金属有机框架中的仿生铜对催化剂用于氧气活化和C-N氧化偶联反应

氧气是一种绿色且廉价的氧化剂，但其动力学惰性使其在有机反应中的应用受到限制。然而，好氧生物能够在其新陈代谢过程中有效利用氧气，这有赖于一系列用于氧气活化和催化氧化反应的金属酶的存在。氧化酶中的金属辅因子在氧气的活化和还原中起着至关重要的作用，这些金属酶通常包含双核或多核的金属中心，通过多个金属位点的参与，促进电子转移和自旋转变过程，使动力学惰性的三线态氧分子转变为活性氧物种。在人工系统中模拟这些氧化酶的功能和促进有机反应中氧气的利用一直是人们关注的问题，但迄今为止，许多人工酶的活性和底物范围都很有限。

近日，中国科学院福建物质结构研究所曹荣研究员（点击查看介绍）和张腾研究员（点击查看介绍）等通过向金属有机框架（MOF）结构中引入柔性侧链，提供柔性微环境，使得锚定在MOF孔道中的金属Cu位点间的距离和取向能够在一定范围内调节，得到了具有动态构象自适应特性的MOF基金属对催化剂，能够有效模拟天然酪氨酸酶中的双核Cu位点，实现了氧气分子的协同活化。同时，通过混合配体策略调节结合金属的柔性侧链浓度，可以调节框架中金属位点之间的距离，使其在“相互作用”和“隔离”状态之间切换，从而控制MOF空腔中金属对位点的形成并调控催化中的底物协同活化行为。

图1. 天然酪氨酸酶（a）和UiO-67-pyma-MOF的四面体孔（b，本工作）中的双核Cu₂O₂簇。

作者首先通过溶剂热法合成了带有吡啶甲胺(pyma)柔性侧链的MOF UiO-67-pyma（图2a）。同时，为了分离MOF孔道中的pyma位点，采用混配体策略，以惰性联苯二甲酸配体隔离pyma功能化配体，得到UiO-67-pyma-d（图2b）。以[Cu(MeCN)₄]PF₆为金属源向UiO-67-pyma和UiO-67-pyma-d负载Cu位点，EDS能谱的元素分布图显示Zr、Cu、N和O元素的均匀分布。

图2. UiO-67-pyma和UiO-67-pyma-d的合成。

采用UV-vis、X射线吸收谱（XANES和EXAFS）、红外和拉曼光谱等多种光谱技术对UiO-67-pyma-Cu材料中的Cu氧化态和配位结构进行了研究，结果表明，经空气氧化后，UiO-67-pyma-Cu材料中的Cu元素兼有Cu(II)和Cu(III)的特征，其拉曼光谱出现可归属于Cu^III₂(µ-O)₂簇的Cu-O伸缩振动模式的特征峰（630 cm^-1）。接下来通过DFT计算探究了Cu₂O₂簇的形成途径。如图3所示，UiO-67框架上的柔性侧链向MOF的四面体或八面体孔洞中延伸，使所锚定的Cu位点之间距离和取向均可自由调节，建立起“远程”相互作用并可以以协同形式结合氧气分子。优化后的UiO-67框架在加入[(pyma)Cu]₂O₂簇后没有出现明显的结构畸变，表明该远程协作策略是可行的。能量计算的结果表明Cu₂O₂簇在四面体空腔中的能量更低，更倾向于占据UiO-67框架的四面体孔隙。这可归因于四面体孔隙与[(pyma)Cu]₂O₂簇之间良好的尺寸相容性。对于相同的锚定模式，Cu^III₂(µ-O)₂簇的能量比Cu^II₂(µ-O₂)簇要低30~50 kcal/mol，表明在MOF中倾向于形成O=O键完全断裂的双核簇，而非过氧阴离子加合结构。

