高效的化学反应一直是化学家们追求的目标之一，除了适宜的浓度、反应压强和反应温度外，催化剂的使用则是一种略显“偷懒”的行为，但这并不意味着催化剂的设计及应用是一件简单的事情。虽然大自然已经给了我们一种极为成功的示例——酶，但是现今催化剂的选择性及催化性能都与酶存在较大的差距。而随着超分子化学的发展，学者们开始利用沸石、环糊精等去调控一些化学反应并取得了一系列成果，其中，葫芦脲这种由甘脲及甲醛在酸性条件下缩合而成的环状化合物因其能改变底物的pKa而受到学者们的广泛关注。

图1. 葫芦脲参与的二氧戊环水解及底物分子结构

（图片来源： ACS Catal.）

      近日，巴西圣卡塔琳娜联邦大学的Faruk Nome和西班牙圣地亚哥大学的Luis García-Río两位学者联手研究了葫芦[7]（CB7）脲对二氧戊环水解反应的调控作用（图1）。作者以二氧戊环的水解反应为模型，通过核磁及计算机模拟等方式详细研究了CB7对该反应的影响及其产生的原因。研究成果以“Cucurbituril Mediated Catalytic Hydrolysis: A Kinetic and Computational Study With Neutral and Cationic Dioxolanes in CB7” 为题发表于ACS Catalysis（DOI: 10.1021/acscatal.8b03605）。

首先，作者选取了几种含二氧戊环的底物（图1），其中MFD、BFD和HFD均是含有不同长度烷基链的中性二氧戊环客体，而TMAFD和TEAFD则是阳离子型二氧戊环客体。接着，作者向反应体系中加入不同量的CB7以探究该大环化合物对底物水解反应的影响，结果表明CB7的加入会增加底物的水解速率（图2），但是不同底物表现出来的速率增幅并不相同。葫芦脲对中性分子底物的催化效果随烷基链长度的增加而提升，而对于阳离子型底物也具有类似的趋势。但是，当CB7的浓度在1 mM时，葫芦脲对阳离子型底物的催化效果便基本达到饱和，而对于中性分子的催化效果远不止于此。之后，作者向体系中加入了竞争客体，使得它与底物产生竞争，结果发现加入了竞争客体分子后，CB7对反应的加速效果大幅度降低，这说明CB7与底物分子的结合是整个反应加速的关键点，且结合强度越高越有利于反应进行。

图2. 葫芦脲催化二氧戊环水解过程及其速率常数

（图片来源： ACS Catal.）

进一步，作者为了解释CB7加速二氧戊环水解反应的原因，作者对该过程进行了计算机模拟计算（图3）。在二氧戊环水解过程中，碳正离子的形成是整个反应的决速步，而CB7、二氧戊环与水合氢离子形成的三元络合物能有效促进反应进行，并且整个过程中CB7中的羰基氧与多种反应中间体甚至产物形成的氢键可以起到一定的稳定作用。因此CB7表现出良好的催化效果。对于中性底物，尽管CB7羰基与二氧戊环的距离与底物烷基链长度无关，但是当它们形成dioxolane@CB7@H3O+三元配合物后，两者之间的距离便会随着烷基链长度的增加而增加，而距离的增加会使得CB7稳定作用的消失和催化效率的降低。有机阳离子与CB7有两种结合模式，因此只有当它们形成二氧戊环和羰基氧距离较近的构型时才能有效地加速该反应。

图3. 葫芦脲催化的二氧戊环水解过程各中间产物的能量

（图片来源： ACS Catal.）

全文亮点 ：作者研究了葫芦[7]脲（CB7）对二氧戊环水解反应的影响，并通过计算机模拟分析了不同催化效果产生的原因。

全文作者：Leandro Scorsin, Juliano A Roehrs, Roberta R. Campedelli, Giovanni F. Caramori, Alexandre Osmar Ortolan, Renato Luis Tame Parreira, Haidi D. Fiedler, Angel Acuña, Luis García-Río, and Faruk Nome。