【Ti-MOF：Ti3-BPDC】钛基金属有机框架中引入钴桥接次级构筑单元：用于催化N-杂环芳香烃的级联还原反应

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2018年，美国芝加哥大学林文斌教授课题组报道了一种新型 Ti₃-BPDC金属有机框架 (MOF)，该框架由4,4'-联苯二甲酸(BPDC)配体和Ti₃(OH)₂次级构筑单元 (SBU) 构建而成，具有永久的孔隙率和大的一维通道。相邻SBU的Ti-OH 基团彼此指向对方，O-O 间距为 2 Å，去质子化后，作为第一种基于SBU的双齿配体，连接 Co^II-氢化物，通过连续的去阳离子硼氢化和氢化作用，有效地级联还原N-杂环芳香烃（如吡啶和喹啉），得到哌啶和 1,2,3,4-四氢喹啉衍生物，具有极佳的活性（周转数为1980）和化学选择性。相关研究成果以“Cobalt-bridged secondary building units in a titanium metal–organic framework catalyze cascade reduction of N-heteroarenes”为题发表在Chemical Science上，DOI: 10.1039/c8sc04610g。

主要内容

钛氧材料因其高结壳丰度、低毒性、优异的化学和热稳定性以及独特的光物理性质而成为开发和功能化的研究热点。将永久孔隙引入到大块TiO₂中，可以有效地利用所有表面功能化位点，以确保资源的可持续利用。例如，介孔二氧化钛的表面改性产生了一系列具有优异催化或光催化活性的Ti-OH锚定的金属物质。钛基金属有机框架(MOFs)为实现单晶和多孔Ti-oxo材料的分子水平设计和构建提供了一个高度可调的平台，这些材料可以进一步功能化用于催化应用。然而，自2009年报道的第一个含有Ti₈O₈(OH)₄次级构建单元(SBUs)的钛基羧酸MOFs (MIL-125)以来，只有少数几种钛基羧酸MOFs被合成和表征(支持信息，表S1)。具有永久孔隙、大孔道和立体开放功能位点的Ti- MOFs更是罕见。    

本文报道了用Ti₃(OH)₂作为SBUs合成了一种新型多孔二羧酸盐MOF, Ti₃ - BPDC (BPDC=联苯-4,4' -二羧酸盐)。在 Ti₃-BPDC 相邻的 SBUs 中，两个末端 Ti^IV-OH 基团以 2 Å 的距离互相指向对方，并作为优良的双齿配体与 Co^II-氢化物复合，从而得到了一种立体开放且电子丰富的富集金属催化剂，用于将N-杂环芳香烃级联还原为哌啶和1,2,3,4-四氢喹啉衍生物的级联还原反应（图1）。    

图1 (a)介孔TiO2表面改性生成功能材料。(b) Ti-MOF选择的SBU结构(MIL-125、PCN-22、MOF-901和DGIST-1)。(c) Ti₃-BPDC中新型Ti₃(OH)₂ 的SBUs及其金属化生成锚定Co^II-氢化物用于级联还原N-杂芳烃的示意图。

