編輯評論：離子型超分子主體的電性，酸鹼性和反應動力學

pubs.acs.org

Raymond 是我們的老朋友了（笑）。相較某F姓Wolf獎得主來說，Raymond的工作要細緻很多，對於用籠子做反應這一塊來講他應該算是在動力學方面做得相當多的人（至少我的印象如此）。這次介紹的這篇JACS即是關於Ga（Ⅲ）籠子和Si（Ⅳ）M4L6籠子在作為催化劑在動力學方面的差異，有助於我們更好地理解電荷在主客體催化中的獨特角色。

實際上離子型超分子主體，包括陽離子型的一大批MOCs，都有相當多的關於催化離子型反應的報道，其中一個較為典型的就是 Knoevenagel condensation 這一類鹼催化的離子型反應（ref 1、2、3）。另一個體系則是Kemp elimination （ref 7）。

而對於陰離子型的M4L6四面體MOCs，則幾乎沒有報道過催化這類型（鹼催化的離子型反應）反應，反而多見報道的是通常需要強酸條件下進行的反應：如鹼性條件下的原甲酸酯水解（ref 4），二級胺和醛酮縮合中亞胺正離子的穩定化（ref 5），包括今年這篇JACS做的Nazarov cyclization（ref 6）。這類型反應在陽離子主體中未見被實現的報道。

本次選擇的這篇JACS研究的即是經典的Nazarov cyclization，其反應產物（雙烯）通過一個馬來醯亞胺的D-A加成來捕捉。在Nazarov cyclization 裡面，決定其速度的部分是羥基質子化然後離去生成carbon cation，以及生成一個適於電環化關環的過渡態。而作為對照他們選取僅僅依賴形成環狀過渡態的aza-Cope rearrangement，由於鏈狀底物被包合後會被強行捲縮到適合重排的構象，因此在較溫和的條件下能實現Cope rearrangement。這兩個反應的區別在於Nazarov cyclization 需要形成一個質子化的過渡態，而aza-Cope rearrangement則僅僅是一個周環反應。

在這篇文章裡面，作者首先合成了一個帶8個負電荷的Si（Ⅳ）新的籠子，其幾何結構和客體結合的模式與已報道的Ga（Ⅲ）籠子是一致的，單晶結構顯示和客體結合的模式也是相同的，兩個籠子的區別僅在於電荷不同。接著他們使用這兩種籠子催化了前面提到的Nazarov cyclization和aza-Cope rearrangement兩個反應，並通過核磁動力學測定其表觀速率常數，其結果如下圖所示。

此結論說明對於離子型超分子主體催化的離子型反應，主體電荷對於反應在動力學上具有至關重要的影響，而對於周環反應則幾乎沒有影響。作者歸納其原因在於離子型主體對電荷相反的反應中間體的穩定作用，這個結論2014年即已經發表在歐洲化學上（ref 8）。DFT計算表明與主體結合的中間體的自由能出現較大幅度的降低，在同一篇文章裡面他們使用氧18標記的重水在不同pH下做了該反應，可以檢測到反應剩餘的底物中含有標記的氧，這種同位素交換現象說明carbon cation的形成是Nazarov cyclization的重要步驟。而本應在酸性下發生的這一過程在陰離子主體的存在下在弱鹼性的溶液中也能實現同樣的交換，這意味著籠催化過程裡面同樣以carbon cation作為中間體的推測是合理的。

這類型詳細的動力學研究工作對於解釋離子型超分子主體的一些催化行為是相當有意義的，一方面，關於主客體限域下發生的周環反應的各種奇異性質已經有相當令人信服的解答，而對於離子型反應的問題，包括主體的酸鹼性還是籠罩在一片未知之中。另一方面，限於表徵手段的匱乏，研究者很難清楚觀測到溶液中的主客體行為細節，唯象的動力學研究是少數能研究這類問題的方法。事實上單晶狀態的主體，在溶液中的行為和固體是存在較大差異的，儘管單晶結構可以解釋主客體結合以及客體排布的模式，但是溶液中客體進入主體的方式和反應進行的具體步驟我們依然是一無所知的。

值得注意的是，這個工作研究的方法，即不同電荷數的主體橫向比較為研究類似的反應機理提供了一個相當好的範式。應當看到，除了電荷數之外，主體的電性、體積、甚至溶劑都很可能是影響主客體催化的重要因素，如果能夠獲得描述這類型反應動力學的一個定量或半定量的較為精確的模型的話，那麼對深入了解酶促反應機理和其他重要的生物過程都是相當重要的。

Reference

1.

Cage-Catalyzed Knoevenagel Condensation under Neutral Conditions in Water?

pubs.acs.org

2.