《CARBON》：Unraveling the Structure–Activity Relationship in Chiral Carbon Dots: From Bonding Mechanism to High-Performance Asymmetric Catalysis
编辑推荐：
摘要手性碳点（CDs）有望作为非均相不对称催化剂，但由于对表面化学如何决定催化功能缺乏了解，其性能一直落后于分子催化剂。在此，我们通过系统使用具有不同羟基数量的酚类衍生物（苯酚、对苯二酚和间苯三酚）作为碳源，并以 D-脯氨酸（D-Pro）作为手性前体，建立了碳源结构与催化性能
摘要
手性碳点（CDs）有望作为非均相不对称催化剂，但由于对表面化学如何决定催化功能缺乏了解，其性能一直落后于分子催化剂。在此，我们通过系统使用具有不同羟基数量的酚类衍生物（苯酚、对苯二酚和间苯三酚）作为碳源，并以 D-脯氨酸（D-Pro）作为手性前体，建立了碳源结构与催化性能之间直接且反直觉的联系。我们证明，碳源上羟基的数量与催化活性呈反比——这一发现挑战了更多功能团能增强性能的传统假设。在机理上，我们揭示碳源决定了碳核表面的羟基密度，进而决定了 D-Pro 的键合模式：C-C 键合保留了氨基和羧基，形成了一个双功能中心，能够实现对协同烯胺催化和高对映选择性；酯键连接仅保留了氨基位点，导致效率降低；而 C-N 键合完全消耗了氨基位点，进一步降低了催化活性。最佳苯酚衍生的碳点达到了 87% ee 的对映体过量值，催化活性接近分子催化剂——超过了所有此前报道的基于碳点的催化剂，并可与最先进的非均相系统相媲美。通过建立基于表面键合构型的合理设计原理，本研究将碳点从经验性发现转变为可预测、可设计的不对称合成催化平台。
引言
碳点（CDs）作为碳纳米材料的新兴成员，是尺寸不超过 10 nm 的零维碳基纳米材料[1]，最早由 Xu 于 2004 年在分离碳纳米管时发现[2]。由于具有纳米酶特性、荧光、水溶性、无毒以及广泛的表面功能，它们在金属离子检测[3]、生物成像[4]、生物传感[5]、药物递送[6]和光催化[7]等领域具有广泛的应用。碳点具有由各种表面功能团包裹的碳基核[8]。其内部结构通常由具有 sp2/sp3杂化的纳米晶或非晶碳框架构成，而表面通常修饰有氧（O）和氮（N）功能团，也可能掺入硫（S）或硼（B）等杂原子。引入含氧基团（如羟基、羧基和羰基）赋予碳点优异的水溶性，并促进进一步的表面改性。通过将手性功能团与碳点的核键合，不仅赋予了碳点手性特征，还将其潜在应用扩展到手性识别[9]和手性检测[10]。作为非均相催化剂，手性碳点将分子催化剂的高活性和选择性特征与易于分离和回收的实用优势相结合，使其成为可持续不对称合成的有前景候选者[11]。
近年来，开发用于有机转化的手性碳点引起了越来越多的关注。2020 年，Filippini 等人成功使用（R, R）-或（S, S）-1,2-环己二胺和 L-精氨酸作为前体制备了手性碳点，并将其应用于丙酮和靛蓝的醛醇加成反应中，当反应时间为 24 h 时，实现了 59% 的产率和 38% 的对映体过量（ee）值[12]。2021 年，我们课题组使用 D-脯氨酸（D-Pro）和柠檬酸作为前体，通过一步水热法制备了手性碳点，在反应时间为 24 h 时，产率为 98%，ee 值为 73%[13]。2022 年，Bortolami 等人使用一步法和两步法合成了手性碳点。一步法手性碳点制备简单，但在 Aldol 缩合反应中表现出较低的不对称催化活性，ee 值为 34%。虽然两步法碳点具有较高的不对称催化活性，但存在制备复杂和可重复使用性低的缺点[14]。最近，手性碳点也被应用于其他有机反应，如 Michael 反应[15]、α,β-不饱和醛的 1,4-还原[16]和苯乙烯氧化物的开环反应[17]，证明了碳点在不对称催化中的应用潜力。然而，碳点目前的不对称催化活性相对较低，通常需要长达 24 h 的反应时间，且 ee 值不理想，显著低于小分子所表现出的水平。一个根本瓶颈是对其不对称催化所支配的精确结构 - 活性关系缺乏了解。具体而言，手性单元如何结合到碳核上以及这种键合模式如何决定催化功能是关键但尚未解决的问题。通常，人们援引“记忆效应”，认为碳点继承了其前体的功能，但详细的形成机理和表面活性位点的确切性质仍然知之甚少。
