内蒙古大学郭硕课题组ACS Catal.：双功能的铜金属有机框架催化剂用于烯烃的后期功能化
作者：X-MOL 2025-03-10
第一作者：董璐、陈虎、谭小丽
通讯作者：郭硕、贾艳媛、梁广超
通讯单位：内蒙古大学
金属光氧化还原催化是光氧化还原以及过渡金属催化的组合。最近，该策略在光诱导电子转移和过渡金属催化中的双功能作用受到了广泛关注。这个快速发展的领域被公认为是从现成的起始材料中构建复杂结构的方法，特别是在多组分反应（MCR）中。在MCR反应中应用金属光氧化还原催化具有耐受各种官能团、合成复杂化合物的显著优势，然而，MCR反应依赖于两种不同的催化剂实现顺序转化，通常需要昂贵且商业上不可用的催化剂。因此，开发一个简单而强大的金属光氧化还原催化剂是一个重大挑战。迄今为止，金属铜在MCR中作为光氧化还原和交叉偶联催化剂的双功能作用已在均相体系中得到证实。尽管在使用均相催化剂的MCR方面取得了进展，但残留的有机金属铜催化剂可能会在制药生产中引起毒性问题。此外，铜可以与产物中的杂原子配位，这给脱金属和纯化带来了挑战。尽管铜相对便宜，但铜基催化剂通常含有特殊的配体，这些配体在商业上不可用，暴露后可能会失去活性，此外，均相催化剂通常很难从反应混合物中回收，导致环境污染和设备腐蚀问题。相比之下，非均相催化剂可以很容易地通过过滤分离。因此，开发铜基双功能多相催化剂为应对这些挑战和推进MCR中的金属光氧化还原催化提供了机会。
本研究报告了一种双功能铜基金属有机框架化合物（MOF）催化剂IMU-108，同时用作光氧化还原催化剂和交叉偶联催化剂。IMU-108是由Cu(NO3)2•3H2O和5-巯基间苯二甲酸合成的，并且可以通过简单的回流装置来达到克级制备。IMU-108通过原位形成的S−S键桥接零维金属有机多面体（MOP）形成，每个MOP由12个Cu−Cu paddle-wheel单元组成。这些内部多面体中的S−S键形成刚性几何结构，并确保内部MOP保持稳定，同时兼具催化活性。本研究证明了IMU-108在苯乙烯和α-溴代酸酯与硼酸的非均相光氧化催化交叉偶联中的能力，可以在一步中产生各种取代的1,1-二芳基烷烃化合物。IMU-108具有良好的可重复使用性，在连续十个反应循环中保持其催化活性。此外，计算和机理研究表明，IMU-108表面上的配位不饱和铜物种充当催化活性位点，具有强大的单电子转移（SET）还原能力，并促进交叉偶联反应。
图1. (a) 均相催化剂催化和非均相Cu-MOF催化剂的多组分反应(MCR)示意图 (PSs=光敏剂；TM=过渡金属催化剂)。(b) 1,1-二芳基烷烃的代表性生物活性分子。(c) IMU-108的笼状结构。(d) IMU-108的三维结构。图片来源：ACS Catal.
反应结果证明了IMU-108作为非均相催化剂在三组分反应中具有宽泛的底物适用范围和良好的官能团耐受性。基于以上工作，作者进一步评估了天然产物和药学相关衍生物的底物范围。结果表明各种各样的天然产物和药物中的复杂结构保持完整，顺利转换为相应的衍生物，如苯乙烯衍生物布洛芬（最广泛使用的止痛药，4r）、(+)-δ-生育酚（维生素E，4s）、吉非贝齐（治疗高脂血症，4t）、(+)-薄荷醇（4u）、萘普生（止痛，4v）、氨基酸衍生物（4w）和6-羟基-3,4-二氢-2(1H)-喹啉酮（4x）。令人鼓舞的是，溴代酸酯衍生物2-茨醇、柏木脑、雌酚酮、睾丸素、刺芒柄花素和二氢胆固醇也被证明是偶联反应中合适片段并获得相应的产物（4y-4ad），且收率高达95%。
图2. 生物活性分子的后期功能化。图片来源：ACS Catal.
之后，作者利用PXRD、催化剂移除实验、循环实验表征了IMU-108在三组分反应中的稳定性，结果表明IMU-108具有良好的稳定性，在10轮次催化循环中未见收率降低；作者利用半原位红外实验、荧光猝灭实验、XPS等手段进一步探究了IMU-108在有机反应中的作用，并针对反应的活性位点进行了详细的探究和讨论，发现IMU-108表面上的配位不饱和铜物种充当催化活性位点，具有强大的单电子转移（SET）还原能力，并促进交叉偶联反应；使用DFT计算进一步对反应机理进行了验证。
图3.机理探究及理论计算。图片来源：ACS Catal.
最后，作者进行了自由基捕获试验、开关灯实验等进一步对机理进行验证，并提出了反应过程可能存在的机理。
图4. 反应可能存在的机理。图片来源：ACS Catal.
总结
作者提出了一种原位组装零维MOP的方法，可以通过回流的方式克级制备稳定且高催化活性的铜基金属有机框架材料——IMU-108。重要的是，使用IMU-108作为非均相催化剂可以耐受多种官能团以及制备多种复杂的生物活性分子，突显了MOFs在药物发现中作为多功能催化剂的潜力。
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Bifunctional Copper Metal-Organic Framework Catalyst for Late-Stage Functionalization of Alkenes
Lu Dong‡, Hu Chen‡, Xiaoli Tan‡, Ning Zhang, Wei Sun, Dechao Li, Guangchao Liang*, Yanyuan Jia*, and Shuo Guo*
ACS Catal. 2025, 15, 4198−4207, DOI: 10.1021/acscatal.5c00755
课题组介绍
郭硕研究员，博士生导师，郑州大学获硕士学位（2013），南开大学获博士学位（2017），分别在美国印第安那大学（2017-2019）和密歇根大学（2019-2020）做博士后研究。2020年10月起加入内蒙古大学化学化工学院开展独立研究工作。近年来，郭硕博士以绿色有机氟化学方法学研究为基础，成功实现了多种策略的含氟官能团的修饰反应，合成了一系列有潜在药用价值的三氟甲基、三氟甲氧基和五氟硫基的有机功能分子。相关工作在化学相关国际一流期刊Nat. Chem.，Nat. Commun.，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Green Chem.等杂志发表文章多篇。入选2021年内蒙古自治区321人才，主持国家自然科学基金项目、内蒙古自治区中央引导地方项目、内蒙古青年英才项目等。
本课题组常年招收师资博士后（https://rsc.imu.edu.cn/bshgz/zpqs.htm ），欢迎有机氟化学方法学感兴趣的青年才俊咨询联系，请将个人简历发送至此邮箱：shuoguo@imu.edu.cn.
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