第一作者：馮亮、王英
通訊作者：王英、周宏才
通訊單位：天津師范大學、德克薩斯A&M大學 (美國)
研究亮點：
1. 首次合成了光/酸雙功能MOF介孔催化劑用于藥物合成。
2. 該多孔催化劑通過多位點的調控實現了目前最高選擇性的青蒿素半合成。與傳統的均相催化劑相比，它顯示出增強的穩定性，可以有效地再循環，以及具有更高的產物選擇性。
青蒿素的應用意義
由原生動物寄生蟲惡性瘧原蟲（Plasmodium falciparum）引起的瘧疾一直是全球主要的健康問題. 2016年，估計有2.16億瘧疾病例，至少445,000例死亡。根據2017年世界瘧疾報告，自2010年以來已有超過190億美元的研究資金用于消除和預防瘧疾。世界衛生組織推薦使用青蒿素為基礎的聯合療法（ACTs）作為一線藥物。事實上，倍半萜內過氧化物青蒿素是目前治療瘧疾最有效的方法。
青蒿素合成的現狀及挑戰
青蒿素可以從青蒿（Artemisia annua）中提取，青蒿素含有約1％的青蒿素。然而，植物供應不穩定，導致植物來源的青蒿素的供應不足和價格波動。合成化學家已經開發了多種途徑來實現青蒿素的全合成。然而，這些方法通常過于復雜且昂貴，不能產生大量的青蒿素。
降低成本的有效替代方法是通過生物合成前體青蒿酸的半合成，青蒿酸可以通過光化學過程有效地轉化為青蒿素。這種轉化涉及通過1O2烯反應形成的過氧化物中間體，然后是酸誘導的Hock裂解和環化級聯。然而，這些先前報道的催化劑僅限于無孔固相催化劑，這限制了活性位點的暴露，并且對反應底物的擴散也有諸多限制。無孔催化劑的這一特征阻礙了反應物的擴散，從而限制了活性位點可及性和催化活性。此外，表面催化劑的反應環境的精確可調性受到限制，這妨礙了催化劑的進一步合理優化。
多孔催化劑用于制備青蒿素
具有定制孔環境的多孔催化劑在多相催化中是非常需要的，因為它們的孔徑和官能化具有高度的可調性。在多孔催化劑中，金屬有機骨架（MOF）以其可設計的拓撲結構，可調節的孔隙率而聞名。為了設計特定的MOF催化劑用于青蒿素的酸催化和光催化制備，應考慮三個先決條件：1）MOF應在連接體或簇上含有布朗斯臺德酸位點框架; 2）MOF在酸性環境中應當穩定; 3）MOF應該包含高效光敏劑用于產生單線態氧，例如卟啉單元。
成果簡介
有鑒于此，美國德克薩斯A&M大學周宏才教授團隊合理地設計了一系列MOF催化劑PCN-22X-SO4（X = 2,3和4）。利用Zr基MOF的缺陷性質，布朗斯臺德酸位點首次被錨定在卟啉MOF的配位不飽和位點上，這進一步允許在酸性孔道內有效串聯半合成青蒿素。通過用硫酸水溶液處理酸穩定的鋯卟啉MOF-PCN-22X，得到硫酸鹽類似物PCN-22X-SO4，并研究了其在青蒿素光化學合成中的活性和可再循環性。
圖1. 裝載有布朗斯臺德酸位點的卟啉金屬-有機框架用于青蒿素的高效串聯半合成。
要點1：關聯酸穩定性與簇連接數之間的關系
圖2.金屬卟啉框架PCN-224, PCN-222,PCN-223的酸穩定性以及其酸負載量。
要點2：具備介孔的雙功能固體酸/光催化劑PCN-222-SO4
圖3.金屬卟啉框架PCN-222的硫酸化與布朗斯臺德酸位點負載。
要點3：在介孔內調控青蒿素級聯合成的動力學
圖4.利用裝載有布朗斯臺德酸位點的卟啉金屬-有機框架催化青蒿素半合成的反應機理。
要點4. 硫酸化PCN-222(Ni)-SO4的高效高選擇性異相催化
表1：硫酸化PCN-222面向青蒿素半合成的催化性能
小結
總之，周宏才教授團隊將布朗斯臺德酸位點成功安裝到一系列卟啉金屬-有機骨架（MOF）中，這些骨架具有大孔道，可定制得孔環境。因此，所得的雙功能固體酸/光催化劑可用于青蒿素的串聯半合成，并表現出高效的催化性能。
值得注意的是，這種雙功能化納米反應器是目前報道的青蒿素半合成最高選擇性的異相催化劑。與傳統的均相催化劑相比，它顯示出增強的穩定性，可以有效地再循環，以及具有更高的產物選擇性。這項結果突出了多級分層多孔MOF催化劑的優勢，其具有定制的功能和協同作用，作為可回收的非均相催化劑，為藥物生產提供更有效和可回收的方法。
參考文獻：
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 Br?nsted 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
作者簡介：
周宏才教授 2000年獲美國德克薩斯A&M大學化學博士學位，師從美國科學院院士、中國科學院外籍院士F. A.Cotton教授。隨后跟隨哈佛大學美國科學院院士R. H. Holm教授從事博士后研究。2002年受聘邁阿密大學, 2008年在美國德克薩斯A&M大學任正教授，2015起擔任Welch Foundation首席化學家。現任美國德克薩斯A&M電化學與氫氣研究中心主任和能源機構交叉學科學術委員會主席。于2013年起任無機化學期刊Inorganic Chemistry副主編。
周宏才教授的研究主要集中在MOFs的設計、合成及其在氣體吸附、分離和催化等領域的應用，迄今已發表論文280余篇，其中有150余篇論文發表在Nature系列期刊 (Nature Chemistry, Nature Communication), CellPress 系列期刊（Chem, Joule, Matter），JACS（美國化學會志）和Angew. Chem. Int. Ed.（德國應用化學）等國際著名學術期刊上。2014-2018年連續五年被湯姆森路透（Thomson Reuters）評為高被引學者；H因子86，文章被引用38000余次。
于2016年當選美國化學會會士，英國皇家化學會會士和美國科學促進會會士。獲得了美國自然科學基金CAREER獎，Cottrell學者獎，杰出青年研究人員獎(DOE Hydrogen Program Special Recognition Award as part of the Hydrogen Sorption Center of Excellence)，優秀教師獎(AirProducts Faculty Excellence Award)和杰出研究成果獎(The Association of Former Students Distinguished Research Achievement Award)等。
課題組鏈接：
https://www.chem.tamu.edu/rgroup/zhou/
