复旦大学金国新教授课题组CCS Chem.：手性有机金属[2]索烃和Lemniscular大环的立体选择性自组装

导语

手性作为化学中的一个重要研究课题，其在机械互锁分子(MIMs)中的表现受到了越来越多的关注。虽然许多结构复杂的外消旋MIMs已被成功合成，但具有直接结构证据的单一手性MIMs的立体选择性合成仍很少被报道。此外，随着MIMs结构复杂性的增加，它们的合成也变得越来越复杂。因此，发展简便且高效的立体选择性合成策略，并获得具有直接结构证据的手性MIMs，有着十分重要的研究意义。近期，复旦大学金国新教授研究团队在该研究领域取得了重要进展，并在CCS Chemistry期刊上发表了题为“Stereoselective Self-Assembly of Chiral Metalla[2]Catenanes and Lemniscular Macrocycles”的研究论文（CCS Chem.2024, DOI: 10.31635/ccschem.024.202303525）。

前沿科研成果

手性有机金属[2]索烃和Lemniscular大环的立体选择性自组装

手性[2]索烃是最常见的手性MIMs之一，可通过共价导向和非共价模板策略来合成。然而，对映体纯的手性[2]索烃的合成往往依赖于手性固定相高效液相色谱（CSP-HPLC），需要对最终产物或前驱体进行纯化。该方法成本较高，阻碍了对其应用的更深入研究。因此，开发简便且高效的立体选择性合成策略来合成对映体纯的手性[2]索烃显得尤为重要。配位驱动自组装因其可以在热力学控制的组装过程中利用各种非共价相互作用进行分子间或分子内预组织和自发纠错，现已成为构筑复杂MIMs的一种强有力的单步合成手段。迄今为止，具有明确晶体结构的对映体纯的共构象机械螺旋手性[2]索烃的数量仍十分有限。因此，它们的合成具极具挑战性。

这篇工作主要介绍了通过将含有较大共轭结构的羰基芴单元和两个L/D-亮氨酸残基引入到吡啶配体中合成得到氨基酸类点手性配体，其中氨基酸的引入使配体可以形成丰富的氢键，并使配体具有一定程度的柔性，且提供了点手性源。将它们分别与较长的双核半夹心Cp*RhIII（Cp* = ƞ5-五甲基环戊二烯基）构筑单元进行配位组装，实现了手性有机金属[2]索烃的立体选择性构筑。由于氨基酸类配体的点手性诱导/转移，手性[2]索烃表现出了独特的共构象机械螺旋手性。通过缩短双核半夹心Cp*RhIII构筑单元的长度以及改变氨基酸的种类，成功实现了“8”字形手性有机金属Lemniscular大环的高效立体选择性构筑（图1）。

图1. 手性有机金属[2]索烃和Lemniscular大环的立体选择性自组装示意图（来源：CCS Chem.）

通过含有两个L-亮氨酸残基的点手性配体(S,S)-L1和双核半夹心有机金属单元[Cp*2Rh2(TPPHZ)(OTf)2](OTf)2 (E1)的配位驱动自组装，经一步反应成功实现了手性[2]索烃(MMH,S4)-Rh-1（记为Rh-1S；MMH和S分别表示共构象机械螺旋手性和点手性，上标数字4代表4个手性中心），且手性[2]索烃的合成表现出了优异的立体选择性。通过使用含有相应D-亮氨酸残基的配体(R,R)-L1与双核单元E1自组装，成功合成了[2]索烃(PMH,R4)-Rh-1（记为Rh-1R），即为Rh-1S的对映异构体（图2）。

图2. 手性有机金属[2]索烃Rh-1S/R的立体选择性合成（来源：CCS Chem.）

在[2]索烃Rh-1S/R结构中的分子环间互锁表现出了单一的共构象机械螺旋手性（图3）。

图3. 手性有机金属[2]索烃Rh-1S/R的X-射线晶体结构以及它们结构中存在的共构象机械螺旋手性（M/PMH）。（来源：CCS Chem.）

当使用含两个L-苯丙氨酸残基的手性配体(S,S)-L2或含两个L-丙氨酸残基的手性配体(S,S)-L3，与比E1更短的双核单元[Cp*2Rh2(BiBzlm)(OTf)2]（E2）进行自组装时，分别合成得到了两个手性Lemniscular大环(M,S4)-Rh-2（记为Rh-2S）和(M,S4)-Rh-3（记为Rh-3S）。通过使用含有相应D-苯丙氨酸残基的配体(R,R)-L2或含有相应D-丙氨酸残基的配体(R,R)-L3与E2自组装，分别合成了Lemniscular大环(P,R4)-Rh-2（记为Rh-2R）和(P,R4)-Rh-3（记为Rh-3R），它们分别是Rh-2S和Rh-3S的对映异构体（图4）。它们是首类具有“8”字形几何结构的手性有机金属lemniscular大环，表现出了扭曲的构象手性（图5）。

