超分子凝胶因其可逆性、刺激响应性及高比表面积,在催化领域被视为一类极具潜力的材料。本研究探索了基于三聚氰胺(melamine, Mel)与氨基酸的双组分超分子共熔凝胶(eutectogels)的制备,并将其作为多相催化剂应用于对硝基苯甲醛与环己酮之间的羟醛缩合反应(aldol reaction)。研究人员通过测定临界凝胶浓度(critical gelation concentration, CGC)及凝胶-溶胶转变温度(gel-sol transition temperature, Tgel)对凝胶进行了表征,并利用应变扫描与频率扫描流变学测试评估了其力学性能与自持性能。凝胶相的形貌由扫描电子显微镜(scanning electron microscopy, SEM)进行分析,共振光散射(resonance light scattering, RLS)技术用于研究凝胶化过程及聚集体尺寸。荧光行为研究表明凝胶形成由聚集增强发射(aggregation-induced emission enhancement, AEE)驱动。在羟醛缩合反应中,研究人员优化了反应时间、温度及催化剂用量。最佳条件下,反应产率达73%,非对映体比例(diastereomeric ratio, dr)为76:24(anti/syn),反式产物对映体过量值(enantiomeric excess, eeanti)达75%。产物可通过绿色溶剂乙酸乙酯的简单萃取分离,凝胶相可循环使用至少五次而不损失立体选择性。
本研究发表于《ChemSusChem》,针对当前不对称合成中立体选择性控制的需求及传统催化体系可回收性差的问题,开发了基于深共熔溶剂(deep eutectic solvents, DES)的手性双组分共熔凝胶催化体系。研究人员将三聚氰胺与氨基酸结合作为凝胶因子,在DES中构建三维纤维网络,实现羟醛缩合反应的高效立体选择性催化。结果表明,该体系兼具高催化活性、优异立体选择性和良好的循环稳定性,为可持续不对称催化提供了新策略。
关键技术方法方面,研究人员采用研磨法制备三聚氰胺/氨基酸复合凝胶因子,并在三种DES体系中完成凝胶化筛选;通过临界凝胶浓度与Tgel测定评估热稳定性;利用流变学测试表征机械性能;结合共振光散射与荧光光谱揭示凝胶化机制与聚集行为;采用扫描电子显微镜观察形貌;并通过高效液相色谱(HPLC)分析产物的立体化学结果。
结果与讨论部分,首先在凝胶化测试与表征中,研究人员发现三聚氰胺与氨基酸在DES中形成稳定的双组分共熔凝胶,CGC最低可达3 wt%,Tgel最高可达52°C,其中Mel/L-脯氨酸(2:1)体系表现出最优的热稳定性与力学性能。RLS动力学显示凝胶化一步完成,聚集速率与氨基酸侧链性质相关。荧光光谱证实凝胶形成遵循AEE机制,且复合物形成受氢键与π–π堆积共同调控。SEM结果显示,脂肪族氨基酸形成致密三维网络,芳香族氨基酸则产生圆柱形聚集体。
其次在催化活性研究中,Mel/L-脯氨酸共熔凝胶在25°C下的羟醛缩合反应产率为73%,eeanti为47%;降低至4°C并延长反应时间至24小时,产率提升至73%,dr为74:26,eeanti达到75%。该性能显著优于相同条件下的溶液相反应,表明凝胶限域环境有利于立体选择性控制。底物拓展实验显示,强吸电子基团取代的苯甲醛反应活性更高,而酮类底物的立体位阻增加有助于提升对映选择性。循环实验证明,该凝胶在五次循环中催化效率与立体选择性基本保持稳定,且在高达15倍底物负载下仍保持良好性能。
讨论部分指出,该手性共熔凝胶结合了DES的可持续性与超分子凝胶的限域效应,克服了传统水凝胶稳定性差、回收困难的缺点。与已报道的L-脯氨酸基水凝胶相比,该体系在低温下实现了更高的立体选择性,并且循环使用次数相当,展示了其在绿色不对称合成中的应用潜力。
结论部分表明,三聚氰胺/氨基酸共熔凝胶是一种兼具高催化活性、优良立体选择性和可循环性的可持续催化体系,产物可通过绿色溶剂萃取分离,在多种DES体系中均表现出稳定性能,为开发新型环保型手性催化剂提供了可行路径。