厦门大学曹晓宇/苏纪豪/瞿航联合团队JACS：原位调控手性分子多面体的异构化过程

分子 (超分子) 层次的动态手性是动态立体化学和分子组装领域重要研究方向之一 (图2A)，不仅在理解手性起源、传递和放大等方面有重要意义，且在不对称催化、手性光学材料和可控构筑动态手性组装体方面亦尤为关键。然而，如何在分子 (超分子) 层次精准调控动态手性与结构仍面临挑战。近年来，厦门大学的曹晓宇/苏纪豪/瞿航联合团队借鉴数学中的面方向性多面体 (Face-Rotating Polyhedra, FRP) 概念，发展了以三聚茚、氮杂三聚茚、四苯乙烯等为基元的一系列分子面方向性多面体，将组装基元的二维手性传递至分子多面体的三维手性，呈现一类全新的分子手性形式 (Nat. Commun., 2016, 7, 12469; J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 18142; Chem. Commun., 2018, 54, 4685; Chem. Sci., 2018, 9, 8814; J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 16223; Chem. Sci., 2021, 12, 11730)。近日，该团队构筑了一种具备动态手性的面方向性四面体（Face-Rotating Polyhedra, FRT），并通过氟离子原位调控FRT手性异构体间的可逆转化速率，并结合物理化学，揭示手性转化、调控与诱导的动力学机制 (图1, 2B和C)。

图1. 原位调控手性分子多面体的异构化过程示意图

图2. 分子或超分子层次的动态手性 (A) 不同小分子的异构化过程。(B) 三(四甲基苯基) 硼烷 (TDB) 的两种构象及对映异构体4M-FRT和4P-FRT间的相互转化。(C) 通过氟离子的可逆结合，实现其平面构象与四面体构象之间的转化 (π 代表苯环)。(D) FRT可逆结合氟离子示意图。

在FRT中，三（四甲基苯基）硼烷 (TDB) 基元内部具有合适的位阻，因而可在实验中观测到P和M两种构象间可逆转化。此外，TDB的Lewis酸中心的在氟离子作用下，可实现平面构型和三维四面体构型之间的可逆转化 (图2C)，进而增加异构化能垒和降低手性转化速率，从而实现原位调控FRT的外消旋化动力学 (图2D)。在实验上，通过单晶与核磁共振波谱分析，可确认FRT的四面体结构 (图3B)。结合手性高效液相色谱和电子圆二色光谱 (ECD)，成功分离并指认FRT的一对对映异构体4M-FRT和4P-FRT (图3 C和D)。动力学实验表明4M-FRT或4P-FRT的ECD信号逐渐衰减至消失（图4A），证实手性纯的4M-FRT或4P-FRT发生了外消旋化现象，并符合表观一级动力学过程（图4C-E）。而在手性高效液相色谱上并未观测到中间体，表明外消旋化过程并不涉及亚胺键的断裂-结合过程（图4B），仅通过苯环旋转即可实现对映异构体间的相互转化。结合结构分析与理论计算，揭示FRT的异构化能垒源于面基元TDB内的甲基位阻效应和顶点基元中的亚甲基间的范德华排斥力 (图3E)。因而，通过改变面基元和顶点基元的非共价排斥力，可原位精准调控FRT的异构化过程。

图3. FRT的构筑、晶体结构、手性-HPLC谱图、电子圆二色光谱 (ECD) 和RDG分析。

图4. FRT的外消旋化动力学。

表1. FRT在不同溶剂中的外消旋化动力学参数。

通过氟离子与TDB间的可逆结合调控面基元内的苯环位阻，实现了FRT外消旋化过程的可逆调控 (图5)。当加入三水合四丁基氟化铵 (TBAF) 时，FRT的表观速率常数由0.036 min^-1减小至0.003 min^-1，活化能则由85.7 kJ•mol^-1能升至128.0 kJ•mol^-1，显著减缓其手性异构化过程。进一步采用三氟化硼乙醚 (BF₃•Et₂O) 移除氟离子，可使表观速率常数恢复至原有水平。同时，溶剂也可用于调控FRT的异构化过程 (表1)，随着溶剂极性的提升，FRT的异构化速率被显著降低。

