MOF限域空间催化-晶体工程助力锁定催化位点

▲第一作者：周国军；通讯作者：曹睿，王博

通讯单位：陕西师范大学，北京理工大学

论文DOI：10.1021/jacs.0c07257

近日，陕西师范大学曹睿课题组和北京理工大学王博课题组利用具有限域通道和通道内吡啶基团的基于钴卟啉的MOF KLASCC-1，实现了原甲酸酯在碱性条件下的催化水解反应，并利用不同pH值下催化活性研究和晶体工程方法确定了限域通道和通道中的吡啶基团均对催化水解反应起到不可或缺的作用。

生物体内的酶，可以通过限域空间内特殊的静电作用和疏水/亲水特性，以及靠近反应中心的腔内残基，在接近中性的环境中催化水解多种原本没有反应活性的底物，如：核苷酸，磷脂，蛋白质，和纤维素等。为了模拟酶在限域空间中的催化反应，人们开发了多种具有限域空间的分子和材料，例如配位笼，多孔纳米颗粒，分子筛，和金属有机框架（MOF）等。然而，对其结构修饰以引入腔内功能残基，仍是挑战。

原甲酸酯的完全水解分为两步：第一步是，酸进攻酯基生成一当量甲酸甲酯和二当量醇；第二步是，甲酸酯在氢氧根的作用下进一步水解生成一当量甲酸根离子和一当量醇。不同pH条件下KLASCC-1的催化活性研究结果如下：在pH≥9.0时，底物没有发生水解；在pH = 8.3时，底物完全水解，生成甲酸根离子和醇；pH在7.0-8.3之间时，底物完全水解，生成甲酸酯，甲酸根离子，和醇；在pH = 7.0时，底物完全水解，生成甲酸酯和醇。KLASCC-1的催化活性在pH 9左右发生突变，接近于吡啶的pK_b 8.7，因此，在碱性条件下，第一步酸催化的活性中心很可能是质子化的吡啶基团，而第二步甲酸甲酯的水解并不是发生在限域通道内，而是扩散到本体溶液中发生的。

为了验证以上两个推论，作者通过配体设计，制备了与KLASCC-1具有类似框架结构但通道内不含吡啶基团的KLASCC-2。相同碱性和中性条件下，KLASCC-2均没有催化活性，证明了第一步酸催化的催化位点为质子化的吡啶基团。而甲酸甲酯的水解实验表明，pH 7时，甲酸甲酯稳定存在，pH 8.3时甲酸甲酯完全水解，从侧面证明了甲酸甲酯扩散到本体溶液中进一步水解的可能性。

此外，作者以钴卟啉为构筑单元构筑了两例对比样KLASCC-3和KLASCC-4。这两个化合物分别由链状和平面结构密堆积而成，因此均不具有限域通道，只有开放的吡啶基团。在同样的条件下（pH 8.3）其催化催化原甲酸酯的转化率 < 10%。而异相催化剂的催化活性的影响因素众多，为了排除晶体尺寸不，比表面积，和孔道大小对催化活性的影响，作者还利用均相的吡啶作为催化剂进行原甲酸酯的水解反应。结果表明，吡啶没有催化活性，充分证明了限域通道对原甲酸酯的水解同样起到重要作用。此外，包裹一系列底物分子的KLASCC-1的X射线结构进一步证实了这些通道对于调节原甲酸酯水解底物尺寸选择性的关键作用。