得了快速发展，尤其是在均相反应中取得了巨大进展。一方面，活性金属中心从最初常用的贵金属更新为现在研究体系中成本较低的过渡金属；另一方面手性配体从最初使用的手性磷化物到现在发展的高效手性螺环化合物。这些成果的取得，大大改善了烯烃不对称加氢反应的效率、产量、选择性和底物的适用性。即便如此，多项问题依然亟待解决，比如改善金属和有机配体复合物在不同反应底物/溶剂条件下的低兼容性，过渡金属体系需要使用高危高活性有机锂试剂，手性配体的合成难度高等等。为此研究者们提出以下解决策略：（1）发展非金属催化剂体系降低已有体系的成本、毒性和反应环境敏感性；（2）发展可循环使用催化剂来避免手性配体的连续消耗和重复合成。尽管人们从各个策略出发都取得了不错的进展，发展非金属可重复使用的手性催化剂作为综合最优方案仍然未有突破。

图1. 创新性结合COF和CFLP制备一种非金属固相催化剂CFLPF。
在化工生产中，人们更希望应用固相催化剂，因为它们具有可重复使用和催化剂-产物分离简单的优点，可以大大降低整个过程的成本，提高生产效率。北德克萨斯大学马胜前教授课题组为以实际应用需求为导向，立足科学前沿，致力于发展高效固相多孔催化剂以期提供综合解决方案。在此背景下，该课题组提出将共价有机框架化合物（COF）和手性受阻路易斯酸碱对（CFLP）相结合的材料设计方案（图1）。如果按照这种方案合成的催化剂能表现出很好的效果，就为解决前述中进一步发展烯烃的不对称加氢反应遇到的难题提供了新方法。除此之外，既能扩展有机多孔材料的反应性，尤其是首次赋予其在没有金属参与下的加氢反应能力，又能改善受阻路易斯酸碱对分子在均相体系很难重复使用的不足。

图2. 制备CFLPFs催化剂的步骤。
作者设计并合成具有较大孔径（大约3 nm）且含有羧基的共价有机框架化合物COF-TAPB-3P-COOH，通过酰胺反应或者酯化反应引入功能手性路易斯碱 R1*NH2和R2*OH，随后再与大位阻路易斯酸B(C6F5)3结合，实现了不同手性受阻路易斯酸碱对框架（CFLPF）的制备（图2）。催化反应研究表明，CFLPF1表现出很好的反应效果和底物扩展性（图3），而相同条件下CFLPF2只对作为氢键主体的底物表现出中等的立体选择性。这样的反应效果差异说明了氢键作用在催化剂的手性传递中具有关键作用，通过红外光谱和对照试验也证实了CFLPF1与底物1a间氢键的存在。CFLPF1表现出相比于分子对应物更好的催化效果，这得益于COF中无数的纳米反应器的共同作用，每个纳米反应器中通过化学键把活性CFLP规则地锚定于COF孔道。原位红外证实了CFLPF1对氢气的活化，X射线光电子能谱佐证了氢气活化方式为异裂。此外，通过红外光谱追踪整个液相反应过程表明，氢气被CFLP活化后可以转移到底物完成氢化。动力学同位素效应实验结果显示反应各自在H2和D2氛围下进行时速率比为1.2，表明了催化剂对H2/D2的有效活化，且气体扩散到活性位点是决速步骤。理论计算得到的结果很好地支持了实验结论（图4）。CFLPF1对于底物1a的加氢在能量上合理，通过CFLP活化H2，异裂后的H2其中氢负离子转移至β烯烃位置，质子转移到C=C双键另一位置；限域空间内催化剂和底物之间的有效氢键作用很好地促进了手性从催化剂转移到产物，因为氢键作用可以有助于在能量上区别开不同路径产生的产物中间体，提高立体选择性。

图3. 催化反应效果。

图4. CFLPF1催化烯烃底物1a加氢反应的吉布斯自由能。
该项工作设计、合成了一类非金属固相多孔材料，实现了高效催化不对称加氢反应。通过将多孔材料和受阻路易斯酸碱对相结合的策略，为设计用于不对称反应和其他重要反应的实用性催化剂提供了新思路。