碳纳米管的比表面积有多大，搞不定水中的不对称催化

本文来自X-MOLNews‍‍‍‍

大多数有机化合物在水中溶解度较差，加上部分试剂对水不稳定，反应在水中很难实现。因此，大部分合成有机化学依赖于有机溶剂作为反应介质，尽管这可能带来安全、环境等方面的问题。上世纪九十年代，人们利用表面活性剂聚集形成的胶束与Lewis酸催化剂结合，形成Lewis酸-表面活性剂组合催化剂（Lewis acid–surfactant-combined catalysts, LASCs）来解决以上问题。Lewis酸性的阳离子周围可以形成分散的亲脂环境，由此捕获、富集疏水小分子。基于氢键相互作用、溶剂化和疏水相互作用，使用水作为溶剂有时甚至可以获得比有机溶剂更加理想的立体控制环境。然而，金属络合物催化剂同样难溶于水，水还可能影响催化剂与底物之间的作用，进而影响立体选择性的控制。近日，日本东京大学的小林修（Shū Kobayashi）教授等人别出心裁，将表面活性剂和镍（Ni）基手性Lewis酸结合形成LASCs，基于范德华力进一步将其负载在单壁碳纳米管（single-walled carbon nanotubes, SWNTs）上。该催化剂不仅能在水中均匀分散，还能保持稳定，实现醛肟的不对称共轭加成，由此高选择性和高产率地合成手性硝酮。相关工作发表在Science 上。

图1. 选择性地合成肟醚或者硝酮的机理以及催化剂的结构图和倒置显微镜表征结果。图片来源：Science

图2. 小林修教授（第一排中间，黑色上衣者）研究团队。图片来源：University of Tokyo

选择性地合成手性分子一直是有机合成领域研究者关注的重点。手性的硝酮是药物合成中重要的中间体，而醛肟类化合物可作为制备肟醚或硝酮理想的亲核试剂（图1A），该类化合物中羟基上氧原子的电子密度高于sp²杂化的氮原子，与salen配位的铝试剂或者亚铵类催化剂作用时氧原子优先参与O-共轭加成反应，得到产物肟醚；而如果反应中有软Lewis酸（如Zn² 、Cd² ）时，则能促进氮原子优先参与反应得到硝酮。

SWNTs具有独特的力学和电学特性，其疏水表面大、导电性好，在储能材料、传感器和催化化学等领域具有广泛的应用。作者设想Lewis酸能与具有大疏水表面的SWNTs结合实现有机分子（反应物与配体）的捕获与富集，与此同时，其庞大的π共轭网络结构还可调控金属中心的电子特性。通过物理吸附作用及适当的化学改性，SWNTs目前已用作零价金属簇、纳米粒子以及金属氧化物等良好的载体。但是它在大多数溶剂中都几乎不溶，这也限制了SWNTs的应用。利用阴离子表面活性剂如十二烷基硫酸钠（sodium dodecylsulfate，SDS）、多环芳香族化合物生物大分子等修饰SWNTs可以提高其在水中的分散性。

作者认为，SWNTs与十二烷基硫酸钠的脂肪链之间存在很强的范德华作用力，可将Lewis酸阳离子中心修饰在SWNTs表面，与此同时不会对胶束结构造成明显影响，而在超声波的辅助下，SWNTs与LASCs可以更均匀地分散在体系中。作者选择第一排过渡金属的LASC-SWNT纳米复合物的均匀分散体系作为催化剂，考察对苯甲醛肟（1a）与壬-3-烯-2-酮（2a）的不对称共轭加成反应的催化效果。反应以2,2'-联吡啶类分子L作为手性配体，由结果可知，V、Fe、Cu、Zn等LASC-SWNT纳米复合物均不能有效催化该反应，而使用Ni(DS)₂-SWNTs催化剂（图3，entry 4，DS = 十二烷基硫酸根）参与反应时结果最好。如果失去了SWNTs负载，Ni(DS)₂催化体系的产率和选择性都会极大地降低（图4，entry 2）。Ni(II)的交换速率常数（WERC）较小，Lewis酸性较差，除此之外，Ni(II)水合离子的稳定性较差，Ni(DS)₂的水溶液静置可缓慢水解形成沉淀。作者还通过倒置显微镜发现（图1C），当不加入SWNTs时，Ni(DS)₂形成的胶束尺寸在~10 nm到~1 mm，加入SWNTs之后，Ni(DS)₂-SWNTs复合物的尺寸处于纳米级别，即使放置24 h也无明显变化，30天胶束也不会发生明显聚集。而如果没有预先制备并分离Ni(DS)₂，仅进行简单的反应物混合，即使清除体系中多余的NaCl、AgCl盐，Ni(DS)₂-SWNTs复合物的催化效果也无法有效体现（图4，entry 3-6）。由此证明Ni(DS)₂与SWNT表面紧密结合，通过电子耦合作用增强其催化活性，由此提高了反应的产率与选择性。

