由小有机分子制成的催化活性振荡器

　　几乎所有已知的合成振荡反应基于氧化还原化学7,9,12，除了基于生物分子的一些示例18,19,20，小有机分子21,22或超分子组件23,24。在这些振荡器中，仅使用Belousov – Zhabotinsky反应来控制另一种反应，但其产物受振荡器25的成分严重影响。有机催化反应，催化剂的稳健性和无毒性，其广泛的功能群耐受性以及OrganocatalyStssssssssssssss26,27的多样性为模块化设计和有机催化振荡器的应用提供了强大潜力28。此外，这种振荡器将受益于随时可用的构建块，在非攻击条件下运作的能力以及通过有机化学的力量轻松修改的能力。 　　我们的催化活性振荡器由小有机分子制成，基于氨基催化的原理。它利用自催化9-氟苯基甲氧基殖民（FMOC）组脱位29,30和胺的乙酰化。使用开放流系统，在一系列不同的条件下实现了持续的振荡。振荡器的关键成分是一种有机催化剂，可通过烯胺和/或碱催化促进化学反应。形成振荡器和参与催化反应的反应物的反应物混合在相同的反应器中，并形成一个系统，在该反应器中，每个组分都具有独特的目的，而振荡和催化之间的干扰最少。 　　我们系统的设计遵循化学振荡器的既定原理：正面和负反馈回路的组合会导致交替的生长和衰减阶段，从而产生振荡6,31,32。我们选择将系统基于自催化FMOC脱身（图1）。FMOC是一个可用于保护胺的基本不稳定组。我们选择哌啶（1）作为胺，因为它是（1）常用的有机催化剂26和（2）足够碱性，足以催化FMOC组的脱缘。这使得FMOC-PIPERIDINE（2）自催化29,30的脱身，从而提供了阳性反馈回路。负反馈回路由两个抑制反应（一种快速而缓慢）传递，可以防止哌啶作为基础反应，从而抵消自催化途径。用苯基乙酸苯乙酰化用于此目的，将哌啶转化为酰胺。可以通过更改苯环上的取代基来轻易调节乙酰化的速率。我们选择乙酸苯基苯基（3）作为抑制自催化反应的快速抑制剂，从而产生滞后相，直到消耗量为止，而自催化的生长为1。乙酸苯基苯基（Phoac，4）充当缓慢的抑制剂，将哌啶的浓度返回到自催化后的初始状态。最后，除了1以外的基碱基对2的脱身作用是触发反应，该反应不断以低速率创建自催化剂，从而启动了自催化反应。这种脱缘必须与抑制反应是正交的，这使我们选择了哌啶，N-甲基哌啶的最简单的三级类似物（5），作为我们的触发试剂。 　　首先，我们着手研究我们的设计是否可以产生脉搏 - 单个指数增长的单周期，然后腐烂回基线。初步优化后（补充图2），我们到达以下条件：100 mM FMOC-PIPERIDINE（2），5 mM p-硝基苯基乙酸苯基乙酸苯基（3），1 M PhoAC（4）和5 mM N-甲基磷酸（5）在DMSO-D6中（图2A）（图2A）。FMOC脱身是一个两步的过程，始于2的去质子化，形成二苯并氟硫烯（6，dbf）和氨基酸酸，然后将后者脱羧至形成1。碳酸在大气条件下在DMSO中持续存在于大气条件下33，但在温度升高（60°C）下（60°C）脱羧基化反应很快。使用原位红外（IR）光谱和1H-NMR光谱法（补充信息）的组合，以1,3,5-3,5-三甲氧基苯苯作为内标（图2B）来监测浓度（补充信息）。 　　在2的转化率中观察到滞后相（图2B，I阶段I），表明乙酰化速率的速率足够高，可以抑制自催化环。N-乙酰基哌啶的浓度（PIPAC，7），抑制反应产物和6，FMOC残留物的浓度支持，而抑制作用反应产物则同样迅速地增加，而1的浓度仍然可以忽略不计。一旦消耗了所有快速抑制剂3（图2B，II阶段），随着自催化脱旋转反应的加速，2个下降的浓度和1个浓度呈指数增长。当消耗2中的大多数时，4与1的缓慢抑制反应的影响开始占主导地位（图2B，第三阶段），消耗1并完成哌啶浓度中的脉冲。使用1,8-二氮扎下[5.4.0] UNDEC-7-ENE（DBU）作为替代触发器进行了类似的实验（补充图3），而在另一个实验中，哌啶浓度通过紫外线可见光光谱直接监测，并用Phistor-Visator-visroscopopicy用ph Indistor bromothymol蓝色（补充图5）监测。 　　获得了脉搏后，我们通过实验确定了所有涉及的反应的速率定律（补充表8），并基于普通的微分方程（补充信息）构建了系统模型。在图2C中，测得的个体组件浓度与模型预测进行了比较，表明该模型很好地表示数据。在平衡条件下，将单个脉冲转化为一系列振荡是可能的。