JACS：单分子手性步进反转机器

智能响应光、电、热、磁、pH等外部作用驱动的分子机器已经广泛应用于生物、信息、材料等研究领域。其中，通过光、电外部刺激调控分子运动是人工分子机器一个具有挑战性的研究领域。近几年，南开大学刘育（点击查看介绍）课题组不仅发现了大环限域发光，而且广泛应用于超分子级联组装以及生物成像、发光材料、信息防伪等领域（Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 6028; Nat. Commun. 2020, 11, 4655; Acc. Chem. Res. 2021, 54, 3403; Acc. Chem. Res. 2022, 54, 3417；Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 27171; J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 13887; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e20211526；Chem. Rev. 2022, 122, 9032）。在人工合成分子机器研究方面也取得了一系列研究成果，为实现超分子软体机器构建奠定了坚实基础（Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 10834; J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 10190; Nat. Commun. 2015, 6, 7590; J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 7168; Sci. Adv. 2018, 4, eaat2297; J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 6583）。

近日，该课题组通过将具有氧化还原活性的四硫富瓦烯（TTF）共价修饰到柱[5]芳烃上，成功构建了一种新奇的单分子手性步进反转机器。相关研究成果于近日发表在Journal of the American Chemical Society 上。南开大学刘育教授为本文通讯作者，南开大学博士生孙永慧为论文第一作者。

烷氧基取代位置的差异使柱芳烃具有平面手性，芳香单元可以围绕亚甲基桥快速旋转，因此手性很难拆分。通过将侧环修饰在柱芳烃单元上，可以抑制芳香单元的旋转，从而产生一对可分离且稳定的对映体（pS和pR），每种对映体在电化学刺激下会发生构象反转，从而改变手性。TTF是一种良好的电子供体，具有两个可逆且易于实现的氧化态，即其自由基阳离子（TTF^•+）和双阳离子（TTF²⁺）态。基于此，作者分别合成了具有不同侧链长度的PT3和PT5（图1a），它们具有两种对映异构体（pS和pR）。利用TTF特殊的给电子性质，实现了电化学驱动的氧化还原构象转变（图1b）；在还原形式下，TTF单元倾向于停留在柱[5]芳烃的空腔之外；当加入Fe(ClO₄)₃时，TTF失去电子并形成TTF^•+/TTF²⁺。由于TTF的尺寸小于柱[5]芳烃的空腔尺寸，TTF环向内翻转，导致相应的手性变化，并且在添加还原剂后恢复构象和手性。有趣的是，具有较短侧链的PT3在双电子氧化还原下实现了手性步进反转，而具有较长侧链的PT5实现了单电子氧化还原手性反转，因为更长的侧链使单电子TTF单元更易占据PT5的空腔。

图1. (a) PT3，PT5和A的化学结构；(b)一对对映异构体的In-Out/Rp-Sp平衡示意图

首先，通过¹H NMR滴定实验研究了TTF与柱[5]芳烃之间的相互作用。实验表明柱[5]芳烃和TTF之间的键合能力较弱，仅为(8.6 ± 2.6) M^-1。由于柱[5]芳烃的富电子腔，柱[5]芳烃可以与TTF²⁺形成更稳定的络合物，结合常数为(2.51 ± 0.72)×10³ M^-1，这也为手性反转提供了理论基础。

将PT3外消旋混合物注入制备型手性HPLC柱后，观察到两个面积相等的峰（F1和F2）（图2a）。F1和F2在HPLC上的保留时间与外消旋体的两个峰相同，表明存在一对纯异构体。在氯仿中，F1在309 nm处的CD信号为负，而F2在390 nm处的CD信号为正。F1的CD光谱与F2的CD光谱完全镜像对称，表明它们是一对对映体（Out-pS和Out-pR）（图2b）。

图2. (a) PT3的HPLC图谱、PT3的第一部分（F1）和PT3的第二部分（F2）；（b）25°C下F1和F2在氯仿中的圆二色光谱和紫外-可见光谱（0.1 mM）

实验表明，柱[5]芳烃主体与TTF²⁺的键合比TTF强几个数量级，因此可以通过氧化还原控制PT3/PT5的手性反转。CD光谱显示，随着氧化剂Fe(ClO₄)₃从0.1当量增加到1当量，PT3-F2在二氯甲烷溶液中的CD光谱信号在1当量时降至最低，并且Fe(ClO₄)₃的进一步添加导致CD信号在309 nm处从正转为负（图3a），表明氧化后发生了从Out-Sp到In-Rp的手性反转。在加入2当量的Fe(ClO₄)₃之后，CD信号达到负的最大值。此外，这种反转是完全可逆的。如图3b所示，在加入2当量的还原剂抗坏血酸钠后，PT3-F2的CD光谱完全恢复到原始状态。对于PT5，当氧化剂Fe(ClO₄)₃从0.1当量增加到1当量时，CD信号从正反转为负，同样实现了手性反转。具有较短侧链的PT3在0-1当量的Fe(ClO₄)₃的氧化下产生相应的自由基阳离子（TTF^•+），此时手性逐渐减弱，表明TTF单元已进行反转。在1-2当量的Fe(ClO₄)₃的氧化下，进一步生成了双阳离子形式（TTF²⁺），并且由于更强的结合，从而能够实现单分子手性步进反转。

图3. (a) Fe(ClO₄)₃氧化下，PT3-F2在氯仿中的CD光谱（25°C，0.1 mM）; (b)抗坏血酸钠还原下，PT3-F2在氯仿中的CD光谱（25°C，0.1 mM）；（c）PT3-F1氧化还原过程实现手性反转的可逆性；（d）PT3-F1在310 nm处的CD值与循环次数之间的关系。

总之，通过不同长度的烷基链将具有氧化还原活性的TTF精准修饰到柱[5]芳烃的芳香环上，构建了一种新奇的单分子手性步进反转分子机器。利用TTF的给电子能力，实现了电化学驱动的手性反转。有趣的是，具有较短侧链的PT3表现出步进反转的趋势，在双电子氧化还原下实现手性反转，而具有较长侧链的PT5实现了单电子氧化还原手性反转。此外，分子手性的变化伴随着溶液颜色的变化，因此可以通过溶液颜色来识别分子手性转换过程，对于发展人工分子机器具有重要科学意义。

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Unimolecular Chiral Stepping Inversion Machine

Yonghui Sun, Lijuan Liu, Linnan Jiang, Yong Chen, Hengyue Zhang, Xiufang Xu, and Yu Liu*

J. Am. Chem. Soc., 2023, DOI: 10.1021/jacs.3c04430

孙永慧博士简介：孙永慧，2019-2023年就读于南开大学化学学院，师从刘育教授，研究方向为超分子纳米材料的构筑及其功能研究，目前以第一作者已在J. Am. Chem. Soc.，Adv. Opt. Mater.，Chin. Chem. Lett.等国际知名期刊发表论文5篇。

导师介绍

刘育

https://www.x-mol.com/university/faculty/11804 

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