由于獨特的界面微環(huán)境能夠修飾過渡態(tài)，水相微液滴界面上的催化反應可能與體相水中的反應顯著不同。

然而，當前微液滴化學的研究主要集中于反應加速或未來放大，對其催化選擇性的提升，特別是立體選擇性的提升，仍處于起步階段。

2025年8月13日，山西大學楊恒權、河南大學張曉明在國際知名期刊Journal of the American Chemical Society發(fā)表題為《Locating Organocatalysts at Pickering Droplet Interfaces Enables Promotion of Their Catalytic Enantioselectivity》的研究論文，Yuwei Wang,、Hu Shi為論文第一作者，楊恒權、張曉明為論文共同通訊作者。

在本文中，作者發(fā)現(xiàn)將手性有機催化劑定位于 Pickering 乳液的水-油界面，可同時大幅提升反應速率和對映選擇性。

受天然金雞納生物堿驅動的非對稱 Mannich 反應和 L-脯氨酸催化的 Aldol 反應啟發(fā)。

基于 Pickering 乳液的界面體系相比其均相有機和兩相體系，催化效率分別提高了 1.94–2.22 倍和 2.37–3.74 倍，目標對映選擇性分別從 26–60% ee 和 64–88% ee 提高到 94% ee 和 99% ee。

有趣的是，活性和手性增強顯著依賴于液滴尺寸。

通過分子動力學（MD）模擬和密度泛函理論（DFT）計算，從分子層面進一步闡明了這些速率和對映選擇性提升的起源。

本研究提出了一種高活性、高立體選擇性的水相催化體系的新范式，為獲得光學活性化合物提供了示范性途徑。

圖1：不同水相不對稱催化體系的示意圖，包括“on-water”均相催化、微流控液滴技術以及本研究的 Pickering 乳液體系。

圖2：(a) 有機催化劑錨定中空二氧化硅納米球及其相應 Pickering 乳液的制備流程示意圖。(b–d) HSN-SH、HSN-CD 與 HSN-LP 的透射電鏡（TEM）圖像。(e) HSN-CD 的元素分布圖（C、Si、O、N、S）。(f) 固態(tài) 13C CP/MAS NMR 譜圖。(g) 熱重分析（TGA）曲線。(h1, h2) N2 吸附-脫附等溫線與 BJH 孔徑分布。(i1–i4, j1–j4) HSN-CD 與 HSN-LP 穩(wěn)定 Pickering 乳液的光學顯微鏡及熒光共聚焦顯微圖（插圖為粒徑分布圖；水相用 FITC-Dextran 染色，二氧化硅乳化劑用羅丹明 B 標記）。

圖3：(a) 不對稱 Mannich 反應式及不同催化體系示意圖：(i) HSN-CD 穩(wěn)定 Pickering 乳液；(ii) 均相有機體系；(iii) 兩相體系；(iv) 均相 CD 基 Pickering 乳液。(b–d) 各催化體系的性能對比：動力學曲線 (b)、目標產(chǎn)物 3a 的對映選擇性 (c) 以及計算的轉換頻率 (TOF)。(d) 使用不同有機相時各催化體系的結果。(e) 不同液滴尺寸的 HSN-CD 穩(wěn)定 Pickering 乳液催化結果（比例尺 = 500 μm）。(f) 不同粒徑硅球乳化劑穩(wěn)定 Pickering 乳液的催化結果。(g) HSN-CD 穩(wěn)定 Pickering 乳液體系的循環(huán)使用性能（誤差棒為 3 次獨立實驗的標準偏差）。

圖4：以 2, 4-戊二酮或丙二酸二甲酯為親核試劑，Pickering 乳液體系提升 Mannich 反應對映選擇性的底物普適性研究。（各產(chǎn)物下方依次給出 Pickering 乳液體系、均相有機體系與兩相體系的 ee 值及轉化率。）

圖5：(a) 不對稱 Aldol 反應式。(b1–b3) 不同反應體系（(i) HSN-LP 穩(wěn)定 Pickering 乳液；(ii) 均相有機體系；(iii) 兩相體系）的催化性能：動力學曲線 (b1)、TOF (b2)、目標產(chǎn)物對映選擇性 (b3)。(c1, c2) 不同液滴尺寸 HSN-LP 穩(wěn)定 Pickering 乳液的結果。(d) 底物適用范圍擴展。（誤差棒為 3 次獨立實驗的標準偏差）

圖6：(a) 甲苯-水界面處甲苯、水、亞胺與親核試劑的密度分布曲線。(b) 亞胺或親核試劑與界面水分子形成氫鍵作用的快照。(c) 在純甲苯及引入水分子條件下，Mannich 反應的自由能面及 DFT 優(yōu)化過渡態(tài)結構。

綜上，作者提出并驗證了一種“Pickering 乳液界面定位”策略：將手性有機催化劑（金雞納生物堿或 L-脯氨酸）共價錨定在空心二氧化硅納米球表面，利用該納米球作為乳化劑，在水-油界面形成 Pickering 微液滴。

反應速率顯著提升（Mannich 反應 TOF 提高 1.94–2.22 倍，Aldol 反應提高 2.37–3.74 倍）。

對映選擇性大幅提高（Mannich 產(chǎn)物 ee 由 26–60% 升至 94%，Aldol 產(chǎn)物 ee 由 64–88% 升至 99%）。

通過調(diào)節(jié)液滴尺寸可精準調(diào)控活性與選擇性，催化劑可循環(huán) 9 次以上活性無損，易于分離回收。

實驗與理論計算共同揭示：水-油界面處的氫鍵網(wǎng)絡、疏水效應和受限微環(huán)境改變了過渡態(tài)結構，是速率與立體選擇性“雙增強”的根源。

本研究為“水介質-微界面”不對稱催化提供了范式，有望在藥物、農(nóng)藥及精細化學品的綠色制造中發(fā)揮重要作用。

Locating Organocatalysts at Pickering Droplet Interfaces Enables Promotion of Their Catalytic Enantioselectivity.

J. Am. Chem. Soc.

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