图3. DFT优化的UiO-67-pyma-Cu₂O₂结构模型及其相对能量（单位：kcal/mol）。

含有Cu₂O₂簇结构的UiO-67-pyma-Cu₂O₂材料对芳香硼酸和胺之间的C-N氧化偶联反应（Chan-Lam反应）具有催化活性。以琥珀酰亚胺和苯硼酸为模型底物对反应条件进行筛选和优化，发现在二氯甲烷、THF、乙腈、DMF等非质子溶剂中，C-N偶联反应几乎不发生；当使用伯醇如甲醇或乙醇作为溶剂时，偶联反应可顺利进行，且没有形成自偶联副产物。在乙腈和乙醇的混合溶剂中进行反应，相同反应时间内N-芳基化产物的产率随着溶剂中乙醇比例的增加而增加，表明乙醇对反应有促进作用。具有位点隔离的单核Cu结构的UiO-67-pyma-d-Cu(II)和具有CuN₂Cl₂配位结构的UiO-67-pyma-Cu(II)Cl对该反应的催化效果都很差，在5 mol% Cu的负载量下，UiO-67-pyma-Cu₂O₂催化Chan-Lam反应在60小时内完全转化，而相同条件下UiO-67-pyma-d-Cu(II)催化的底物转化率仅为20%。这表明UiO-67-pyma-Cu₂O₂中的Cu₂O₂双核簇结构是催化反应的关键。反应底物的拓展实验结果（表1）表明，具有给电子和吸电子基团的芳香硼酸均能与琥珀酰亚胺反应，其中具有给电子基团的芳基硼酸活性较高。除酰亚胺类化合物外，UiO-67-pyma-Cu₂O₂还可以有效催化酰胺、咪唑、芳香胺和氨等底物与芳香硼酸的C-N氧化偶联反应。

表1. Chan-Lam反应底物拓展

反应动力学实验表明，UiO-67-pyma-Cu₂O₂催化的Chan-Lam反应对于苯硼酸底物为一级反应，对于琥珀酰亚胺为零级反应。特别是，在过量（10当量）琥珀酰亚胺存在的情况下，C-N偶联反应不会进行（图4d）。这表明过量的琥珀酰亚胺可能会与催化剂结合并使之失活。为了确认这一现象，进行了分步投料实验，在加入琥珀酰亚胺6小时后才向反应体系中加入苯硼酸，这使得N-芳基化产物的产率由原来的70%降至19%（图4d）。这种现象在使用其他催化剂的Chan-Lam反应体系中很少观察到。根据动力学数据和胺底物对反应的抑制现象提出了可能的反应机理，并通过DFT计算进行了研究。根据所推测的机理，首先在醇溶剂的辅助下，双金属Cu₂O₂簇与芳基硼酸发生转金属反应，生成Cu(III)-芳基中间体3。中间体3经过配体交换步骤得到Cu(芳基)(酰胺)中间体4，并经过还原消除反应释放C-N偶联产物，得到Cu(I)物种5，并与分子氧结合再生双金属Cu₂O₂簇（图4e）。

图4. 催化反应动力学实验及推测的反应机理。

小结

这一工作成功地在MOF材料中构建了具有精确配位环境和协同功能的非共价相互作用金属对位点，可有效模拟酪氨酸酶中双核Cu位点的结构和氧气分子活化功能。这种金属对催化剂的构建为惰性底物的远程协同活化和新型高活性催化剂的开发提供了有效的策略。该工作于近期发表在Journal of the American Chemical Society 杂志上，文章第一作者为中国科学院大学博士生李君雨。

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A Bioinspired Copper-Pair Catalyst in Metal–Organic Frameworks for Molecular Dioxygen Activation and Aerobic Oxidative C–N Coupling

Jun-Yu Li, Duan-Hui Si, Fu-Qi Mi, Wang-Lan Xu, Teng Zhang*, and Rong Cao*

J. Am. Chem. Soc., 2024, 146, 12444–12453, DOI: 10.1021/jacs.3c14794

导师介绍

曹荣

https://www.x-mol.com/university/faculty/22916 

张腾

https://www.x-mol.com/university/faculty/202296