第一作者：李腾

通讯作者：兰亚乾教授

通讯单位：华南师范大学化学学院

原文链接：https://doi.org/10.1039/D4CS00538D

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不对称催化是手性化合物合成中的一种重要方法，具有高效率和高选择性等优点。近年来，随着科学技术的不断进步，特别是晶态多孔材料（CPMs）作为催化剂的应用，非均相催化已成为有机合成和材料科学领域的研究热点。本文综述了近年来金属有机骨架材料（MOFs）、共价有机骨架材料（COFs）和分子筛作为不对称催化剂载体的研究进展。这些材料具有高表面积、可调孔隙率和容纳活性催化位点的能力，从而提高反应速率和选择性。本文就手性CPMs的立体结构特性进行了综述，以期为今后不对称非均相催化剂的设计和催化机理的研究提供参考。此外，本文还讨论了将催化部分整合到这些框架中的各种策略，包括直接合成、合成后修饰和诱导合成的方法。并且，本文列举了CPMs应用于不对称转化的例子，讨论了手性中心和底物之间是如何相互作用来实现高对映体选择性。文章最后展望了手性CPMs在这一快速发展的领域所面临的挑战和未来发展方向，强调需要进一步整合先进的人工智能技术和设计原理来优化手性CPMs的合成和催化性能。

背景介绍

手性是自然界中的一种普遍现象，也是生物体的一个重要特征。作为生命活动的基础，氨基酸、核苷酸、多糖、酶等生物大分子都是手性化合物，生命过程中发生的各种生化反应都与手性识别密切相关。在化学中，手性通常与以两种对映异构体存在的分子相关，这两种对映异构体互为镜像。手性分子的合成对于药物、农用化学品和精细化学品的生产至关重要，不同的对映体可以表现出非常不同的生物活性或物理性质。有许多方法可以获得单一手性化合物，其中两种主要的方法是拆分法和不对称催化法。与拆分方法相比，不对称催化不仅可以有效避免拆分方法复杂的拆分过程，而且可以高效的获得单一的手性化合物。因此，不对称催化在手性分子的合成中起着核心作用。根据催化剂在反应体系中的分布状态，不对称催化可分为两大类：均相和非均相不对称催化。均相不对称催化涉及存在于同一相中的催化剂和反应物（通常为液体），从而允许均匀分子相互作用得到高对映选择性的产物。然而，均相催化的主要缺点是反应后催化剂难以分离和回收，这会导致成本增加和环境问题。相反，非均相不对称催化，其中底物和催化剂在不同的相中，通常底物在液相或气相中，催化剂为固体。这种相分离使得催化剂的回收和再利用更加容易，从而带来经济和环境效益。然而，非均相催化通常面临催化活性和选择性方面的挑战，特别是在不对称催化中，其中必须以高精度制备所需的对映体。催化剂设计和反应条件的进步使得在许多情况下克服了这些限制。晶态多孔材料（CPMs）作为一种新兴的材料是不对称非均相的理想催化剂，如金属有机框架（MOF）、共价有机框架（COF）和沸石，在其多孔结构内提供具有手性中心的高度有序、明确限定的环境。这些材料提供了几个关键的优势，包括可调的孔径，高表面积和封装催化位点的能力，这改善了底物的扩散和催化剂的稳定性。这使得它们在不对称催化方面具有非常大的吸引力，因为其不仅非常稳定，而且能够选择性地引入手性催化位点。CPMs的结构还可以对反应底物具有限域效应，从而提高对映选择性和催化效率。因此，使用CPMs的不对称催化和非均相催化的组合代表了在可持续和高效的催化过程的发展中有前途和快速发展的领域。

自20世纪80年代发现手性沸石材料以来，手性CPMs材料因其规整的孔道、高比表面积和孔容、丰富的活性位点、热稳定性和手性微环境而受到越来越多的关注。特别是在不对称催化领域，手性CPM材料显示出巨大的应用潜力，并已成为近年来的研究热点。已经报道了一些重要的综述，这些综述集中在手性金属有机框架（CMOF）和手性共价有机框架（CCOFs）的合成和应用方面。但是，关于手性CPM的不对称催化的具体类型和手性沸石的讨论仍然缺乏。本文综述了近年来分子筛在不对称催化领域的研究进展，同时讨论了手性CPMs的设计策略、合成方法和不对称催化应用。本文重点介绍了不对称反应的成功案例，并将其与相应的手性控制单元进行了匹配，为不对称有机合成应用于未来手性晶体材料的设计提供了指导。这种催化体系的发展不仅推动了合成化学的发展，而且有望对绿色化学和连续流动化学技术的发展做出重大贡献。通过对该领域研究现状的分析，我们还指出了手性CPMs设计与合成中的主要关键问题、发展不对称非均相催化所面临的挑战，以及人工智能辅助配体设计、复合催化体系和多功能催化模式等未来的研究方向。

研究出发点

1）本文综述了近年来CMOFs、CCOFs和手性分子筛作为不对称催化剂载体的研究进展。

2）本文就手性CPMs的立体结构特性进行了综述，以期为今后不对称非均相催化剂的设计和催化机理的研究提供参考。

3）讨论了将催化部分整合到这些框架中的各种策略，包括直接合成、合成后修饰和诱导合成方法。

4）重点介绍了不对称反应的成功案例，并将其与相应的手性控制单元进行了匹配，为不对称有机合成应用于未来手性晶体材料的设计提供了指导原则。

图文解析

得益于晶态有序结构和高孔隙率，手性CPMs催化剂表现出均匀分布的催化单元和快速的传质速率，结合了手性均相和非均相催化剂的优点。在本文中，我们讨论了手性晶态多孔材料的设计、合成方法和不对称催化应用，重点是不对称非均相反应和手性控制机制。