这是通过使用连续搅拌的储罐反应器（CSTR）将系统放入流中来实现的，其中新鲜的起始材料（2-5）连续添加，并连续除去反应混合物。随着时间的流逝，这种振荡可以维持 - 稳定幅度或抑制作用，直到达到稳态。对脉冲系统的模型进行了调整，以评估各种实验条件的影响，以预测在连续流下产生持续的振荡的组合（图3A，b）。我们使用空间速度（SV）作为参数，以描述反应物的流入速率和反应混合物的流出。 　　为了进行此筛选，我们将持续的振荡定义为至少两种脉冲，而随着时间的推移幅度不会减少。该模型预测[4] = 0.4-2.0 m，[2] = 60–160 mm的反应物浓度的持续振荡持续振荡，[3] = 30 mm和[5] = mm，空间速度为10-4 s -1。持续振荡区域在高度[2]和低[4]边的侧面是通过抑制振荡的区域（图3B）。完整的结果可在补充数据1和2中获得。 　　我们在流动中启动了我们的振荡实验，并在预测的持续振荡状态的中心的一组条件下进行了：[2] = 0.1 m，[4] = 1.8 M = 1.8M。在CSTR中，使用原位红外光谱仪监测浓度；由于无法确定绝对浓度，因此报告了归一化的吸光度（补充信息）。如前所述，该系统在FMOC二哌啶的浓度中产生持续的振荡，持续20小时，周期为2.4±0.1 h，一致的振幅为0.29±0.02。在6和7的浓度中也观察到反相振荡（图3C）。值得注意的是，振荡在第一个峰后立即持续，表明该行为坚固并承受初始条件34。 　　为了研究核心系统成分浓度的效果，我们选择变化[2]和[4]（图3B），因为这些分别影响了正反馈环的强度。根据预期行为，将[2]从100毫米减少到80 mm导致周期增加到4.3±0.1 h（图3D）：较慢的触发反应延迟了自催化阶段的开始。增加[2]至120 mm导致振荡受阻（图3E）。将[4]从1.8降低到1.4 m仅对振荡的影响较小（图3F），但是将浓度进一步降低至1.0 m（图3G）在一个脉冲后产生稳定状态。[4]增加到2.2 m（图3H）导致两个周期（3.6±0.2 h）和振幅（0.38±0.02）的显着增加，这与模型的预测相反，该模型的预测将在[4]中的变化（图3B和补充图18）中持续变化。该不匹配表明该模型并未精确捕获所有效应，例如溶剂极性对反应速率的影响。 　　这些实验不仅证明了振荡器的鲁棒性 - 通过表明可以在各种条件下获得持续的振荡，而且还可以通过修改核心成分浓度来调整振荡性能（周期和振幅）。重要的是，该实验证实我们的模型能够预测哪些条件会产生持续的振荡，尽管在实验上，振荡状态略小：较高的浓度为2（图3E）表明减弱而不是预测的持续振荡（补充图18）。 　　在开发了具有有机催化剂核心的新的小分子振荡器之后，我们质疑催化是否可以与振荡器耦合为二级功能。为此，我们选择了在水杨酸醛（8）和丙二酸酯（9）之间，我们选择了哌啶催化的knoevenagel冷凝35,36，在内部分子环化后，形成3-（甲氧基碳酸盐）香豆素（10）。选择了knoevenagel反应的这个特殊示例，因为所得的香豆素产物衍生物是生物活性化合物37和荧光团的常见支架38。由于这种反应需要像1一样的催化剂，因此只有在溶液中有足够高的1浓度1时才能形成乘积香豆素10，从而导致10浓度与催化剂1的浓度旋转。 　　我们最初是在单个脉冲实验中研究了该系统的（补充图22），因此进行了两个重要的观察。首先，与没有催化反应的脉搏相比，在催化剂反应的情况下，在[1]的峰值略有扩展之外，没有看到哌啶的生长 - 纪念周期的重大变化，证实了催化反应与振荡器系统之间的干扰最少。其次，催化产物的浓度急剧增加10与[1]中的峰值一致。为了证明这种将催化与振荡息息的能力的鲁棒性，我们也研究了其他反应。对于另一种knoevenagel反应，也可以实现催化脉冲，以及机械上不同的克莱森 - schmidt/michael cascade（补充图25）。 　　为了实现10催化合成中的持续振荡，我们使用了与初始流实验相同的条件，但在8和9中添加了200 mm（图4C）。在与6、8和10相关的吸收带中观察到稳定的振荡，周期为2.2±0.2 h。这个时期在没有哌啶催化的knoevenagel凝结的情况下获得的实验误差，并至关重要地证明可以以催化方式将载荷施加到我们的振荡器上，而不会显着改变振荡器本身的核心特征。 　　为了探测催化振荡器的稳定性，我们以与无耦合催化的相同浓度组合进行了实验（图4B）。该行为是可比的，除了实验外，缓慢抑制剂4的浓度较低，其中振荡被抑制而不是持续。