结果与讨论

Ti₃-BPDC的合成及合成后金属化。为了防止无定形TiO₂的形成，本文使用Ti₆O₆(Oⁱ Pr)₆(abz)₆ (abz=4-氨基苯甲酸酯)簇作为MOF生长的Ti源以乙酸(HOAc)为调制剂，Ti₆O₆(OⁱPr)₆(abz)₆与H₂BPDC在120℃的N,N-二甲基甲酰胺中溶剂热反应3天，得到了无色菱形Ti₃-BPDC晶体，产率为31%。单晶X射线衍射(SXRD)表明，Ti₃-BPDC在R3̅m空间群中结晶。每3个Ti原子由羧酸基团连接形成Ti₃(OH)₂（SBUs），中心的Ti原子与6个羧酸基团呈八面体配位，末端的2个Ti原子与3个羧酸基团和1个OH基团呈四面体配位。Ti₃(OH)₂（SBUs）通过6个BPDC配体连接，从而形成了一个dia拓扑的三维框架，其中沿 c轴有一个长度为 11 Å 的一维三角形通道（图2a）。根据 PLATON计算，空隙率为 71.9%。漫反射红外傅立叶变换光谱（DRIFTS）显示，在 3678 cm^-1 处存在端 Ti^IV-OH的ν_O-H伸展带。消解后的Ti₃-BPDC (在D₃PO₄/HF中)的¹H NMR分析显示，HOAc 相对于H₂BPDC的比例为1.38(支持信息，图S6)，因此可得化学式为[Ti₃(BPDC)₃(OH)₂](OAc)₄。粉末X射线衍射(PXRD)表明，Ti₃-BPDC的体相和单晶具有相同的结构(图2b)。由于相对稳定的Ti₃簇和羧酸配体与Ti^IV的强配位，Ti₃-BPDC在274 ℃(支持信息，图S7)温度下保持热稳定性，并在一系列有机溶剂和碱中保持其晶体结构(支持信息，图S15)。Ti₃-BPDC表现为Ⅰ型等温线，比表面积为636 m² g^-1，孔径为11.8 Å。Ti₃-BPDC是第一个基于联苯二羧酸配体的Ti-MOF，具有进一步功能化的潜力。Ti-BPDC的独特结构，特别是邻近的Ti^IV-OH基团，可以使用SBUs来负载地球上丰富的金属催化剂。虽然关于MOFs 的单个 SBUs曾被用作金属氧化物催化剂载体的结构和功能模拟物，但还没有将相邻的 SBUs 作为双齿配体来负载地球上富含的金属催化剂的研究。邻近SBUs的螯合具有几个优势，包括两个或多个M-O^-基团的更强配位，更多富电子的活性金属位点，以及催化中心周围更开放的立体配位环境。用5倍含量的LiCH₂Si(CH₃)₃使Ti₃-BPDC去质子化，再用等量的CoCl₂在THF中金属化，得到Ti₃ - BPDC-CoCl的紫色固体。在锂化和金属化过程中，羧酸基团和配体都保持完整，红外光谱中羰基拉伸振动没有变化。末端OH伸展带的消失(图2c)表明Ti^IV-H基团完全去质子化。经电感耦合等离子体质谱(ICPMS)分析，Ti₃ - BPDC-CoCl的Co含量为0.92±0.04（Co per Ti₃ SBU），表明Ti-OH对几乎完全金属化。从 PXRD 图中可以看出，金属化后结晶度保持不变，Ti₃-BPDC-CoCl 的 SXRD 显示出与 Ti₃-BPDC 几乎相同的单胞参数。由于钴配位原子的高度无序性，无法通过SXRD建立Co的配位环境。使用扩展 X 射线吸收精细结构 (EXAFS) 光谱和密度泛函理论 (DFT) 来确定 Ti₃-BPDC-CoCl中的Co 配位环境。理论B3LYP水平上的DFT计算得到一个扭曲的四面体[(Ti-O^-)₂CoCl(THF)]，与Ti-OH脱质子的两个氧基(Co–O^-的键长为1.89和1.95 Å)、一个氯离子(Co-Cl的键长为2.33 Å)和一个THF (Co-O^THF的键长为2.06 Å)配位，计算模型与Ti₃-BPDC-CoCl的EXAFS数据(图2d和支持信息，表S5)吻合良好，得到Co-(O^Ti)的键长分别为1.86和1.93 Å。Co-Cl的键长为2.25 Å, Co-O^THF的键长为2.03 Å。    

图 2 (a) Ti₃-BPDC及其转化为Ti₃-BPDC-CoH 的结构和SBU排列。(b) Ti₃-BPDC（红色）、Ti₃-BPDC-CoCl（深蓝色）和 Ti₃-BPDC-CoH（紫色）的 PXRD 图样和反应后的图样（橙色），以及基于 SXRD 结构的模拟 PXRD 图样（黑色）。(c) Ti₃-BPDC的DRIFT 光谱，显示Ti₃(OH)₂ SBU 在3678 cm^-1 处的 Ti-OH 伸展振动。(d) Ti₃-BPDC-CoCl 和(e) Ti₃-BPDC-CoH 的EXAFS 光谱（黑色圆圈）和 R空间中Co K边吸附的拟合（灰色实线）。

