化学所分子识别与功能实验室

王其强团队利用自适应结合实现手性齿轮传动

发布时间:2022-10-13 17:19:43.0 放大 缩小

手性是自然界和许多人工体系的一个基本特征。深入理解手性诱导、转移和放大现象及潜在的机制是构建手性识别、催化和功能材料体系的关键。受自然界启发,利用主客体识别和自组装构建超分子手性体系受到越来越多的关注。在这些体系中,柔性主体的动态手性诱导较为少见,研究基于该类主体的动态手性诱导,可望更好地揭示主客体结合和立体控制在手性产生和传递过程中的作用,以及两者之间的交互与协同。

最近,在国家自然科学基金委和中国科学院的支持下,化学所分子识别与功能院重点实验室王其强研究员团队,报道了一种非手性的柔性分子笼体系,发现它能够高效识别三羧酸阴离子客体,并具备动态、自适应的结合特征,通过在客体中引入手性边臂,实现了精准的螺旋手性诱导和传递,揭示了主客体间的互补结合、构象适应和齿轮式手性传递机制。

作者从均苯三甲酸出发,通过四步简单反应,实现了分子笼的高效合成和克级制备。分子笼与均苯三甲酸根客体间形成强的1:1结合,结合常数为2.4 × 105 M‒1。晶体结构显示,主客体间通过三对互补的羧酸–硫脲氢键紧密结合,为适应客体的结合,主体采取螺旋构象,并以外消旋形式存在。当在客体中引入三个手性边臂时,其与分子笼具有相似的结合行为,但结合常数更大,可达1.7 × 106 M‒1。圆二色谱(CD)研究表明,手性客体可诱导分子笼产生螺旋手性,且当手性边臂上甲基替换成乙基时,可引起更为显著的手性区分,显示存在精细的立体调控作用。DFT计算显示主客体间形成齿轮式复合物,客体手性边臂处于分子笼螺旋凹槽中,通过与内核苯环间的芳基-芳基扭转传递立体作用信息,S-构型客体诱导形成P-构型主体,与CD光谱观察到的现象一致。

该体系中的互补结合、构象适应和精确立体控制模拟了生物系统的特征,为功能手性超分子体系的创制提供了重要启示。相关研究结果发表在近期的美国化学会志上(J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 6180-6184),并被JACS Spotlights以“Mimicking Nature’s Chirality with Dynamic and Flexible Hosts”为题进行亮点介绍(J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 7515-7516)。论文第一作者是研究生胡其平。

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