本文旨在介绍UCB的K.N Raymond 等人发表在JACS上的工作：Deconvoluting the Role of Charge in a Supramolecular Catalyst
Deconvoluting the Role of Charge in a Supramolecular Catalyst
Raymond 是我们的老朋友了（笑）。相较某F姓Wolf奖得主来说，Raymond的工作要细致很多，对于用笼子做反应这一块来讲他应该算是在动力学方面做得相当多的人（至少我的印象如此）。这次介绍的这篇JACS即是关于Ga（Ⅲ）笼子和Si（Ⅳ）M4L6笼子在作为催化剂在动力学方面的差异，有助于我们更好地理解电荷在主客体催化中的独特角色。
实际上离子型超分子主体，包括阳离子型的一大批MOCs，都有相当多的关于催化离子型反应的报道，其中一个较为典型的就是 Knoevenagel condensation 这一类碱催化的离子型反应（ref 1、2、3）。另一个体系则是Kemp elimination （ref 7）。
而对于阴离子型的M4L6四面体MOCs，则几乎没有报道过催化这类型（碱催化的离子型反应）反应，反而多见报道的是通常需要强酸条件下进行的反应：如碱性条件下的原甲酸酯水解（ref 4），二级胺和醛酮缩合中亚胺正离子的稳定化（ref 5），包括今年这篇JACS做的Nazarov cyclization（ref 6）。这类型反应在阳离子主体中未见被实现的报道。
本次选择的这篇JACS研究的即是经典的Nazarov cyclization，其反应产物（双烯）通过一个马来酰亚胺的D-A加成来捕捉。在Nazarov cyclization 里面，决定其速度的部分是羟基质子化然后离去生成carbon cation，以及生成一个适于电环化关环的过渡态。而作为对照他们选取仅仅依赖形成环状过渡态的aza-Cope rearrangement，由于链状底物被包合后会被强行卷缩到适合重排的构象，因此在较温和的条件下能实现Cope rearrangement。这两个反应的区别在于Nazarov cyclization 需要形成一个质子化的过渡态，而aza-Cope rearrangement则仅仅是一个周环反应。
在这篇文章里面，作者首先合成了一个带8个负电荷的Si（Ⅳ）新的笼子，其几何结构和客体结合的模式与已报道的Ga（Ⅲ）笼子是一致的，单晶结构显示和客体结合的模式也是相同的，两个笼子的区别仅在于电荷不同。接着他们使用这两种笼子催化了前面提到的Nazarov cyclization和aza-Cope rearrangement两个反应，并通过核磁动力学测定其表观速率常数，其结果如下图所示。
此结论说明对于离子型超分子主体催化的离子型反应，主体电荷对于反应在动力学上具有至关重要的影响，而对于周环反应则几乎没有影响。作者归纳其原因在于离子型主体对电荷相反的反应中间体的稳定作用，这个结论2014年即已经发表在欧洲化学上（ref 8）。DFT计算表明与主体结合的中间体的自由能出现较大幅度的降低，在同一篇文章里面他们使用氧18标记的重水在不同pH下做了该反应，可以检测到反应剩余的底物中含有标记的氧，这种同位素交换现象说明carbon cation的形成是Nazarov cyclization的重要步骤。而本应在酸性下发生的这一过程在阴离子主体的存在下在弱碱性的溶液中也能实现同样的交换，这意味着笼催化过程里面同样以carbon cation作为中间体的推测是合理的。
这类型详细的动力学研究工作对于解释离子型超分子主体的一些催化行为是相当有意义的，一方面，关于主客体限域下发生的周环反应的各种奇异性质已经有相当令人信服的解答，而对于离子型反应的问题，包括主体的酸碱性还是笼罩在一片未知之中。另一方面，限于表征手段的匮乏，研究者很难清楚观测到溶液中的主客体行为细节，唯象的动力学研究是少数能研究这类问题的方法。事实上单晶状态的主体，在溶液中的行为和固体是存在较大差异的，尽管单晶结构可以解释主客体结合以及客体排布的模式，但是溶液中客体进入主体的方式和反应进行的具体步骤我们依然是一无所知的。
值得注意的是，这个工作研究的方法，即不同电荷数的主体横向比较为研究类似的反应机理提供了一个相当好的范式。应当看到，除了电荷数之外，主体的电性、体积、甚至溶剂都很可能是影响主客体催化的重要因素，如果能够获得描述这类型反应动力学的一个定量或半定量的较为精确的模型的话，那么对深入了解酶促反应机理和其他重要的生物过程都是相当重要的。
Reference
1.
Cage-Catalyzed Knoevenagel Condensation under Neutral Conditions in Water
2.
3.
4.
Acid Catalysis in Basic Solution: A Supramolecular Host Promotes Orthoformate Hydrolysis
5.
Molecular Recognition and Stabilization of Iminium Ions in Water
6.
Enzymelike Catalysis of the Nazarov Cyclization by Supramolecular Encapsulation
7.
Highly efficient catalysis of the Kemp elimination in the cavity of a cubic coordination cage
8.
来源：知乎 www.zhihu.com
作者：知乎用户（登录查看详情）
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