用10倍含量的NaBET₃H在甲苯中处理Ti₃-BPDC-CoCl，通过Cl/H交换生成深蓝色固体Ti₃-BPDC-CoH。根据 NaBEt₃H 处理前和处理后相似的 PXRD 图可以发现MOF的结晶度保持不变(图2 b)。X射线荧光分析显示，96.5%的氯化物被氢化物交换(支持信息，图S19)。采用X射线光电子能谱(XPS)和X射线吸收近边能谱(XANES)测定了Ti₃-BPDC-CoH中Ti和Co中心的氧化态。Co中心在781.1和796.8 eV处表现出较强的2p_3/2和2p_1/2峰，在785.9和802.6 eV处表现出2p_3/2和2p_1/2震荡峰，与Co^II一致(图3a)。Ti 中心在 458.3 和 464.1 eV 处显示出强烈的 2p_3/2 和 2p_1/2 峰，这是 Ti^IV的特征（图3b）。Ti₃-BPDC-CoCl 和 Ti₃-BPDC-CoH 的 Co 前沿特征与 CoCl₂相同（图3c），证实了氢化物活化前后的Co^II氧化态。在Ti₃-BPDC-CoCl和Ti₃-BPDC-CoH 中观察到了相似的前沿特征（图 3d），表明钛的氧化态相同。用过量甲酸处理Ti₃-BPDC-CoH 会产生 0.96±0.04 当量的H₂（相对于Co），表明存在Co-H。对Ti₃-BPDC-CoH的EXAFS拟合显示，Co中心采用(Ti-O^-)₂Co桥连模式,Co-(O^Ti)间距分别为 1.93 Å和1.96 Å（图2e），与Ti₃-BPDC-CoCl类似。由于MOF 结构中独特的位点隔离效应，这种带有氧基螯合配体的单体Co-H会由于容易低聚而无法在均相体系中制备。

图 3 (a) Ti₃-BPDC-CoH的Co 2p XPS 光谱，拟合结果表明 NaBEt₃H 处理后的Co²⁺ 氧化态。(b) Ti₃-BPDC-CoH 的 Ti 2p XPS 光谱和拟合结果表明 NaBEt₃H 处理后的 Ti⁴⁺ 氧化态。(c) 与 CoCl₂（黑色）相比，Ti₃-BPDC-CoCl（深蓝色）和 Ti₃-BPDC-CoH（紫色）的 Co 前沿 XANES 特征。(d) Ti₃-BPDC-CoCl（深蓝色）和 Ti₃-BPDC-CoH（紫色）的钛前沿 XANES 特征。

Ti-BPDC-CoH催化的吡啶级联还原反应。在将吡啶级联还原为哌啶衍生物的过程中，Ti₃-BPDC-CoH表现出很高的催化活性。哌啶是药物和生物活性生物碱中最重要的结构单元之一，在过去几十年中，哌啶的合成引起了人们的极大兴趣。与传统的闭环途径相比，催化氢化吡啶提供了一种原子/步骤效率高的构建哌啶的策略。然而，使用均相 Rh 和 Ir、异相 Rh、Pd 和 Co以及无金属体系对吡啶进行氢化的例子寥寥无几。使用均相 Rh 和 Ir、异相 Rh、Pd 和 Co 以及无金属体系进行吡啶的氢化，以及吡啶的半还原反应，这可能是由于吡啶对催化位点有强烈的毒害作用。受之前在由 SBU 连接的Co氢化物催化的氢硼化和氢化反应中取得的成功的启发，本文设想了一种使用 Ti₃-BPDC-CoH从吡啶制备哌啶的单锅级联还原方法。在反应中加入邻溴代硼烷(HBpin)，首先通过硼氢化反应使N-杂环芳香烃脱氢，然后对硼氢化中间体中剩余的不饱和键加氢。

