苏州大学郎建平JACS：设计和合成簇基超分子反应泵用于高效催化胺化反应

天然生物反应器是在生物体内或自然环境中针对特定刺激形成的，亦是酶促反应、运输调解和微环境调节的高效平台（图1a）。这些自然体系为了解结构和化学因素如何影响生物过程提供了珍贵的视角。为了模仿这些天然生物反应器的结构和功能，研究人员设计了不少人工反应器（AR），以便加深对化学反应行为和结构特异性的理解。在过去几十年中，人们利用一系列组装策略开发出了各种离散型的超分子反应器（SR）。这些反应器的几何结构和形状各异，包括柏拉图多面体、灯笼形结构和分子胶囊等，每种反应器都是为在限域环境中实施特定功能而量身定制的。超分子反应器的一个重要应用是将其用作催化平台，许多SR被设计成分子烧瓶或催化反应器，其中的内部纳米空腔和限域效应在提高催化反应效果方面发挥着至关重要的作用（图1b），已在有机催化、对映体选择性反应、稳定反应中间产物和天线触发光催化等方面取得了显著进展，显示了SR在解决开放体系中具有挑战性的复杂化学过程的潜力。

然而，许多SR中的单金属中心通常是配位饱和的，从而限制了其反应活性和有效活化的底物种类，也限制了它们的催化能力。在典型的SR中，催化过程通常发生在接近空腔中心的位置，而金属中心通常位于笼状结构的表面或表面附近，因此底物较难接近。此外，很少有实例表明SR框架上的多金属活性中心可直接与位于其空腔内的底物发生反应，从而大幅提高催化性能。这些多金属活性中心在提高催化活性方面可能是大有可为的。然而，设计这种具有优化了的多金属中心并能与底物相互作用的SR结构极其挑战性。

图1. 天然生物反应器和人工SR的组装方法。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

苏州大学郎建平教授（点击查看介绍）团队一直致力于簇基超分子组装化学及其性质的研究，聚焦于簇基超分子立方体及多面体的组装（J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 12682–12683; J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 9982–9987）；簇基多孔MOF的组装及其晶态化学反应（Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 4741–4745）、共价-配位共驱动的簇基八面体和四面体的组装（J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 13356–13361; Research, 2022, 9819343）和三维簇基索烃及其客体的特异性识别（J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 25103–25108）等。近日，该团队采用自下而上的组装策略，成功构建了一种新型超分子反应器---簇基超分子反应泵（CSRP），并提出了簇活性中心（CAC）概念。通过多个CACs与动态连接体BPNDI旋转相联动，CSRP-1在芳基胺化反应中表现出卓越的催化性能。这种设计有效克服了单金属SR的局限性，提高了底物活化和产物释放的效率。这项工作代表了超分子反应器设计的重大进步，并为它们在各种催化过程中的应用开辟了新的方向。相关论文发表于J. Am. Chem. Soc.，第一作者为邓云虎，通讯作者为郎建平教授。

图2. CSRP-1的合成方法和表征。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

作者采用自下而上逐级组装的方法合成了CSRP-1（图2a）。单晶X射线衍射实验显示，CSRP-1呈现出超四面体结构，其中四个[Tp*WS₃Cu₃]²⁺团簇单元位于该四面体的顶点，BPNDI连接体位于四面体的六条边，连接四个簇单元，这种排列产生了一个体积约为589 Å³的疏水空腔。CSRP-1结构很像一个动力泵，其中BPNDI连接体中的吡啶基和NDI和吡啶基就像动力泵叶片一样在溶液中旋转，对促进CSRP-1结构中的底物吸收和产物释放至关重要。

作者发现在该CSRP-1四面体结构内部中，与簇单元中三个Cu(I)配位DMF分子的C=O键长（1.236(7)-1.264(9) Å）与游离DMF的C=O键长（1.225 Å）相比略有伸长，表明这三个Cu(I)可以与有机底物发生协同作用，从而结合并激活底物。核磁氢谱和高分辨质谱实验证实了超分子四面体的成功形成和在溶液中的稳定性（图2b-d）。基于此，作者研究了CSRP-1用于催化碘苯（1a）和苄胺（1b）之间的胺化反应。DFT计算表明1a和1b可以从CAC位点置换DMF。

催化条件筛选实验表明，CSRP-1在乙醇中以96%收率形成催化产物1c。作者评估了CSRP-1在涉及各种芳基卤化物和胺反应中的催化效率。结果发现2c-6c、8c、9c和12c的产率超过85%（图3a）。立体受阻芳基碘化物底物（如7a、10a和11a）的低产率与底物进入笼子的难度增加是一致的。选择10a作为代表性底物计算分析，结果发现10a中的芴基和两个甲基导致笼的显著空间体积和静电抑制。16种胺底物中有15种获得了优异的收率（>84%），但底物S-2-甲基哌啶（15b）除外，其收率明显较低（图3b）。类似地，胺底物的体积似乎对反应性的影响很小，15b除外。通过DFT计算结果显示，在15b中与NH基团相邻的甲基的引入不利于CAC对其活化。

