基于多孔有机笼的金属-酶双功能催化剂的制备及其催化不对称串联反应研究

Asymmetric cascade reaction which catalyzed by metal catalysts and enzymes is an effective way to synthesize chiral compounds. However, the antagonism between metal catalysts and enzymes makes it challenging for both of them to participate in the same system. Based on the special structure and performance of organic cages and its wide application prospect in heterogeneous catalysts, this project intends to develop the preparation method of metal-enzyme bifunctional catalyst with aldehyded organic cage as cross-linking agent. Using organic cage as compartments, metal nanoparticles in organic cage and enzyme outside organic cage can achieve reasonable compatibility of them. And apply the bifunctional catalysts to heterogeneous asymmetric cascade reactions. We will study the effects of preparation conditions on the composition, structure and performance of the catalysts, investigate the feasibility of the dynamic kinetic resolution reaction and the efficiency of the catalyst reusage, and synthesize optical chiral amine by the asymmetric cascade reaction. The implementation of this project can provide theoretical basis and technical support for the preparation of other metal-enzyme bifunctional catalysts and their application in cascade reaction.

金属催化剂和酶协同催化的不对称串联反应是合成手性化合物的有效途径，然而金属催化剂和酶之间的拮抗作用使得两者共同参与同一体系颇具挑战性。基于有机笼特殊的结构特点和在非均相催化剂中的广泛应用前景，本项目拟发展以醛基化有机笼为交联剂的金属-酶双功能催化剂的制备方法，以有机笼为隔室，金属纳米粒子在有机笼内，酶在有机笼外，实现两者合理兼容，并将双功能催化剂用于非均相不对称串联反应。研究制备条件对催化剂组成、结构及性能的影响，考察双功能催化剂催化动态动力学拆分反应的可行性及循环使用效率，通过不对称串联反应合成光学纯的手性胺。本项目的实施可为其它金属-酶双功能催化剂的制备及其在串联反应中的应用提供理论基础和技术支持。

手性胺类化合物在药物、精细化学品、手性助剂等领域具有重要的工业应用价值，金属催化剂与酶协同催化的不对称串联反应是合成手性胺的重要手段之一。然而，催化剂通常存在稳定性差、回收困难以及金属与酶兼容性差等问题，限制了这一策略的发展和应用。.本项目发展了以醛基化有机笼为交联剂的金属-酶双功能催化剂的制备方法，以有机笼为隔室，金属纳米粒子在有机笼内，酶在有机笼外，避免两者直接接触，提高了催化活性，并将双功能催化剂用于不对称串联反应合成手性胺。具体而言：（1）合成了一系列孔径大小不一的多孔有机笼，将金属前体封装在有机笼孔腔内，用硼氢化钠将其还原为金属纳米粒子（MNPs），所得MNPs高度分散且粒径均一（1.8nm），MNPs的小粒径及与有机笼的强相互作用提高了其催化活性和稳定性；（2）固定有MNPs的有机笼与丙烯醛通过迈克尔加成反应，进行醛基化修饰，并与酶交联制备出了金属-酶双功能催化剂，最大酶负载量能达到56 mg/g。集成纳米催化剂显著提高了酶的热稳定性、酸碱稳定性与储藏稳定性；（3）金属-酶集成催化剂在有机溶剂中具有一定的溶解性，可实现半均相催化，在手性胺的动态动力学拆分反应中表现出优秀的催化效果，60℃条件下反应4h，能以94%的收率和96%ee的对映选择性得到目标产物，且重复使用5次后依旧能保持70%的催化活性。研究成果可用于其它金属-酶双功能催化剂的制备，还可为手性胺、手性醇及其它高附加值产品的合成奠定理论基础，具有较强的理论研究意义和实用价值。