我们近期的研究系统地探索了控制手性碳点结构和性能的两个关键因素：碳源和手性前体。在一项工作中，我们筛选了多种碳源——包括对苯二胺、对苯二甲酸、苯酚、间苯三酚、乙二醇、乙二胺和草酸——并确定对苯二酚为一种能产生重现性极好、尺寸分布窄且催化活性高的碳点的前体[18]。在互补研究中，我们以对苯二酚为碳源，采用一系列伯氨基酸（如 D-丙氨酸、D-缬氨酸、D-亮氨酸、D-天冬氨酸）考察了手性源结构的影响。那项工作揭示了氨基酸取代基如何影响碳点的尺寸、形貌和催化性能[19]。这种筛选强调了碳源和手性源对碳点性质的显著且复杂的影响，并促使进一步的机理探究。
基于我们之前对碳源和手性源对手性碳点影响的系统研究，本研究具体考察了芳香族碳源（苯酚、对苯二酚和间苯三酚）中的羟基分布模式如何控制 D-Pro 与碳点表面的共价键合及随后的不对称催化性能。我们发现，羟基的数量与醛醇缩合反应中的活性和对映选择性呈反比，其中苯酚衍生的碳点表现出最高的性能（87% ee）。这种不对称催化活性超过了所有此前报道的 CD 催化剂，并接近相应小分子催化剂的性能。有趣的是，这一发现是反直觉的，因为通常认为碳源上更多的功能团有利于碳点的形成并增强催化活性。从机理上看，关键决定因素是 D-脯氨酸与碳核之间的键合模式：C-C 键合保留了氨基和羧基，形成了提升对映选择性的双功能催化中心；相比之下，酯键连接削弱了这种能力，而 C–N 键合完全消耗了氨基位点，进一步抑制了催化活性。因此，本研究阐明了一种基于表面键合构型的结构 - 活性关系，并为设计高性能手性碳点催化剂提供了合理的基础。
章节摘要
实验部分
手性碳点通过一步水热合成路线制备，利用 D-Pro 和三种苯环上羟基数量不同的碳前体（即苯酚、对苯二酚和间苯三酚）作为起始原料（如图 1 所示）。典型的制备程序涉及将 0.5757 g D-Pro（5.0 mmol）和 0.2352 g 苯酚（2.5 mmol）溶解在 10 mL 超纯水中。然后对溶液进行超声搅拌 20 分钟以确保均匀
透射电子显微镜（TEM）分析
结合 D-Pro 与酚类碳源所得碳点的 TEM 图像如图 1 所示。Ph-CDs、Hq-CDs 和 Pg-CDs（图 1a-c）表现出间距为 2.0 ?的晶格条纹，这与石墨碳的（100）晶面相似。然而，在源自单一碳源的三种碳点中（图 1d-f），只有 Ph-CDs-b 显示出与手性碳点相似的晶格条纹，而另外两种碳点 Hq-CDs-b 和 Pg-CDs-b 未表现出晶格条纹，表明
结论
本研究建立了一种直接且此前未被认识的碳前体分子结构与手性碳点催化性能之间的联系。通过系统改变芳香族碳源上的羟基分布模式，我们证明碳源上羟基的数量与催化效率呈负相关——这一反直觉的发现挑战了更多功能团有利于碳点形成并增强
CRediT 作者贡献声明
Ting Li: 写作 - 初稿，方法学，调查，数据整理。 Chunli Xu: 写作 - 审阅与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取，概念化。 Ji Shen: 方法学，调查。 Yaxin Ding: 方法学，调查。 Jing Luo: 写作 - 初稿，方法学，调查，数据整理
利益冲突声明
? 作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到中国陕西省科学技术厅资助项目（2023-JC-YB-103）的支持。
Ting Li|Jing Luo|Ji Shen|Yaxin Ding|Chunli Xu