图3. CRSP-1在胺化反应中的催化性能。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

随后，作者通过核磁滴定实验和UV-Vis光谱获得了CSRP-1与底物的弱相互作用的实验证据（图4a）。EPR光谱上出现g = 2.0022的特征峰，表明CSRP-1的催化过程涉及单电子转移机制。XPS分析证实在整个催化过程中，CAC中的Cu(I)、W(VI)和S^2-的价态保持不变（图4b），也说明了CSRP-1再催化过程中良好的化学稳定性。

理论计算也进一步表明CSRP-1中的CAC拉长了DMF中的C=O键和1a中的C-I键（图4c）。CSRP-1的计算能隙（4.37 eV）小于前体A2的能隙（4.92 eV）。A2中前线分子轨道分布在吡唑环和W、Cu和S原子上，表明分子内电子转移。相比之下，CSRP-1的HOMO和HOMO-1位于吡唑环上，而LUMO和LUMO+1位于NDI基团。四个簇单元和六个BPNDI连接体的轨道分布表明了一条有利的电子传输途径（图4d）。

图4. CSRP-1催化表征、反应位点和动态旋转。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

此外，作者还通过结构模拟和波函数分析进一步阐明结合过程和催化机制。这些计算考察了CAC结合1a和1b中连接体的两个平面间的二面角变化（图4e）。布朗运动促进1a向CSRP-1外的窗口区域移动，随后在CAC内固定（图5a）。同样，1b移动到窗口区域，然后以-15.5 kcal/mol的能量转运到CAC中。IGMH分析表明，稳定驱动力主要是Cu···I、氢键以及弱C-H···π和π···π相互作用。DFT计算表明TS1是反应的决速步骤（图5c）。CAC通过C-H···π和π···π与底物相互作用，稳定了过渡态（图5d）。自旋密度和原子电荷计算共同揭示了金属原子价态变化和协同效应。通过结构模拟结果，产物1c在CAC形成是能量上不利的构象（图5b），这导致了向CSRP-1结构外部窗口的有利过渡。1c从笼内到溶液的运输也是能量有利的。与CAC分离后，1c可以自由地采用低能构象。静电势计算表明，CSRP-1结构外部窗口的表面电荷分布可以促进底物在四面体组装体内外的移动。

图5. 理论计算的机制见解。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

总结与展望

作者利用配位介导的超分子自组装，成功设计并合成了一种新型簇基超分子反应泵CSRP-1，该反应泵具有较大的空腔和多个簇反应中心CACs。通过优化反应条件，作者采用该反应泵实现了芳基胺化反应的高效催化。该反应泵表现出对底物基团的空间和电子效应具有显著的耐受性，展示了其作为催化平台的用途广泛。理论计算强调了CSRP-1的一个关键结构特征：BPNDI连接体犹如动力泵叶片的动态旋转，有助于底物和产物在笼内和笼外的有效运输。CAC和限域空腔的协同作用使CSRP-1克服了单金属SR中的局限性。这项研究为人工反应器的设计原理注入了新的思想，也为推动组装其它多金属中心CACs的复杂超分子反应器用于合成化学和工业催化过程做出了贡献。

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）：

Design and Synthesis of a Cluster-Based Supramolecular Reaction Pump for the Efficient Catalysis of Amination Reactions

Yun-Hu Deng, Brendan F. Abrahams and Jian-Ping Lang*

J. Am. Chem. Soc. 2025, DOI: 10.1021/jacs.5c04980

郎建平教授简介

郎建平，苏州大学材料与化学化工学部讲席教授。1993年南京大学配位化学研究所获博士学位，1995-2001年日本名古屋大学化学系JSPS博士后、美国哈佛大学化学与化学生物系博士后。2001.3苏州大学任研究员，博士生导师。历任化学化工学院副院长、院长，材料与化学化工学部执行主任、主任，研究生院常务副院长、院长，校学位评定委员会副主席兼秘书处秘书长(2018.1-至今)。现为中国化学会无机化学学科委员会委员(2009.12-至今)、中国化学会分子筛专业委员会委员(2018.9-至今)、江苏省化学化工学会第10-13届理事会理事(2009年-至今)、中国化学会会士(2024年-至今)、英国皇家化学会会士(2014年-至今)、RSC中国高级专家委员会委员(2022年-至今)。2001年以来，在国内外核心化学期刊如Chem. Soc. Rev., JACS, Angew. Chem., Nat. Commun., Adv. Mater.等发表正式论文500多篇，发表SCI检索论文被他引15000多次，获中国和国际发明专利授权45项。他是国家杰出青年科学基金项目获得者 (2005年)、新世纪百千万人才工程国家级人选(2007年)、教育部全国优秀教师(2004年)、国务院政府特殊津贴(2005年)、教育部长江学者奖励计划特聘教授(2011年)；获全国五一劳动奖章(2011年)，教育部高等学校科学研究优秀成果奖(自然科学)(2011年)、江苏省科学技术进步奖(2010年)、中国石油和化学工业协会科学技术进步奖 (2009年)。目前，他为英国皇家化学会期刊Dalton Transactions国际顾问编委(2010年-至今)、Springer Nature 出版社Scientific Reports国际编委(2015年-至今)、《无机化学学报》编辑委员会委员(2019年-至今)，《结构化学》编辑委员会委员(2020年-至今)等。

https://www.x-mol.com/university/faculty/12841