王英/周宏才团队：MOF催化实现目前最高选择性的青蒿素半合成！
第一作者：冯亮、王英
通讯作者：王英、周宏才
通讯单位：天津师范大学、德克萨斯A&M大学 (美国)
研究亮点：
1. 首次合成了光/酸双功能MOF介孔催化剂用于药物合成。
2. 该多孔催化剂通过多位点的调控实现了目前最高选择性的青蒿素半合成。与传统的均相催化剂相比，它显示出增强的稳定性，可以有效地再循环，以及具有更高的产物选择性。
青蒿素的应用意义
由原生动物寄生虫恶性疟原虫（Plasmodium falciparum）引起的疟疾一直是全球主要的健康问题. 2016年，估计有2.16亿疟疾病例，至少445,000例死亡。根据2017年世界疟疾报告，自2010年以来已有超过190亿美元的研究资金用于消除和预防疟疾。世界卫生组织推荐使用青蒿素为基础的联合疗法（ACTs）作为一线药物。事实上，倍半萜内过氧化物青蒿素是目前治疗疟疾最有效的方法。
青蒿素合成的现状及挑战
青蒿素可以从青蒿（Artemisia annua）中提取，青蒿素含有约1％的青蒿素。然而，植物供应不稳定，导致植物来源的青蒿素的供应不足和价格波动。合成化学家已经开发了多种途径来实现青蒿素的全合成。然而，这些方法通常过于复杂且昂贵，不能产生大量的青蒿素。
降低成本的有效替代方法是通过生物合成前体青蒿酸的半合成，青蒿酸可以通过光化学过程有效地转化为青蒿素。这种转化涉及通过1O2烯反应形成的过氧化物中间体，然后是酸诱导的Hock裂解和环化级联。然而，这些先前报道的催化剂仅限于无孔固相催化剂，这限制了活性位点的暴露，并且对反应底物的扩散也有诸多限制。无孔催化剂的这一特征阻碍了反应物的扩散，从而限制了活性位点可及性和催化活性。此外，表面催化剂的反应环境的精确可调性受到限制，这妨碍了催化剂的进一步合理优化。
多孔催化剂用于制备青蒿素
具有定制孔环境的多孔催化剂在多相催化中是非常需要的，因为它们的孔径和官能化具有高度的可调性。在多孔催化剂中，金属有机骨架（MOF）以其可设计的拓扑结构，可调节的孔隙率而闻名。为了设计特定的MOF催化剂用于青蒿素的酸催化和光催化制备，应考虑三个先决条件：1）MOF应在连接体或簇上含有布朗斯台德酸位点框架; 2）MOF在酸性环境中应当稳定; 3）MOF应该包含高效光敏剂用于产生单线态氧，例如卟啉单元。
成果简介
有鉴于此，美国德克萨斯A&M大学周宏才教授团队合理地设计了一系列MOF催化剂PCN-22X-SO4（X = 2,3和4）。利用Zr基MOF的缺陷性质，布朗斯台德酸位点首次被锚定在卟啉MOF的配位不饱和位点上，这进一步允许在酸性孔道内有效串联半合成青蒿素。通过用硫酸水溶液处理酸稳定的锆卟啉MOF-PCN-22X，得到硫酸盐类似物PCN-22X-SO4，并研究了其在青蒿素光化学合成中的活性和可再循环性。
图1. 装载有布朗斯台德酸位点的卟啉金属-有机框架用于青蒿素的高效串联半合成。
要点1：关联酸稳定性与簇连接数之间的关系
图2.金属卟啉框架PCN-224, PCN-222,PCN-223的酸稳定性以及其酸负载量。
要点2：具备介孔的双功能固体酸/光催化剂PCN-222-SO4
图3.金属卟啉框架PCN-222的硫酸化与布朗斯台德酸位点负载。
要点3：在介孔内调控青蒿素级联合成的动力学
图4.利用装载有布朗斯台德酸位点的卟啉金属-有机框架催化青蒿素半合成的反应机理。
要点4. 硫酸化PCN-222(Ni)-SO4的高效高选择性异相催化
表1：硫酸化PCN-222面向青蒿素半合成的催化性能
小结
总之，周宏才教授团队将布朗斯台德酸位点成功安装到一系列卟啉金属-有机骨架（MOF）中，这些骨架具有大孔道，可定制得孔环境。因此，所得的双功能固体酸/光催化剂可用于青蒿素的串联半合成，并表现出高效的催化性能。
值得注意的是，这种双功能化纳米反应器是目前报道的青蒿素半合成最高选择性的异相催化剂。与传统的均相催化剂相比，它显示出增强的稳定性，可以有效地再循环，以及具有更高的产物选择性。这项结果突出了多级分层多孔MOF催化剂的优势，其具有定制的功能和协同作用，作为可回收的非均相催化剂，为药物生产提供更有效和可回收的方法。
参考文献：
Liang Feng, Ying Wang*, Shuai Yuan, Kun-Yu Wang, Jia-Luo Li, Gregory S. Day, Di Qiu, Lin Cheng, Wen-Miao Chen, Sherzod T. Madrahimov and Hong-Cai Zhou*. Porphyrinic Metal-Organic Frameworks Installed with Brønsted Acid Sites for Efficient Tandem Semisynthesis of Artemisinin. ACS Catalysis, 2019.
DOI: 10.1021/acscatal.8b04960
https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acscatal.8b04960
作者简介：
周宏才教授 2000年获美国德克萨斯A&M大学化学博士学位，师从美国科学院院士、中国科学院外籍院士F. A.Cotton教授。随后跟随哈佛大学美国科学院院士R. H. Holm教授从事博士后研究。2002年受聘迈阿密大学, 2008年在美国德克萨斯A&M大学任正教授，2015起担任Welch Foundation首席化学家。现任美国德克萨斯A&M电化学与氢气研究中心主任和能源机构交叉学科学术委员会主席。于2013年起任无机化学期刊Inorganic Chemistry副主编。
周宏才教授的研究主要集中在MOFs的设计、合成及其在气体吸附、分离和催化等领域的应用，迄今已发表论文280余篇，其中有150余篇论文发表在Nature系列期刊 (Nature Chemistry, Nature Communication), CellPress 系列期刊（Chem, Joule, Matter），JACS（美国化学会志）和Angew. Chem. Int. Ed.（德国应用化学）等国际著名学术期刊上。2014-2018年连续五年被汤姆森路透（Thomson Reuters）评为高被引学者；H因子86，文章被引用38000余次。
于2016年当选美国化学会会士，英国皇家化学会会士和美国科学促进会会士。获得了美国自然科学基金CAREER奖，Cottrell学者奖，杰出青年研究人员奖(DOE Hydrogen Program Special Recognition Award as part of the Hydrogen Sorption Center of Excellence)，优秀教师奖(AirProducts Faculty Excellence Award)和杰出研究成果奖(The Association of Former Students Distinguished Research Achievement Award)等。
课题组链接：
https://www.chem.tamu.edu/rgroup/zhou/
多孔材料学术QQ群：529627329
纳米催化学术QQ群：256363607
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