【JACS】上海交大崔勇、刘燕|以 **99% 对映选择性实现拓扑编码的不对称串联催化#

文章标题：Topology-Encoded Asymmetric Tandem Catalysis in BINAP-Based Metal–Organic Frameworks
通讯作者：Yan Liu, Yong Cui
文章链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c02275

文章概要#

引言#

不对称催化是现代有机合成的核心方法，其中 BINAP 等手性配体在均相体系中已成功实现多步串联反应。然而，将这一策略转化到异相体系仍面临挑战：反应步骤需在兼容条件下连续进行，同时保持明确的手性环境。金属有机框架（MOFs）因其可设计的拓扑结构和稳定性，被认为是理想的异相催化平台，但如何通过框架拓扑直接编码配体构象和催化功能仍是未解难题。本文通过构建基于 BINAP 衍生四齿配体的手性 MOFs，探索了拓扑结构对配体构象、手性限域及金属配位的调控作用，从而实现了可预测的不对称串联催化。

Figure 1. (a) Structure of Tb9 clusters (Tb, light blue; C, gray; O, red). (b) Molecular structure of the BINAP backbone. (c) Structure of Zr6 clusters (Zr, aqua). (d) 3D structure of CMOF-1 viewed along the c-axis; dashed boxes highlight enlarged views of the BINAP-derived linker (P, orange). (e) Corresponding shp network topology. (f) The representative cage of CMOF-1. (g) 3D structure of CMOF-2 viewed along the _c-_axis; dashed boxes highlight enlarged views of the BINAP-derived linker (P, orange). (h) Corresponding csq network topology. (i) The representative cage of CMOF-2.#

主要实验及结论#

研究团队设计了一个四羧酸修饰的 BINAP 衍生配体（H4L），并通过不同金属节点组装得到两种手性 MOFs：**CMOF-1（Tb 基，shp 拓扑）**与 CMOF-2（Zr 基，csq 拓扑）。

结构特征：CMOF-1 形成规则的六角棱柱型笼状结构，BINAP 二面角增大至 100°，利于手性诱导；而 CMOF-2 的笼体收缩，二面角减小至 78°，手性限域减弱。

Figure 2. (a) PXRD patterns of CMOF-1 and its modified samples. (b) N2 adsorption–desorption isotherms of CMOF-1 and its modified samples. (c) PXRD patterns of CMOF-2 and its modified samples. (d) N2 adsorption–desorption isotherms of CMOF-2 and its modified samples.#

Figure 3. (a) Single-crystal Structures of CMOF-1 after postsynthetic metalation. (Tb, light blue; P, orange; C, gray; O, red; Pd, blue; Cl, sky blue; and Rh, sea green). (b, e) Pd and Rh K-edge EXAFS spectra of metalated CMOF-1. (c, f) XPS spectra (Pd 3d and Rh 3d) for the Pd/Rh of CMOF-1. (d, g) SEM images and corresponding EDS elemental mappings of single crystals of 1-Pd and 1-Rh.#

稳定性与孔隙性：两种 MOFs 在高温（430 °C）、强酸碱环境下均表现出优异的稳定性和永久孔隙性。
后合成金属化：通过后修饰方法引入 Pd 与 Rh，获得结构明确的配位环境。单晶 X 射线衍射与 EXAFS 分析证实了金属中心与 BINAP 配体的精确结合。
催化性能：
- Pd 功能化的 CMOF-1 在 Sonogashira 偶联/[2+2] 环加成串联反应中表现出优异性能，产物对映选择性高达 99% ee，并可循环使用至少 10 次而不失活。
- Rh 功能化的 CMOF-1 在 1,4-加成/氢化串联反应中同样优于 CMOF-2，产物对映选择性最高达 98% ee，并实现了高达 11.5:1 的非对映选择性。

Scheme 1. Stepwise and Tandem Reactions Catalyzed by Heterogeneous Pd Catalysts#

Figure 4. (a) ee values and yields obtained with 1-Pd and 2-Pd in tandem coupling/asymmetric [2 + 2] cycloaddition reactions. (b) ee values and yields obtained with 1-Rh and 2-Rh in asymmetric 1,4-addition/hydrogenation tandem reactions. (c) H2 uptake isotherms of CMOF-1 and 1-Rh measured at 295 K. (d, e) Recycling performance of 1-Pd- and 1-Rh-catalyzed asymmetric tandem reactions.#

机理与拓扑效应：实验与 DFT 计算表明，CMOF-1 的规则笼体结构提供了更强的空间限域与过渡态稳定作用，从而显著提升了反应速率与立体选择性。相比之下，CMOF-2 的不规则笼体导致扩散受限与选择性下降。

Scheme 2. Stepwise and Tandem Reactions Catalyzed by Heterogeneous Rh Catalysts#

总结及展望#

本文首次证明了框架拓扑可直接编码配体构象与催化功能，并在异相体系中实现了高效的不对称串联催化。Pd 与 Rh 功能化的 BINAP 基 MOFs 展现出优异的活性、选择性与稳定性，成功将均相“特权配体”策略转化为结构明确的异相平台。
这一成果不仅为设计可预测的异相手性催化剂提供了新思路，也为未来开发多功能串联催化材料奠定了基础。展望未来，拓扑编码策略有望扩展至更多配体与金属体系，推动不对称合成在医药、精细化工等领域的应用。