【手性COF】伯胺官能化手性共价有机框架实现水中高效不对称催化

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摘要：
Clark Atlanta University的Xinle Li和华南师范大学蔡松亮老师等报道的本篇文章（ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, 16, 43, 59379–59387）中首次报道了一种由手性氨基酸衍生的伯胺功能化的共价有机框架（COF）D-ADP-TAPB，用于水相中的不对称催化。D-ADP-TAPB COF通过后合成去保护策略从D-ADP-TAPB-Boc制备而来，后者是通过D-ADP-Boc和1,3,5-三(4-氨基苯基)苯（TAPB）之间的席夫碱反应构建的。D-ADP-TAPB COF在水相中催化环己酮和4-硝基苯甲醛之间的不对称醛醇反应，取得了高达90%的产率和85%的对映体过量（ee）值。这一成果不仅扩展了设计罕见的伯胺功能化手性COFs用于不对称催化的工具箱，而且为开发绿色和水基的对映选择性催化开辟了新的途径。

研究背景：
1) 在制药和药物开发中，不对称催化占据着重要地位，但其传统依赖于有毒的有机溶剂，这与绿色化学的原则相违背。
2) 已有研究通过使用手性COFs作为催化剂来解决这一问题，这些催化剂在有机溶剂中表现出良好的回收性和对映选择性。
3) 本文作者开发了一种新型的伯胺功能化手性COF催化剂D-ADP-TAPB，该催化剂在纯水相中实现了高效率和高对映选择性的不对称醛醇反应，这是首次在水相中使用手性COF催化剂实现此反应。

实验部分：
1. 合成D-ADP-Boc：
   - 将2,5-二溴苯胺（2.50 g, 10 mmol）和N-Boc-D-丙氨酸（2.27 g, 12 mmol）溶解在二氯甲烷（DCM, 100 mL）中，加入N,N-二环己基碳二亚胺（DCC, 2.27 g, 11 mmol）。
   - 室温下搅拌28小时，然后将反应混合物加水并用DCM萃取。
   - 合并有机相，水洗，过Na2SO4干燥，真空浓缩。
   - 用硅胶柱色谱（1:4 乙酸酯/己烷为洗脱剂）纯化，得到D-ADP-Boc作为白色粉末（63%产率）。
2. 合成D-ADP-TAPB-Boc COF：
   - 将TAPB（14.1 mg, 0.04 mmol）、D-ADP-Boc（28.4 mg, 0.06 mmol）和乙腈（ACN, 5 mL）在10 mL小瓶中超声5分钟，然后加入12 M乙酸溶液（50 μL）。
   - 混合物混合10秒后，45°C下放置3天。
   - 通过过滤收集形成的沉淀，依次用无水四氢呋喃（THF）和甲醇（MeOH）洗涤，真空干燥得到D-ADP-TAPB-Boc COF黄色固体（32.0 mg, 90%产率）。
3. 合成D-ADP-TAPB COF：
   - 将D-ADP-TAPB-Boc COF（30.0 mg）和4 M盐酸/1,4-二氧六环（1.0 mL）加入10 mL小瓶中，室温下搅拌2小时。
   - 过滤，用THF、含2%三乙胺的甲醇、水、THF和乙醚依次洗涤。
   - 用无水THF进行索式提取24小时，60°C真空干燥得到D-ADP-TAPB COF淡黄色粉末（25.6 mg, 80%产率）。
4. 不对称催化实验：
   - 将D-ADP-TAPB COF（0.03 mmol）、醛（0.1 mmol）和添加剂（0.03 mmol）加入微波管中，然后加入1.0 mL水和0.3 mL环己酮。
   - 室温下搅拌3天，反应完成后（通过薄层色谱（TLC）监测），通过离心分离催化剂，并用DCM洗涤三次。
   - 蒸发有机相得到粗产物，通过硅胶柱色谱（PE/EtOAc = 4/1）纯化得到相应的醛醇产物。

分析测试：
1. 粉末X射线衍射（PXRD）：
   - D-ADP-TAPB-Boc COF和D-ADP-TAPB COF的PXRD图谱显示在2.05°处有明显的衍射峰，对应于(100)晶面反射。
2. 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）：
   - 两个COF的FT-IR光谱显示出明显的氨基（3200−3500 cm⁻¹）和醛基（1700 cm⁻¹）振动减弱，以及特征的亚胺（C=N）伸缩带在∼1624 cm⁻¹。
3. 热重分析（TGA）：
   - 两个COF在氮气下热稳定性高达375°C，D-ADP-TAPB-Boc COF在190-280°C之间有额外的重量损失（∼14.7%）。
4. 扫描电子显微镜（SEM）：
   - D-ADP-TAPB-Boc COF呈现均匀球形，平均直径约为2.51 μm。
5. 透射电子显微镜（TEM）：
   - D-ADP-TAPB COF显示多层结构，层间距约为0.41 nm。
6. 氮气吸附-脱附等温线：
   - D-ADP-TAPB-Boc COF的BET表面积为68 m²/g，D-ADP-TAPB COF为37 m²/g。
7. 非局部密度泛函理论（NLDFT）计算：
   - D-ADP-TAPB-Boc COF和D-ADP-TAPB COF的孔径分布分别为3.49和3.54 nm。
8. 圆二色光谱（CD）：
   - 两个COF均显示出负的Cotton效应，主要集中于403 nm左右，表明其手性。
9. 不对称催化性能测试：
   - 在纯水相中，D-ADP-TAPB COF催化的不对称醛醇反应产率高达90%，对映体过量（ee）值高达85%。

总结
本文成功开发了一种新型的伯胺功能化手性COF催化剂D-ADP-TAPB，该催化剂在水相中实现了高效率和高对映选择性的不对称醛醇反应。这一成果不仅为设计新型手性COFs提供了新的方法，而且为开发绿色和水基的对映选择性催化开辟了新的途径。

展望
本文的成果对于绿色化学和可持续化学合成具有重要意义。未来的研究可以进一步探索D-ADP-TAPB COF在其他类型的不对称反应中的应用，以及其在工业生产中的潜在应用。此外，还可以研究如何进一步提高催化剂的稳定性和回收性，以及探索其他手性氨基酸衍生的COF催化剂的开发。

Primary Amine-Functionalized Chiral Covalent Organic Framework Enables High-Efficiency Asymmetric Catalysis in Water
文章作者：Junyi Li, Kai Zhang, Xihao Tang, Xi Yang, Hong Chen, Shengrun Zheng, Jun Fan, Mubiao Xie, Weiguang Zhang, Xinle Li,* and Songliang Cai*
DOI：10.1021/acsami.4c14161
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c14161

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