图3. 对比部分第一排过渡金属的LASC-SWNT纳米复合物催化制备手性硝酮的情况（L=2,2'-联吡啶类配体）。图片来源：Science

图4. 合成手性硝酮反应条件的优化。图片来源：Science

作者还对其他π共轭材料进行考察（图4），可能是由于其电子特性的差异，双壁碳纳米管（DWNTs）和多壁碳纳米管（MWNTs）与Ni(DS)₂复合后反应的产率和选择性均不能让人满意。对于富勒烯和石墨烯纳米片，富勒烯呈球状，不利于Ni(DS)₂的固定，而石墨烯纳米片是二维材料，容易聚集，效果也不理想。作者还对比了不同溶剂条件下Ni(DS)₂-SWNTs的催化情况，证明只有以水作为溶剂结果最好。这一差异也可通过扫描透射电子显微镜（STEM）的观察结果来说明，Ni(DS)₂-SWNTs在水中可充分分散、舒展。能量色散谱（EDS）表明Ni(DS)₂沿着SWNTs呈单线分布，也在一定程度上说明Ni(DS)₂紧密地吸附在SWNTs表面（图5A）。

作者认为Ni(DS)₂在SWNTs表面吸附饱和之后，剩余的Ni(DS)₂会在溶液中形成胶束（图5B），由此形成有效的纳米管-纳米管排斥作用，吸附的Ni(DS)₂与其他Ni(DS)₂处于平衡状态，核磁共振（NMR）表征发现不同状态之间交换的速率很慢（图5C）。SWNTs表面积大，为吸附的Ni(DS)₂附近提供足够的空间与疏水底物分子及配体结合。作者还利用动态光散射（DLS）分析Ni(DS)₂-SWNTs的组成，其结果与长的刚性棒状表现出的平移和旋转扩散系数一致。此外，NMR分析表明Ni(DS)₂与SWNTs结合的T₂弛豫时间较短。

另外，作者还利用紫外/可见/近红外光谱（UV/vis/NIR）、拉曼光谱和光致发光激发（PLE）等手段对Ni(DS)₂-SWNTs进行了表征（图5）。关于SWNTs与Ni² 之间的电子相互作用，作者从以下几点进行了说明：（1）拉曼光谱分析发现存在SWNTs时SO_n振动峰发生红移，这是因为SWNTs增加了Ni² 的电子云密度（图5E）；（2）UV/vis/NIR结果表明加入SWNTs之后2,2'-联吡啶与Ni² 之间的作用力加强，应该是因为SWNTs与Ni² 轨道重叠的结果；（3）加入SWNTs之后，计算得出SWNT-Ni² -2,2'-联吡啶复合物的拉卡参量（Racah parameter）比Ni² -2,2'-联吡啶复合物的小约80 cm^-1，这是因为Ni² 的d轨道与SWNTs的π轨道作用发生离域。除此之外，作者还进行了其他相关的表征，充分说明了SWNTs与Ni² 之间的电子相互作用。SWNTs引起的电子云扩散效应使2,2'-联吡啶π→π*跃迁的吸收峰发生红移，由此为提高Ni² -2,2'-联吡啶的催化性能提供了理论依据。

图5. Ni(DS)₂-SWNTs的表征和该催化剂在水中催化制备手性硝酮的分析结果。图片来源：Science

最后，在最佳条件下作者对合成手性硝酮的底物适用范围进行了考察，不同芳香族及脂肪族取代基修饰的非环或环状α,β-不饱和酮类底物均可以高对映选择性得到手性硝酮产物。脂肪族醛肟及亲电性较低的α,β-不饱和酯也可顺利地参与反应（图6）。

图6. 利用Ni(DS)₂-SWNTs在水中催化合成不同的手性硝酮分子。图片来源：Science

——总结——

东京大学的小林修教授团队将SWNTs与LASCs结合，实现了在水中高对映选择性催化合成手性硝酮。该工作进一步拓展了SWNTs在催化化学领域的应用，为实现绿色环保制备手性分子打开了新的局面。美中不足之处在于，文章中作者提到虽然SWNTs负载的催化剂性质相对稳定，变化缓慢，但是在一个月之后还是会出现聚集，而聚集体的催化活性和选择性就会大幅降低，不利于该类催化材料的实际应用，这或许为未来相关领域的研究者提供了改进的空间。

原文

Chiral Lewis acids integrated with single-walled carbon nanotubes for asymmetric catalysis in water

Science, 2018, 362, 311, DOI: 10.1126/science.aap7883

导师介绍

Shū Kobayashi

http://www.x-mol.com/university/faculty/4246