图5. 氟离子可逆结合调控FRT的外消旋化过程。

通过R-(+)-1- 和S-(-)-1-苯乙醇 (R-Ph和S-Ph) 与顶点亚胺键间的氢键作用（图6A），调控顶点基元的翻转能垒而诱导FRT的手性。诱导后的FRT的非对映体过量 (diastereomeric excess) 值可达50%（图6B）。二维NOE核磁谱证实手性苯乙醇在空间上作用于FRT顶点部分（图6D）。通过构建普适性的物理化学模型，拟合FRT外消旋过程的动力学曲线（图6E），揭示不对称因子μ是该外消旋化过程中最重要的描述符（图6C）。同时，FRT的不同对映异构体与诱导剂的亲和力差异是手性诱导的主要驱动力，并最终决定非对映体过量值。该设计策略和物理化学模型不仅可应用于分子多面体，亦可适用于分子开关和分子马达，进而实现各种动态手性的分子或超分子组装体的去外消旋化过程。随着对动态化学体系的深入研究和理解，这些可控的动态体系可应用于不对称合成、动力学药物手性拆分和手性光学材料等方面。

图6. 手性苯乙醇 (R-(+)- /S-(-)-1-苯乙醇) 诱导FRT的手性。

这一成果近期发表在国际学术期刊J. Am. Chem. Soc.上。厦门大学化学化工学院毕业博士生高文斌为该论文第一作者，通讯作者是瞿航博士、苏纪豪教授和曹晓宇教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Chiral Molecular Cage with Tunable Stereoinversion Barriers

Wen-Bin Gao, Zhihao Li, Tianyi Tong, Xue Dong, Hang Qu*, Liulin Yang, Andrew C.-H. Sue*, Zhong-Qun Tian, and Xiao-Yu Cao*

J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 17795–17804, DOI: 10.1021/jacs.3c04761

研究团队简介

该联合团队致力于发展多组分、多级次复杂组装体的可控制备与表征新方法。从非共价键合成的角度审视分子组装，开发高效、精准的可控组装新方法——催组装；发展以微流控–核磁共振为代表的原位、实时、高分辨的组装表征新方法；在微纳尺度，研究组装体之间基于物质、能量与信息交换的通讯网络，构建仿生复杂组装系统；在宏观尺度，结合大数据与机器学习，研究基于多模态通信机制的复杂自组织系统。

课题组与国内外高水平研究机构具有密切的合作关系，已有多位表现优异毕业生前往海外一流高校相关课题组学习。因研究方向具有高度学科交叉性，欢迎具有化学、化工、材料工程等相关专业背景的学生加入。课题组欢迎对相关科研方向有强烈兴趣的学生询问和申请相应职位。

详情请见:

http://www.complexsystem.cn/ 

曹晓宇教授简介

厦门大学化学化工学院教授，博士生导师。2003年毕业于北京大学化学与分子工程学院，导师为席振峰院士和裴坚教授；2009年获博士学位，导师为Jean-Marie Lehn教授(1987年诺贝尔化学奖，“超分子化学之父”)；2009至2011年获玛丽居里奖学金资助前往荷兰埃因霍温理工大学从事博士后研究，合作导师E. W.  (Bert) Meijer教授与Patricia Y. W. Dankers教授。2011年起在厦门大学任教，近五年以通讯作者身份(含共同)在Nat. Commun. (2篇), J. Am. Chem. Soc. (4篇), Angew. Chem. Int. Ed. (3篇), Chem. Soc. Rev.等期刊发表论文三十余篇，并于2017年获得基金委“优秀青年基金”及中组部“万人计划”青年拔尖人才项目支持。

https://www.x-mol.com/university/faculty/14167 

苏纪豪教授简介

厦门大学化学化工学院教授，国家高层次青年人才，博士生导师。苏纪豪教授于2011年在美国加州大学洛杉矶分校获得博士学位，师从2016年诺贝尔化学奖得主Sir Fraser Stoddart教授；并于2011-2013年在加州大学伯克利分校Omar Yaghi教授课题组从事博士后研究；2021年加入厦门大学化学化工学院。自2015年独立开展科研工作以来，多项成果已发表于Nat. Synth., Chem, J. Am. Chem. Soc、Angew. Chem. Int. Ed.、Sci. Adv.等高水平期刊。

瞿航博士简介

博士，英国利物浦大学博士后。2015年毕业于南开大学，获化学和数学与应用数学双学士学位。2021年博士毕业于厦门大学化学化工学院，师从曹晓宇教授和田中群教授。现于英国利物浦大学Andrew I. Cooper教授课题组从事博士后研究。近年来在国际高水平期刊J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., Chem. Sci. 等发表论文18篇。其中，以一作、共同一作或通讯作者发表论文6篇。研究方向为分子组装和催组装、化学机器人及自动化等。