导读：限域作用在自然界中广泛存在，其特别突出的特点是能够在温和条件中进行反应，考虑到目前催化反应中大部分需要苛刻的反应条件，从大自然中寻找答案是不二选择。事实上，在限域催化里，限域主体与限域客体之间具有十分奇妙的关系。一方面，限域主体能给客体提供相对不受干扰的反应环境，另一方面，两者之间形成的独特相互作用则可能提高相应反应的速率及选择性。
从某种角度来说，这何尝不是一种陪伴、一种守候、一种保护，又何尝不是一种相互影响、不离不弃、矢志不渝。这样看来，限域催化是不是像极了爱情？
最近，NatureChemistry和NatureNanotechnology（综述）先后上线了针对材料限域作用的文章。下文对此做出了详细解读，供读者品鉴其奥妙之处。
第一作者：HirokiTakezawa
通讯作者：HirokiTakezawa，MakotoFujita
通讯单位：东京大学
研究亮点：
1.反应物分子和MOF形成化学计量比的复合结构。
2.反应物在MOF的孔中官能团发生扭曲，实现了预活化，能实现温和条件反应。
研究背景
酰胺有机分子官能团的旋转能垒较高、具有较高的化学惰性，这是因为官能团中N原子上的孤对电子和羰基π*反键轨道之间的强共轭作用导致的。通过改变平面结构破坏这种共轭效应，酰胺分子的物理/化学性质得以改变。但是通过外力作用扭转分子中的平面结构非常困难，通过蛋白质折叠的酰胺扭曲作用是实现温和气氛中蛋白剪切、水解的关键过程。
当酰胺分子发生扭曲时，酰胺分子中N原子上的孤对电子和羰基官能团的π*轨道发生扭曲，因此更容易和亲核试剂进行反应，目前有少量关于合成扭曲的酰胺分子，但是从机理出发活化酰胺进行反应的研究并没有很多。
拟解决或者拟探索的关键问题
通过限域作用实现改善酰胺水解反应活化能。
成果简介
有鉴于此，东京大学的Takezawa,H.，Fujita,M.等报道了在自组装的笼中扭曲结构稳定的酰胺分子，通过将二级酰胺分子引入Td结构的笼中，结果显示顺式扭曲的酰胺分子比反式扭曲的酰胺分子更容易形成，通过单晶Ｘ射线衍射方法得以验证（扭曲角度达到34°），通过扭曲作用，酰胺水解反应速率得以提高。
图1.文献示意图
要点1：研究出发点和基础
使用Td结构的疏水多孔材料，该笼结构之前报道有以下反应活性：将两个线性分子正交排列，铬染料（chromicdye）的打开/闭合转移（open/closedequilibriumshift），拥挤的烯烃的亚稳态扭曲构象（ametastabletwistedconformationofanovercrowdedalkene）。笼材料上的三氮杂苯配体和π客体分子之间构造了V型三明治结构区域，反式芳基酰胺分子进入笼材料会转变为顺式结构分子，并形成准S4立体结构二聚体构建Td立体结构。
要点2：酰胺和MOF的复合结构的生成
20mM笼材料（Pd金属和三氮杂苯有机配体组成的MOF）（1a）和5倍量的酰胺分子（2a）分散在D2O溶液中，并在℃中加热1h，除去未反应的酰胺分子，使用1HNMR方法得到反应的酰胺为25%，并形成1a·(2a)2结构。反应后，溶液的颜色由淡黄色变为橘红色，说明笼和酰胺之间的电荷转移作用。
图2.反应设计scheme
图3.MOF的合成示意图
要点3：限域分子结构表征
1HNMR结果显示，笼的立体结构由Td转变为C1，同时酰胺分子以C1立体结构形成二聚体。对不同的酰胺和笼之间的作用进行表征，结果显示笼对酰胺有选择性：富电子的酰胺更容易结合到笼中，这是由于笼具有缺电子特征，富电子酰胺和笼有更好的相互作用。
X射线表征分子结构。通过单晶X射线衍射方法对笼中的2a分子结构进行表征，分析显示笼中有两种C2立体结构酰胺分子，并且两种C2立体结构分子构成C1二聚结构。酰胺产生了C-N-C-C之间的34°，30°二面角，这种π-π堆叠结构之间的电荷转移是体系颜色变化的原因。
NMR表征。π-π堆叠导致2b酰胺分子的氢原子酸性变化，顺式酰胺分子、反式酰胺分子的芳基氢化学位移为5.4~3.5ppm和8.2~5.6ppm。2c酰胺分子同样以顺式/反式（1：1）比例与笼形成1a·(2c)2结构。与之不同，2d酰胺分子以1a·2d形成复合物，并且2d分子以反式结构负载在笼中。
总之，通过调控酰胺的结构，发现能以不同立体结构结合到MOF的笼中，酰胺分子的电子结构（富电子）是与本文中MOF（缺电子型）结合的条件。调控酰胺取代基的组成和结构，能够调控分子在MOF笼中的结构。
图4.酰胺和MOF结合scheme
图5.限域扭曲酰胺结构表征
要点4：酰胺水解反应
限域酰胺的水解反应。将限域有酰胺分子的复合结构在mMNaOH的D2O中于60℃中进行水解反应，生成对应的酸和胺。对比反应结果显示，限域在笼中的产物的反应速率得以大幅度改善，水解反应有3~14倍速率的提高。
图6.限域扭曲酰胺在碱性体系中的水解反应
要点5：前期重要工作
图7.Science,,.DOI:10./science.
小结
限域作用在自然界合成中普遍存在，是实现温和条件合成的最关键的因素，限域作用最主要的作用是降低反应活化能，和调控反应的发生进程。人工合成中使用限域作用能够显著改善反应选择性反应条件。
参考文献
Takezawa,H.,etal.Enhancedreactivityoftwistedamidesinsideamolecularcage，Nat.Chem.,
DOI：10./s---y