图4. 手性有机金属Lemniscular大环Rh-2S/R和Rh-3S/R的立体选择性合成（来源：CCS Chem.）

图5. 手性Lemniscular大环(a)Rh-2S/R和(b)Rh-3S/R的X-射线晶体结构以及它们结构中存在的M/P-扭曲手性。（来源：CCS Chem.）

此外，作者测试了手性[2]索烃Rh-1S/R和手性Lemniscular大环Rh-2S/R和Rh-3S/R的紫外-可见（UV-vis）吸收光谱和圆二色光谱（图6）。UV-vis 吸收光谱清楚显示了它们的能量吸收带位于200-450 nm之间（图6a）。Rh-1S和Rh-1R在甲醇溶液中的对称圆二色信号反应了它们结构之间的对映异构关系（图6b）。同样地，对于Rh-2S和Rh-2R、Rh-3S和Rh-3R的情况也是如此（图6c和6d）。

图6.（a）手性[2]索烃Rh-1S/R和手性Lemniscular大环Rh-2S/R和Rh-3S/R在甲醇溶液中的紫外-可见吸收光谱图；（b）Rh-1S/R、（c）Rh-2S/R和（d）Rh-3S/R在甲醇溶液中的圆二色光谱图。（来源：CCS Chem.）

小结：本文作者证明了通过含有L/D-亮氨酸残基的点手性配体与较长的双核半夹心Cp*RhIII构筑单元进行一步自组装，可实现手性有机金属[2]索烃的立体选择性构筑。由于配体的点手性特征以及机械键的存在，所合成的[2]索烃表现出了独特的共构象机械螺旋手性。通过显著缩短双核Cp*RhIII构筑单元的长度并调控氨基酸侧链的空间位阻，成功合成了首类具有“8”字形几何结构的手性有机金属lemniscular大环，该类大环表现出了扭曲的构象手性。其中，氢键、π–π堆积等非共价相互作用在手性索烃和大环结构的形成中具有重要作用，同时也促进了点手性配体的有效手性转移。该研究将为进一步设计合成同手性机械互锁分子和分子机器奠定良好的基础。

该研究成果近期发表在CCS Chemistry上（CCS Chem.2024, DOI: 10.31635/ccschem.024.202303525）。文章的第一作者是复旦大学包淑锦博士，通讯作者是复旦大学金国新教授。

课题组简介

金国新教授课题组长期从事有机金属超分子化合物的设计、组装及应用和碳硼烷化学。课题组已经在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Chem, Nat. Synth., Nat. Commun., Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., Acc. Chem. Res., Coord. Chem. Rev.等国际知名期刊发表论文400余篇。课题组主页：http s://jingroup.fudan.edu.cn。

教授简介

金国新，复旦大学化学系教授，博士生导师，国家“杰出青年”基金获得者，德国洪堡基金会“洪堡奖”获得者，享受国务院政府特殊津贴，欧洲科学院外籍院士。目前担任中国化学会配位催化委员会、应用化学委员会学术委员等职。曾任中国科学院长春应化所研究室主任，曾任Dalton Transactions副主编、兼任Organometallics、Journal of Organometallic Chemistry、《无机化学学报》以及《科学通报》编委，2009年获得上海市自然科学一等奖，连续多年入选爱思唯尔中国高被引学者名单。

邀稿

今天，科技元素在经济生活中日益受到重视，中国迎来“科学技术爆发的节点”。科技进步的背后是无数科学家的耕耘。在追求创新驱动的大背景下，化学领域国际合作加强，学成归国人员在研发领域的影响日益突出，国内涌现出众多优秀课题组。为此，CBG资讯推出“人物与科研”栏目，走近国内颇具代表性的课题组，关注研究、倾听故事、记录风采、发掘精神。来稿请联系C菌微信号：chembeango101。

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