酶中的蛋白质利用水与其之间的相互作用发生折叠或聚集，从而调控其生物活性或催化选择性。而金属有机笼由于其具有带电表面及疏水腔，有望用于人工的类酶系统，但它们的水溶性通常较差，限制了其应用，但通过改变水含量来改变有机基团之间的相互作用，可以让它们在水溶液中形成不同的聚集态或晶体形态。在此，作者利用水来改变钯基八面体笼（HPd）的聚集态。HPd 表面的芳环使其水溶液或晶体中相邻分子之间形成丰富的Π堆积以及C-H 相互作用，从而具有不同于分子笼内腔的孔结构。通过改变溶液中的水含量，该体系可以使炔烃底物转变为热力学稳定的 E 构型产物，或是动力学有利的 Z 构型产物。
作者将2-二苯基膦基苯甲醛、三(4-氨基苯基)胺和 Pd(NO3)2 在乙腈中回流，合成了八面体分子笼HPd（图 1a）。X射线结构分析表明，三角配体覆盖了分子笼HPd的四个面，两个相邻钯金属离子之间的距离约为 12.0 Å（图 1b）。相邻的分子笼通过三苯基膦片段上苯环之间的 C-H···Π相互作用（图 1e）堆积在一起，沿 a 轴形成具有四边形一维通道的三维网络（图 1d），开口尺寸为 7.7 × 11.9 Å2。ESI-MS 光谱同样证实了HPd的成功合成（图 1f）。
图1 (a) [Pd6L4] 12+分子笼的合成路线和晶体结构；(b)分子笼的结构和内部空间；(c) HPd 在CH3CN中、CH3CN/H2O中、在四氢呋喃（THF）或H2O中的紫外可见光谱（UV-vis）；(d) HPd沿a轴的三维骨架结构；(e) HPd沿c轴的最小重复单元；(f) HPd、HPd与1a混合物、HPd与1b混合物在CH3CN/H2O中的电喷雾电离质谱（ESI-MS）。
紫外可见光谱显示，向HPd的CH3CN溶液中加入水后，可见光的吸收增强，这归因于相邻分子笼之间的 C-H···Π相互作用（图 1c）。将HPd加入水中后，其表现出明显的丁达尔效应，表明其形成了聚集体。DLS 实验表明，随着水含量的逐渐增加，纳米聚集体的尺寸显著增加（图 2a）。紫外可以光谱可以观察到，将疏水的炔烃（1a）加入 CH3CN 中的 HPd中不会引起溶液吸收的任何变化，但将1a加入HPd的CH3CN/H2O（v/v=1:1）溶液中，谱图中会出现交点。这可能是亲水效应驱动 1a 进入HPd的疏水空腔，从而产生主客体复合物（图 2b）。ESI-MS 光谱观察到[(Pd6L4)∙(PF6)8∙(1a)3] 4+ 和 [(Pd6L4)∙(PF6)9∙(1a)3] 3+两个物质的产生，表明存在 1:3 主客体复合物（图 1f）。等温滴定量热法 (ITC) 也证实发生了 1:3 主客体结合。
图2 (a)不同水含量下，HPd的动态光散射（DLS）数据；(b)在HPd的CH3CN/H2O溶液中加入1a后的紫外可见光谱；(c)在不同水含量下加入1a，对HPd进行ITC实验；(d) 9a以及9a 、和HPd混合的1D NOE和1H NMR谱；(e) 1a以及HPd和1a混合的13C NMR谱；(f) HPd、2a及其混合物的傅里叶变换红外光谱。
随后，作者研究了用分子笼 HPd作为催化剂对炔烃 1a 的催化转化。图 3a可以观察到，随着水含量逐步增加到 40%，产物的 Z/E （1b/1c）发生了显著变化，从 7/1 变为 1/11。作者将这种选择性反转归因于 HPd 和 1a 之间增强的主客体相互作用。溶液中 HPd 和 1a 混合物的 13C NMR 光谱显示炔基官能团的碳原子(Ca)发生显着的高场位移，而苯环上的碳原子保持不变（图 2e）。虽然以高选择性催化炔烃半氢化的报道有很多，但在单一催化剂内改变其选择性的例子仍然非常罕见。
不同含水量下1a、1b和1c的动力学结果表明，(Z)-二苯乙烯始终作为初始产物出现（图3b），随后异构化为热力学更稳定的(E)-二苯乙烯。当将非反应性物质腺苷-5'-三磷酸二钠 (ATP-Na2) 引入反应溶液后，在较高水含量（40%）下观察到产率和 E-烯烃选择性显著降低。相反，在较低水含量（1%）下，将 ATP-Na2 添加到反应混合物中几乎不影响催化转化率（图 3c）。通过绘制1a浓度和速率的倒数得到线性函数，表明该反应对1a的浓度表现出饱和行为。与含水量为 20% 的催化体系相比，含水量为 40% 的催化体系表现出较小的 Km 值（2.94 ×10-3 M）和最高的 Kcat（图 3f）。这些发现符合米氏动力学，证实了分子笼限制效应。
图3 (a) 不同含水量下1b和1c的催化产率；(b)不同含水量下1a的半还原动力学分析；(c)添加ATP-Na2对产物1b和1c的竞争客体抑制实验；(d) HPd在CH3CN/H2O中的催化机理；(e) 1a半氢化反应的初始速率与HPd浓度的关系；(f)不同催化条件下的Km和Kcat；(g)在最优条件下进行循环实验和催化剂耐久性评估。
表1总结了在不同反应条件下，具有不同空间和电子性质的各种炔烃的半还原反应选择性。转化率数据和优异的Z/E选择性表明，该催化体系可以应用于许多含有活性官能团的炔烃。通常，与较大的底物相比，小底物以更高的立体选择性获得所需构象的烯烃产物。此外，该催化体系甚至可以应用于各种天然产物衍生物，这证明了其广泛的适用性。
表1 该催化体系可以以优异的Z/E选择性催化多种炔烃的半还原。
综上所述，作者通过调节类酶金属分子笼催化剂的聚集状态，实现了(E)-二苯乙烯或(Z)-二苯乙烯在分子笼内和分子笼外的选择性生成，从而巧妙实现了对产物选择性的控制。这项工作启示了类酶超分子系统的设计，提供了一种新型的仿生催化剂模型。
文献详情
Title：Modulating the Aggregation States of a Pd6L4 Cage for Selectivity Flipping during the Stereo-Divergent SemiHydrogenation of Alkynes
Authors：Zhong Wei, Xu Jing, Song Zhao, Yang Yang, and Chunying Duan*
To be cited as: Angew. Chem. Int. Ed.2024, e202414894
DOI:10.1002/anie.202414894
通讯简介
湖南大学何清课题组
研究方向｜超分子化学
Bigger Deeper Smarter Higher
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