图1 手性晶态多孔材料在不对称催化中的应用示意图

CPMs的手性通常与手性配体和空间结构有关。根据手性产生的位置，CPM中手性的来源通常可分为三类：源自结构单元本身的不对称性、引入的客体手性嵌段和空间手性构型。相应地，手性CPMs的合成方法主要分为三大类：（1）直接合成：以手性单体为构建单元合成纯手性CPMs;（2）合成后修饰（PSM）：先合成非手性CPMs，再经合成后修饰得到手性CPMs;（3）手性诱导：通过手性自拆分和手性诱导方法合成具有手性空间排列的CPMs。

图2 手性晶态多孔材料的合成方法

CCOFs的直接合成可分为非手性骨架和手性骨架两大类。具有非手性骨架的CCOFs是通过非手性有机单体与预先修饰的手性基团缩合而形成的。这种CCOF的手性性质是通过悬浮在配体上的活性手性基团来实现的，而CCOFs本身的基本骨架是非手性的。与此相反，具有手性骨架的CCOFs是由有机手性单体作为有机构建单元通过共价自组装直接连接而构建的。此类CCOFs的特征在于手性基本骨架，其允许形成独特的手性空间结构和保留周期性分布的手性孔，从而赋予独特的手性官能团。

图3 合成手性COFs的非手机骨架和手性骨架配体

具体的不对称催化反应实例如下，在2018年Cui等人合成了一种利用稳定有机基团TEMP修饰的CMOF，可以进行不对称氰化和连续醇氧化反应。作者通过共结晶非手性TEMP取代的三羧酸酯与对映体纯Salen衍生的联吡啶配体成功构建了这种MOF。该骨架具有容纳自由基的开放孔道，并表现出很高的催化性能，特别是在醛的连续氧化和氰化中，产率为75-98%，ee值为66-87%，超过了均相催化剂的活性和对映选择性。

图4 醇的连续氧化和不对称氰化反应

总结与展望

手性CPM在不对称催化中的未来可能会集中在改进配体设计上，重点是开发增强空间控制、底物选择性和催化效率的手性配体。扩大CPM可以应用的反应范围也是一个令人兴奋的方向，包括更复杂的底物和具有挑战性的转化。此外，将CPM与其他催化体系（如有机催化剂或酶模拟物）相结合，可以提供增强反应性和选择性的混合催化剂的潜力，从而提供更广泛的应用和更有效的催化过程。

随着人工智能（AI）的快速发展，人工智能驱动的手性CPM的设计和合成越来越受到关注。通过利用机器学习算法和计算模型，人工智能可以预测手性多孔材料的结构-性能关系，以设计高选择性和高效的催化剂。AI允许识别新的框架，优化孔结构，并定制手性环境，以提高催化反应中的对映选择性。此外，人工智能有助于在这些材料中整合官能团和金属中心，以创建可在各种条件下运行的多功能催化剂。

此外，在多手性中心设计、协同催化和可调性质的进步的推动下，CPM在不对称催化方面具有很大的前景。通过引入多个手性位点，CPM可以增强对映体选择性并实现复杂的催化过程，包括双功能和双位点催化。混合系统的创新，如CPM-酶或CPM-小分子催化剂，为催化的效率和稳健性提供了新的机会。调节其手性构型的刺激响应性CPM的开发在应对外部因素将进一步扩大其多功能性。

随着研究人员探索热催化、电催化和电催化的整合，CPM在不对称催化中的多样性将大大增加。通过结合这些不同的催化模式，CPM可以提供能够在广泛条件下驱动复杂不对称转化的通用、多功能系统。光催化可以利用光来激活反应，而热催化提供热驱动的转化，电催化可以实现氧化还原反应的有效电子转移。将这些催化机制结合到单一手性CPM结构中将允许提高效率、选择性和可持续性的协同效应。随着材料设计的进步，可以在这些模式之间动态切换的混合CPM的开发，由光或电压等外部刺激驱动，将为节能，高选择性和环境友好的不对称催化过程开辟新的可能性。

手性CPM可用于驱动用于非均相催化筛选的自动化连续流动系统的开发，为高通量发现和优化提供变革性方法。这些系统能够在连续流动条件下对各种催化剂进行快速实时测试，从而显著提高反应效率和生产率。通过集成自动化、人工智能驱动的优化和先进的传感技术，研究人员可以系统地筛选各种催化剂成分、流速和反应条件，同时保持高选择性和可回收性。这种方法不仅加速了特定不对称转化的最佳催化剂的鉴定，而且还使手性CPM的工业催化放大成为可能。

课题组介绍

兰亚乾教授课题组主页：http://yqlangroup.com/

原文信息

T. Li, Y.-T. Chen, X.-B. Zhang, R.-R. Du, L.-N. Ma, Y.-Q.-Lan, Asymmetric Heterogeneous Catalysis using Crystalline Porous Materials. Chem. Soc. Rev., 2025, DOI: 10.1039/D4CS00538D