近日，上海交通大学崔勇教授、刘燕教授(共同通讯作者)等在J. Am. Chem. Soc.上发表题为” Highly Stable Zr(IV)-Based Metal-Organic Frameworks with Chiral Phosphoric Acids for Catalytic Asymmetric Tandem Reactions”的研究文章。文章提出了一种配体设计策略，通过引入位阻基团使得手性磷酸催化剂不与金属离子配位，将手性磷酸催化剂直接固定到高度稳定的Zr-MOFs框架中。所制备的框架材料对水，酸和碱表现出了优异的耐受性。观察到在框架内均匀分布的磷酸布朗斯特酸性相较于分子磷酸催化剂显著增强。Zr(IV)-MOFs在系列不对称催化转化反应中均表现出了较高的反应活性和立体选择性，且具有优异的可循环性。该工作提供了一种制备具有高稳定性和高催化活性的非均相手性布朗斯特酸催化剂的新策略，且将有助于设计新型的手性功能多孔材料。

为了实现催化反应中的高反应活性和高选择性，人们致力于开发出具有高度多孔，结晶和稳定的非均相布朗斯特酸催化剂。金属-有机骨架(MOF)由于具有优异的结晶性以及永久的孔隙度，逐渐吸引了人们的目光。近年来，基于 Zr(IV)和Cr(III)等高价金属制备的MOFs由于具有极好的稳定性，使其成为优异的设计单点非均相催化剂的平台。然而目前为止，大多数已报道的手性MOFs在酸和碱性条件下的稳定性较为有限，且其中占大多数的为基于优势手性配体的路易斯酸型催化剂。而占少数的手性布朗斯特酸型催化剂，在不对称催化反应中仅表现出了低至中等的对映选择性。通常来说，由于磺酸和磷酸基团倾向于与金属离子配体而失去布朗斯特酸酸性，所以利用含有磺酸或者磷酸的有机催化剂作为配体来制备具有强布朗斯特酸位点的手性MOFs较为困难。在这项工作中，作者证明了利用空间位阻作用，可以阻止磷酸与金属离子配位，从而将具有催化活性的手性磷酸直接组装到稳定且多孔的Zr(IV)-MOFs当中。

图1  Spiro-1和Spiro-2的结构

a) Spiro-1的拓扑结构

b) Spiro-1和Spiro-2中的六角双锥笼

c) Spiro-1和Spiro-2的三维堆积结构

图2  Spiro-1和Spiro-2的表征

a)     Spiro-1在不同条件下的PXRD图谱

b)      Spiro-1在77K下的N₂吸附等温线

c)      Spiro-2在不同条件下的PXRD图谱

d)      Spiro-2在273K下的CO₂吸附等温线

e)      Spiro-1在循环催化反应10次后的PXRD图谱

f)       Spiro-1催化的三组分F-C反应的循环结果

图3  MOFs催化的缩醛反应结果

作者首先研究了Zr(IV)-MOFs不对称缩醛反应，该不对称反应是制备具有广泛药理活性的2,3-二氢喹唑啉酮的最有效的方法之一。作者发现，在1.4 mol%的催化当量下，以CHCl₃为溶剂，于60℃下反应18小时，Spiro-1可以催化2-氨基苯甲酰胺和各类芳香醛的缩合/胺加成串联反应，以90-99%的产率和92-99%的对映选择性得到2,3-二氢喹唑啉酮产物，明显优于相应的均相催化剂的催化性能。此外，作者也详细研究了底物尺寸和MOF结构以及催化活性之间的关系。

图4  MOFs催化三组分F-C反应的结果

经过高温活化后，手性MOFs中的路易斯酸Zr(IV)位点可以催化芳香醛和对甲苯磺酰胺的缩合反应，而MOF框架中的手性磷酸可以催化亚胺和吲哚的不对称F-C反应。如图3所示，具有不同取代基的芳基醛都可以被直接转化为相应的3-吲哚甲胺类衍生物，产率为83-95%，ee值为95-99%。

此外，作者还详细研究了2-氨基苯甲酰胺和芳香二甲缩醛以及芳香环缩醛的三组分串联反应、吲哚与N-磺酰基醛亚胺的双组分F-C反应以及邻氨基苄基吲哚与三氟代芳香苯乙酮的iso-P-S反应，都取得了很好的催化结果，证明了所制备的手性MOFs在催化反应中具有优异的手性诱导能力。

综上，作者设计了一种空间位阻策略，通过阻止磷酸与金属离子配位，进而将手性磷酸催化剂直接组装到Zr(IV)-MOFs中，且保留了其布朗斯特酸位点。所制备的手性Zr(IV)-MOFs在酸性和碱性水溶液中显示出了优异的化学稳定性。同时，观察到了将手性磷酸分子催化剂框架化后其布朗斯特酸酸性显著增强。手性Zr(IV)-MOFs在非均相布朗斯特酸催化的双组分和三组分缩醛反应、F-C反应以及iso-P-S不对称转化中表现出了优异的反应活性、对映选择性和可循环性。因此，该工作提供了一种制备同时具有高稳定性、高催化活性以及高对映选择性的非均相布朗斯特酸催化剂的新策略，且将有助于将来合理设计出用于多相催化，分子吸附和分离的新型多孔多功能材料。

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