因此，进行催化反应并不能显着改变振荡器的特征，而不是稍微收缩振荡性制度。我们还研究了快速抑制剂3的作用，发现其浓度降低到0.025 m，导致振荡受阻。然而，将其增加到0.035 m，得出的持续振荡，周期增加了3.1±0.1 h（补充图27）。进行了进一步的实验以检查对温度的依赖性表明，将温度升高到70°C导致振荡衰减（图4H），但将其降低至50°C，产生的持续振荡具有明显更长的时间（图4i）。最后，我们进行了一个实验，在两个脉冲后通过将温度从60到70°C升高30分钟，在两个脉冲后扰动了系统（图4J）。这导致指数阶段发生较早，从而缩短了振荡周期。但是，一旦扰动结束了，振荡迅速恢复到其正常周期（2.4±0.2 h），这表明我们的催化振荡器对短期温度变化具有可靠性。 　　在这项工作中开发的催化振荡器，例如在更广泛的化学反应网络中可能执行各种功能。例如，催化脉冲可用于增强化学转化的选择性。当将催化振荡器施加到经历相同催化转化的化合物的混合物中时，可以充当过滤器，并且通常在存在非振动催化剂的情况下会产生产物的混合物。在连续存在催化剂的常规CSTR设置中，反应性底物达到的稳态转化是由流速和反应动力学确定的。但是，使用催化振荡器，该催化剂仅在短时间内可用，在此期间，反应性较低的底物无法达到高转化率。有关此概念的模拟，请参见补充图29。 　　为了探索这一实现增强化学选择性的概念，我们在醛8和p-羟基苯甲甲醛之间与9（图5）进行了竞争实验（图5）（图5）（15）。首先，我们确认在批处理条件下以单个脉冲获得选择性，但并非没有脉冲（补充图32）。在单个脉冲中，8完全转化，而15个仅达到10％的转化率，然后保持恒定，因为催化剂浓度的下降会停止反应。在没有脉冲的情况下，8完全转换为15，在60分钟后继续反应，达到50％的转化率。随后，我们使用振荡器进行了竞争实验（图5A）。而8的平均转换为56％，峰值为97％，而15至16的转化率可以忽略不计，平均为1％以下（补充表13）。为了允许与非振荡情况进行公正的比较，我们在22±1 mm的实验中确定了振荡期间1的峰值浓度（补充图33）。然后，我们通过去除慢速抑制剂4并调整稳态[1]的峰值1浓度（即22 mm）来进行对照实验，而无需振荡（图5B）。在没有振荡的情况下，8个几乎完全转化，15个以18％的转化达到稳态。因此，振荡通过数量级增强了平均选择性（补充表13）。 　　模拟预测，选择性增强取决于[1]，因为对于高催化剂浓度而没有振荡的选择性要小得多，但显示出较低浓度的增加（补充图30）。我们进行了较低[1]幅度15±3 mm的实验，发现选择性提高下降了5倍（补充图36和补充表13）。仅包含knoevenagel试剂和哌啶催化剂的单独控制实验证实，在低催化剂载荷时可以实现与振荡系统中观察到的相似的选择性（5和1 mm；补充图37）。相比之下，振荡允许在众多催化剂浓度上，而不仅仅是在下限上进行高选择性。尽管可以以这种方式优化常规的催化反应，但在复杂的反应网络中，单个组件的优化不是微不足道的，这种鲁棒性是一个有吸引力的特征。 　　我们的小有机分子振荡器的模块化设计是基于不同FMOC保护胺的振荡器的模板，前提是它们足够碱性，可以执行自催化脱保护。使用哌啶，尤其是手性胺以外的胺将进一步扩大这项工作中开发的振荡设计的潜力。将负载施加到我们的系统的能力而无需大量重新优化其振荡性能的能力对于潜在的应用有望，尤其是作为较大化学反应网络中的组件。可以扩展振荡催化剂的次级功能包括在一系列催化剂浓度上保持高化学选择性的所描述能力。 　　与上述化学选择性增强的概念相似的用例正在利用对下游过程有害的催化剂或中间体的周期性缺失，从而允许在同一系统中执行不兼容的过程和/或预防催化剂降解反应产物。例如，提出生物振荡器以这种方式提高代谢效率39,40。可以以这种方式避免的产物降解的例子包括新形成的手性中心41的表达或不希望的热力学与所需的动力学产物的形成。催化振荡器也可以被认为是一种催化剂，该催化剂自主在“ ON”和“ OFF”状态之间自主切换，而报道的示例已用于使具有精确控制序列的共聚物的可切换催化剂需要外部刺激，以在主动和不活跃状态之间切换或在两种单独的产品之间或两种单独产物之间切换。42,42,43。因此，将催化振荡器与聚合物的合成耦合是另一个有趣的应用，并通过调整振荡器的特性来调节聚合物组成。周期性催化也可用于以时间控制的方式驱动分子机，通过让机器在催化剂时执行功能并在缺乏44,45,45,46,47时重置功能。