通过加入0.2 mol%的Ti₃-BPDC-CoH，使用1.05当量的HBpin在正辛烷中处理3-甲基吡啶，在20 bar H₂和100 ℃下反应22 h，得到3-甲基哌啶，收率为97%。催化后，MOF 的 PXRD 图样没有发生明显变化（图 2b），这表明 MOF 框架在反应条件下非常稳定。将正辛烷改变为配位溶剂(如四氢呋喃)或无溶剂条件下，产率急剧下降(支持信息，表S8)，表明溶剂或吡啶底物的配位作用产生了抑制作用。在没有 MOF、HBpin 或 H₂ 的情况下，没有观察到哌啶产物（支持信息，表 S9）。催化剂负载量为0.05mol%时，在3天内实现了前所未有的 1980 高周转数 (TON)。当Co的负载量为0.2 ~ 0.5 mol%时，在吡啶环的3-、4-、5-的位置上具有供电子或吸电子基团的多种吡啶都能以高收率(73 ~ 100%)还原为哌啶。该级联还原反应还具有良好的官能团耐受性和突出的产物选择性。烷氧基、酯基、二烷基酰胺和硅基在还原过程中都保持完整。对于含有芳环的吡啶底物，如3/4-苯基吡啶和4-苄基吡啶，吡啶环被选择性还原而不影响苯基环(表1)。有几个现象能支持这一级联过程(表1, 支持信息，S8，图S30†)。首先，与3-甲基吡啶和3,5-二甲基吡啶相比，2-甲基吡啶和2,6-二甲基吡啶分别表现出显著的活性下降，这可能是由于甲基阻断Co配位以抑制硼化氢步骤。其次，在没有 H₂ 的情况下，通过Ti₃-BPDC-CoH 检测到 25% 的氢硼化的3-甲基吡啶，这表明 Co 中心参与催化氢硼化步骤。第三，在20bar H₂条件下，以0.5 mol%的Ti₃-BPDC-CoH定量地将分离的硼化氢吡啶转化为哌啶，而在没有MOF催化剂的情况下，没有观察到哌啶。因此，通过对吡啶进行脱芳氢硼化，然后对剩余的不饱和键进行氢化，发生了级联还原反应（图 4a）。这两个步骤均由 Co-H催化完成的。

Ti₃-BPDC-CoH 被回收并重复使用了至少 6 次，产量没有明显下降（93-100%，支持信息，图S32）。ICP-MS显示Co和Ti的浸出量极小(分别为0.4%和0.6%)。热过滤实验排除了浸出的Co对级联还原反应活性起作用的可能性(支持信息，图S34)。此外，无论是Co纳米颗粒和 NaBEt₃H 在3-甲基吡啶的级联还原反应中都没有生成任何产物（支持信息，表S10）。值得注意的是，3-甲基吡啶的不同位置异构体在 Ti₃-BPDC-CoH 催化的级联还原反应中表现出显著的形状选择性（图4b）。在相同条件下，3-(邻苯基)吡啶和3-(间苯基)吡啶完全还原为哌啶，而3-(对苯基)吡啶大部分未反应，这可能是由于3-(对苯基)吡啶的甲基与远侧的BPDC配体之间存在不利的位阻作用(图4b)，抑制了硼化氢步骤。

表1 Ti₃-BPDC-CoH催化吡啶的级联还原

图 4 (a) 提出的级联还原途径。(b) 3-(m/p/o-toly)吡啶级联还原的形状选择性。

Ti-BPDC-CoH催化喹啉级联还原。将这一级联方案应用于其他N-杂环芳香烃的脱芳烃化。喹啉的半加氢反应是合成 1,2,3,4-四氢喹啉（1,2,3,4-4HQLs）最直接、最方便的方法，在医药和农用化学品中有着广泛的应用。Ti₃-BPDC-CoH 通过级联还原过程催化喹啉半加氢生成 1,2,3,4-4HQLs，具有极佳的选择性和官能团耐受性。在催化剂负载量为 0.2 mol%、温度为100℃的条件下，1,2,3,4-4HQL 的产率大于 99%，副产物 5,6,7,8-4HQL 的产率小于 1%。甲基位于不同位置（3-,4-,6-,7-）和具有不同官能团（Cl、OMe、COOMe）的喹啉以及喹喔啉都能以大于 84% 的产率和良好的选择性半氢化为 1,2,3,4-4HQL（表2）。由于底物与 Co 中心的配位受到抑制，因此没有检测到 2,6-二甲基喹啉的转化。

表 2 Ti₃-BPDC-CoH 催化喹啉类化合物的选择性还原

总结：基于独特的Ti₃(OH)₂（SBUs）和BPDC配体合成了一种具有永久孔隙和大的1D孔道的新型钛羧酸MOF单晶。来自相邻SBUs的每一对紧密间隔的Ti^IV-OH基团被去质子化，然后螯合到Co^II中心。这种SBUs连接的co^II-氢化物对吡啶和喹啉的N-杂环的选择性级联还原具有很高的活性:杂芳烃首先进行脱芳硼化，然后对剩余的不饱和键进行氢化，得到合成有用的哌啶和1,2,3,4-四氢喹啉，具有良好的活性和化学选择性。这项工作通过利用相邻的 SBUs去连接地球上丰富的金属配合物，拓展了 MOF 在单位点固体催化剂方面的应用，并凸显了 MOF 催化剂在精细化学合成中的巨大潜力。

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