Polyoxometalate-Embedded Metal–Organic Framework as an Efficient Copper-Based Monooxygenase for C(sp3)–H Bond Oxidation via Multiphoton Excitation

化学 光化学 催化作用 活动站点 多金属氧酸盐 组合化学 有机化学
作者
Qingbo Shen,Jiali Chen,Xu Jing,Chunying Duan
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:13 (15): 9969-9978 被引量:36
标识
DOI:10.1021/acscatal.3c02220
摘要

The complex and precise structure of natural monooxygenases makes it difficult to clone their structure and activity, and the reported artificial copper-based monooxygenase catalysts for the oxidation of inert C(sp3)–H bonds exhibit limited catalytic activities. Inspired by monooxygenases, we report a metal–organic framework (SiW12@CuMOF-1) comprising a binuclear copper HAT catalyst, photosensitizing nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) mimic bridging ligand, and embedded polyoxometalate. SiW12@CuMOF-1 accelerates the oxidative dehydrogenation of 3,5-DTBC with a catalytic efficiency comparable to that of natural polyphenol oxidase. In the presence of pyridine hydrochloride, irradiation of SiW12@CuMOF-1 afforded the highly active chlorine radical and CuI species via a ligand-to-metal charge transfer process. The chlorine radical abstracts a hydrogen atom selectively from C(sp3)–H bonds to generate the radical intermediate. The CuI species interacted with the active oxygen species 1O2 that formed from the photoinduced energy transfer from the excited state of the NAD+ mimics, giving the active oxygen species O2•– for further oxidization. The well-modified binuclear copper sites cleave the O–O bond to give the final products selectively. Meanwhile, the embedded polyoxometalates interacted with the alcohol substrates via hydrogen bonding interactions to help the catalytic conversion with high efficiency. The well-defined structural characters, the finely modified catalytic properties, and the sustainable multiphoton excitation photocatalytic processes provide a new avenue to develop robust artificial enzymes with uniform active sites and improved catalytic performances.
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