东京大学研究生院理学系研究科的北之园拓助教、小林修特任教授等人的研究团队开发出一种用于水中催化性不对称合成的新技术。在水中进行化学反应，从环境友好且安全的绿色化学角度来看非常重要，但传统手性路易斯酸催化剂对水敏感，很快便会失去功能，这曾是一大难题。此次研究团队通过将设计的手性路易斯酸催化剂吸附在单壁碳纳米管（SWNT）上，成功实现了无需使用共价键的稳定固定化。该成果将为未来制造药品及高功能化学产品作出重要贡献，相关研究成果已发表在期刊《Chemical Science》上。
图1：（A）手性路易斯酸催化剂在水中失活及立体选择性丧失的机制；（B）常规手性金属催化剂的固定化方法；（C）本研究首次实现的、通过非共价键型方式在SWNT上的手性路易斯酸固定化（供图：东京大学）
在以往的研究中，一直采用利用共价键将催化剂牢固固定的方法。该方法虽然能防止催化剂泄漏并维持较高性能，但由于制备催化剂的过程变得复杂，存在设计自由度低的缺点。
本次研究则挑战采用无需使用共价键的方法实现催化剂固定化。其中的关键在于SWNT。SWNT具有极细的筒状结构，具备优异的电学和结构特性。
研究团队认为，该SWNT的表面有助于稳定催化剂。实验中，仅通过将自主设计的钪配合物吸附在单壁碳纳米管（SWNT）表面，便成功使其发挥了固定化催化剂的功能。这一过程利用了作用于SWNT与催化剂之间的、名为“π-π相互作用”的引力。结果表明，催化剂的电子状态得到了良好调控，可更稳定地发挥作用。
该催化剂体系在水中的重要化学反应中发挥出优异性能。此外，即便催化剂最多重复使用10次，也几乎未观察到性能下降及催化剂成分泄漏的现象。这是一种可与通过共价键固定的催化剂相媲美的高重复利用性。
与其他碳材料对比后发现，本次成果的优势更加明确。以往在使用炭黑（CB）或多壁碳纳米管（MWNT）时，要么催化剂性能迅速下降，要么反应几乎无法进行。这些结果表明，SWNT并非单纯支撑催化剂的载体，而是作为能够帮助催化剂本身发挥作用的“能动性伙伴”发挥着功能。
此外，研究还发现，通过对SWNT表面进行化学修饰，或者改变催化剂侧的分子结构，可以进一步提升性能。这为未来的催化剂开发提供了重要指导方向。
本次研究通过新方法解决了此前难以实现的水中化学反应问题，是一项极为重要的成果。通过运用SWNT的特殊性质，无需依赖共价键，便可实现催化剂的高性能且稳定使用。该技术蕴含着可更自由、更简便地设计催化剂的可能性。未来，有望通过应用该技术，将药品及精细化学品（特殊化学产品）的制造过程转变为更对环境友好、更高效的模式。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Chemical Science
论文：Noncovalent Immobilization of Chiral Lewis Acids on Single-Walled Carbon Nanotubes as a Tool for Synthetic Organic Aquachemistry
DOI：10.1039/D5SC05390K
