首个小分子有机催化振荡体系

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首个小分子有机催化振荡体系  第1张

虽然原理很简单(碘钟反应),但这类效果炸裂、气氛拉满、操作又很方便的实验,特别适合在各种化学科普活动中当众演示,说不定就能点燃一些小观众内心对化学的热爱。

碘钟反应是一类典型的化学振荡体系(oscillating chemical system),反应过程并不趋向稳定,反应物、中间体或产物浓度随时间发生周期性的规则变化,类似钟摆的振荡。在自然界中,许多重要的生命过程,如代谢、细胞分裂、心脏跳动、昼夜节律,都受到振荡体系调控。不过遗憾的是,到目前为止非生物的化学振荡反应除了计时之外,很少能见到实际用途。几乎所有已知的合成振荡反应都是基于氧化还原化学,除了少数一些基于生物分子、有机小分子或超分子的反应之外。在这些振荡体系中,只有Belousov-Zhabotinsky反应(BZ反应)被用来控制另一个反应,但其产物受到振荡体系成分的严重影响。如果化学振荡体系在计时能力之外,能够周期性地驱动另一种功能,那么它们的应用范围将得到极大拓展。然而,这并不容易实现,振荡体系的成分如果参与第二种功能,就会很有可能影响其原本的计时能力。

近日,荷兰格罗宁根大学Syuzanna R. Harutyunyan拉德堡德大学Wilhelm T. S. Huck等研究者报道了一种基于小分子的有机催化振荡体系,可原位催化独立的化学反应而不损害其振荡性质(下图)。基于胺催化原理,利用自催化的Fmoc脱保护反应和胺的乙酰化反应,在开放的流动体系中,催化活性产物的浓度持续振荡,而催化反应只有在其浓度达到峰值时才会加速进行。这种具有周期性催化作用的化学振荡体系可用于构建复杂系统,在未来可能应用于自动化合成、聚合化学以及周期性药物递送等。相关论文近日发表于Nature 杂志。

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有机催化振荡体系的设计

这种有机催化振荡体系的设计遵循化学振荡体系的基本原则:正、负反馈回路的组合导致交替的生长和衰减阶段,从而产生振荡。正反馈回路,作者选定了自催化Fmoc脱保护反应,并选择哌啶(1)作为被Fmoc保护的胺。哌啶是一种常用的有机催化剂,而且其碱性足以催化Fmoc脱保护反应,如此使得Fmoc-哌啶(2)的脱保护可实现自催化,从而提供正反馈回路。负反馈回路包括一快一慢两个抑制反应。哌啶与乙酸苯酯类化合物反应发生乙酰化,使得哌啶以N-乙酰哌啶(7)的形式被去除,从而抑制其参与的自催化途径。通过改变乙酸苯酯类化合物苯环上的取代基,可以很容易地调节哌啶乙酰化的速率——对硝基苯乙酸酯(3)作为快速抑制剂可形成一个滞后期,直到它被消耗完毕,然后哌啶的自催化生长占据主要地位;乙酸苯酯(4)作为慢速抑制剂可在自催化结束后将哌啶的浓度恢复到初始状态。1之外的碱——N-甲基哌啶(5)作为触发剂催化2的脱保护作为触发反应,持续以低速率产生自催化剂,从而启动自催化反应。也就是说,这种有机催化振荡体系中包括五个反应(上图):自催化的2脱保护(蓝色)、5催化2的脱保护(触发,橙色)、3参与的哌啶乙酰化(快速抑制,红色)、4参与的哌啶乙酰化(慢速抑制,紫色)、哌啶催化反应物A和B之间的化学反应产生产物P(绿色)。

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单脉冲实验及实验数据与模型数据的比较

作者首先验证了他们的设计是否可以产生单脉冲,即,指数性增长然后衰减回基线的单个循环。经过初步优化,他们得到以下条件:在DMSO-d6中,100 mM Fmoc-哌啶(2),5 mM对硝基苯乙酸酯(3)、1 M乙酸苯酯(4)和5 mM N-甲基哌啶(5)。Fmoc脱保护是一个两步过程,首先2去质子化生成DBF(6)和氨基甲酸,然后再脱羧生成1。在2的转化过程中观察到滞后阶段(上图b,phase I),表明此时3的乙酰化速率足够高,可以抑制自催化回路。观察到的抑制反应产物N-乙酰哌啶(7)和Fmoc残留物(6)也支持了这一点,它们的浓度迅速增加,而1的浓度仍可忽略不计。一旦快速抑制剂3全部被消耗(上图b, phase II),随着自催化脱保护反应的加速,2的浓度急剧下降,1的浓度呈指数级上升。当2大部分消耗时,4参与的慢速抑制反应效果开始占主导地位(上图b, phase III),消耗1并完成哌啶浓度的单个脉冲。作者还将测量的单个组分浓度与模型预测值进行了比较,二者能很好地吻合(上图c)。以上结果表明,在非平衡状态下,将单个脉冲转换成一系列振荡是可能的。

