多反应位点的手性COF大幅提升多相不对称催化速度

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摘要
华南师范大学蔡松亮教授、张玉微教授、郑盛润教授团队在ACS Applied Materials & Interfaces, DOI:10.1021/acsami.6c10610的研究，设计并精准制得三种梯度孔道吡咯烷位点的二维手性 COF（单孔 3、4.5、6 个催化中心）。以环己酮与对硝基苯甲醛不对称羟醛反应为模型，含 6 个吡咯烷位点的 L-DATDP-Tz COF 仅 1 天即可实现 91% 收率、88% ee，性能大幅优于低位点同系物及多数已报道手性 COF/MOF。

研究背景
1. 行业问题
不对称催化研究中，脯氨酸小分子催化剂活性好，但均相体系难以分离回收；手性 COFs 作为多孔多相催化剂具备先天优势，但现有吡咯烷基手性 COF 单孔仅 1–3 个催化位点，普遍存在反应耗时 3–7 天、产物 ee 值偏低的缺陷，难以实际应用。
2. 现有方案
1) 后合成修饰：位点分布不均，易破坏 COF 结晶度；
2) 传统自下而上合成：仅能实现低浓度催化位点，单孔位点数量无法突破 3 个；
3) 三维手性 COF：位点总量略有提升，但框架传质阻力大，无法缩短反应时长，均无法兼顾高密度催化位点与高结晶度。
3. 本文创新
1) 利用单体对称性差异分级调控位点数量，区分单吡咯烷 L-DATP-Boc、双吡咯烷 L-DATDP-Boc 两类手性前驱体；
2) 采用 Boc 保护基屏蔽氨基，规避醛胺环化副反应，保障材料结晶度与位点均匀分布；首次实现单孔 6 个吡咯烷催化中心的手性 COF 可控合成，定量建立位点数量与催化活性、立体选择性的构效关系。

实验部分
1. 手性单体合成
分别制备单吡咯烷 L-DATP-Boc（Suzuki 偶联产率 73%）、双吡咯烷 L-DATDP-Boc（Suzuki 偶联产率 67%），核磁、液质验证单体分子结构完整。
2. Boc 保护型 COF 溶剂热制备
均三甲苯为溶剂、冰醋酸催化，110 ℃溶剂热 3 天，通过调控两种手性单体投料比，分别合成 L-DATP-Tz-Boc（产率 87%）、L-DATDP-DATP-Tz-Boc（产率 84%）、L-DATDP-Tz-Boc（产率 91%），索氏提取纯化去除残留单体。
3. 脱保护活化 COF
4 M HCl/1,4 - 二氧六环室温脱除 Boc 保护基，中和洗涤后真空干燥，三种目标 COF 脱保护收率均超 93%，晶型无坍塌。
4. 不对称催化性能筛选与条件优化
以 L-DATDP-Tz COF 优化体系：确定 DMF/H₂O 为最优溶剂、甲酸为最佳酸性添加剂；相同条件对比三组催化剂：L-DATP-Tz（46% 收率，53% ee）、L-DATDP-DATP-Tz（72% 收率，79% ee）、L-DATDP-Tz（91% 收率，88% ee），反应仅需 1 天。
5. 催化剂循环测试
L-DATDP-Tz COF 循环使用 3 次，收率与 ee 值小幅下降；循环后 PXRD、红外谱图与新鲜样品一致，材料骨架稳定、可重复利用。
实验突破
首次实现单孔 6 个吡咯烷催化位点手性 COF 的合成，打破传统材料位点数量上限；将传统 3–7 天的反应周期压缩至 1 天，该受刑多相催化剂可回收复用。

分析测试
1. PXRD 与晶体模拟
脱保护前后 COF 衍射峰完全匹配，晶型稳定；实验峰与 AA 重叠堆积模型吻合，Rietveld 精修得到 L-DATP-Tz 晶胞 a=b=50.33 Å，L-DATDP-Tz 晶胞 a=b=51.95 Å，均为二维六方有序孔道。
2. FT-IR 与 TGA
1625 cm⁻¹ 亚胺 C=N 峰证明缩合完全；脱保护后 1254 cm⁻¹ Boc 特征峰消失；TGA 显示保护型 COF 失重比例与理论值匹配，脱保护样品热稳定至 350 ℃，在各类有机溶剂、水中浸泡 3 天结晶度不变。
3. 固体 ¹³C CP-MAS NMR
谱图检出吡咯烷特征碳信号，无 Boc 基团对应峰，从分子层面证实保护基完全脱除，催化单元完整保留于框架。
4. N₂吸附孔隙表征
三类保护前驱体 BET 比表面积分别为 250、112、265 m²・g⁻¹；脱保护后提升至 299、121、287 m²・g⁻¹，永久多孔结构保障底物扩散。
5. ECD 圆二色谱
L/D 对映体 COF 呈现镜像对称 Cotton 效应，证明材料具备稳定本征手性；SEM 显示脱保护前后均为纳米团聚颗粒，微观形貌无变化。

机理分析
1. 位点可控合成
1) 单体对称性决定单孔催化位点数目：单吡咯烷单体缩合后单孔含 3 个位点，双吡咯烷单体缩合后单孔 6 个位点；
2) 两种单体共聚时相邻孔道分别含 4、5 个位点，平均 4.5 个；Boc 保护基抑制氨基与醛基副反应，保证位点均匀分布。
2. 高效催化
高密度吡咯烷提供充足活性中心，缩短反应时长；六方有序孔道构建限域手性微环境，高浓度手性位点协同诱导底物定向吸附，提升立体选择性；DMF / 水体系中水分子促进中间体水解，甲酸稳定烯胺中间体，协同提升催化效果。
3. 循环稳定性
吡咯烷单元通过酰胺键共价锚定在 COF 骨架，无流失风险；全亚胺二维框架耐酸碱、耐溶剂，多轮催化后晶体、孔道、手性环境保持完整，可多次回收。

总结
1. 本文基于配体对称性调控的自下而上策略，精准制备三种吡咯烷催化位点梯度分布的二维手性 COF；
2. 最优材料 L-DATDP-Tz COF 单孔含 6 个催化中心，1 天内得到 91% 收率、88% ee 的手性产物，催化性能优于绝大多数已报道手性多孔催化剂，同时拥有良好循环复用能力。

文章标题：Precise Control over the Number of Pyrrolidine Catalytic Centers in Chiral COFs for Boosted Asymmetric Catalysis
作者：Jialin Wu，Yu Wang，Kai Zhang，Xiaoting Xie，Dexuan Cai，Xihao Tang，Mubiao Xie，Jun Fan，Weiguang Zhang，Shengrun Zheng*，Yuwei Zhang*，Songliang Cai*
DOI：10.1021/acsami.6c10610
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.6c10610

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华南师范大学蔡松亮、张玉微、郑盛润团队提出配体对称性调控策略，精准合成三种孔道吡咯烷催化位点数量差异化手性 COF。最高位点密度 L-DATDP-Tz COF 催化不对称羟醛反应仅 1 天获 91% 收率、88% ee，催化效率显著优于传统手性多孔材料，为高效手性催化剂设计提供新思路。