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CSTR中在流动、非平衡条件下的持续振荡

随后,作者使用连续搅拌釜式反应器(CSTR)构建了一个开放的流动体系,所有这些反应都发生在该反应器中,试剂2-5不断流入,反应混合物不断流出。这种振荡可以是持续的(振幅恒定),也可以是衰减的(振幅随时间而减少,直到达到稳定状态)。脉冲系统的模型被用于评估各种实验条件的影响,以预测在连续流动下哪些初始浓度的组合会产生持续的振荡(上图a-b)。基于预测结果,作者设置了一组条件:2的浓度0.1 M、4的浓度1.8 M。与预测一致,该体系在Fmoc-哌啶浓度产生了持续振荡,振荡周期为2.4 ± 0.1 h,振幅为0.29 ± 0.02;同时,67的浓度中也观察到反相振荡(上图c)。为了研究核心成分浓度的影响,作者选择改变24的浓度。将2的浓度从100 mM减少到80 mM,导致周期增加到4.3 ± 0.1 h(上图d),这也与预期一致——较慢的触发反应延缓了自催化的开始。将2的浓度增加到120 mM,导致振荡受到抑制(上图e)。将4的浓度从1.8 M降低到1.4 M,对振荡的影响很小(上图f),但进一步降低到1.0 M,在一次脉冲后就会达到稳定状态(上图g)。将4的浓度增加到2.2 M(上图h),周期(3.6 ± 0.2 h)和振幅(0.38 ± 0.02)都显著增加,这与模型预测的周期在4的浓度变化后将保持不变并不一致(上图b)。这种不一致表明,该模型还不能精确地涵盖所有的影响因素,例如溶剂极性对反应速率的影响。这些结果不仅证明了有机催化振荡体系的稳定性——在广泛的条件下可以获得持续的振荡,而且还证明了振荡性质(周期和振幅)可以通过改变核心成分浓度来调节。

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有机催化振荡体系控制的Knoevenagel缩合

在验证该振荡体系的振荡性质之后,作者开始关注催化是否可以作为该振荡体系的第二功能。他们选择了哌啶(1)催化的水杨醛(8)和丙二酸二甲酯(9)之间的Knoevenagel缩合反应(上图)。反应产物——香豆素衍生物10只有在溶液中1的浓度足够高时才能形成,所以,10的浓度与催化剂1的浓度同步振荡。实验表明,在与6810相关的吸收带中观察到稳定的振荡,周期为2.2 ± 0.2 h。这一周期与没有哌啶催化Knoevenagel缩合的情况下得到的体系振荡周期相符(实验误差范围内),证明了该振荡体系可以与催化反应耦合,而不会显着改变振荡体系本身的核心性质。此外,温度依赖实验表明,该振荡体系能耐受短期温度变化。

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振荡增强的化学选择性

作者认为,该有机催化振荡体系有潜力在更广泛的化学反应网络中执行各种功能,例如,催化脉冲可用于提高化学转化的选择性。作为概念验证,他们进行了水杨醛(8)和对羟基苯甲醛(15)与9缩合反应的竞争实验(上图)。在批次反应中,单次脉冲存在条件下可以获得选择性,而没有脉冲则无选择性。在单次脉冲中,8被完全转化,而15只有10%的转化率,然后保持不变。在没有脉冲的情况下,8被完全转化,之后15继续反应,60分钟后达到50%的转化率。随后,他们用有机催化振荡体系进行了竞争实验(上图)。8的平均转化率为56%,峰值为97%,而1516的转化率可以忽略不计,平均低于1%。接下来,作者去除慢速抑制剂4并将稳态1的浓度调整为与峰值1浓度相同,即22 mM,进行无振荡的控制实验(上图b)。在没有振荡的情况下,8几乎完全转化,而15在转化率升至18%时达到稳定状态。也就是说,振荡将平均选择性提高了一个数量级。

除了提高化学反应的选择性,作者认为这种有机催化振荡体系还有多种潜在应用前景,比如,模拟生物合成进行自主时间控制的周期合成、聚合物可控合成、可控药物递送等等。“我们已经证明,可以用几乎每个有机化学实验室都有的、非常简单的分子创建一个结合振荡和催化的复杂体系,”Harutyunyan教授总结道,这带来了各种可能性,“像这样的体系从未被人报道过,所以我们期待着许多新的发展,可能还有很多我们也没想到过的潜在应用。”[1]

A catalytically active oscillator made from small organic molecules

Matthijs ter Harmsel, Oliver R. Maguire, Sofiya A. Runikhina, Albert S. Y. Wong, Wilhelm T. S. Huck & Syuzanna R. Harutyunyan 

Nature, 2023, 621, 87–93, DOI: 10.1038/s41586-023-06310-2


参考资料:

1. The first organic oscillator that makes catalysis swing

https://www.rug.nl/sciencelinx/nieuws/2023/09/the-first-organic-oscillator-that-makes-catalysis-swing?lang=en 

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