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鬼斧神工,分子打结:《Science》报道“五叶结”分子的合成及其催化性质

扭结(Knot)是指三维空间中不与自身相交的封闭曲线,通俗一点说就是无法被解开的圆圈,是拓扑学当中的一类图形。例如,最简单的非平凡扭结是三叶结,相当于两个交叉的结的末端相连而成(图一)。这类几何形状在分子结构中也有出现,天然的分子结(Molecular knot)存在于DNA、蛋白质和一些长链的高分子当中,这些三维结构能够改变分子的一些物理化学性质,并影响着一些生物大分子的功能表达。不过,这些复杂的三维结构对分子理化性质的影响机理目前还难以探究,同时,通过化学方法合成一定纯度的复杂分子结也是研究者们需要攻克的一大难题。

图一、最简单的非平凡扭结——三叶结。图片来源:Wikipedia


英国曼彻斯特大学David A. Leigh教授课题组致力于分子结制备和性质的研究,并在前期的工作中将联吡啶衍生物小分子链“打”出了“五叶结”(pentafoil knot)的结构(Nature Chem., 2012, 4, 15-20, DOI: 10.1038/NCHEM.1193; Nature Chem., 2014, 6, 978-982, DOI: 10.1038/NCHEM.2056)。最近,Leigh研究团队在优化制备“五叶结”方法的基础上实现了结内配位金属的除去和再配位,并尝试探究了金属配离子对“五叶结”催化碳卤键断裂的催化性能的影响,这项工作发表在了《Science》杂志上(Allosteric initiation and regulation of catalysis with a molecular knot. Science, 2016, 352, 1555-1559, DOI: 10.1126/science.aaf3673)。下面就随小编一起围观一下大神这篇充满艺术感的大作。


作者首先将联吡啶的衍生物——分子1与1.25当量的FeCl2混合,并在溶剂DMSO中加热,在KPF6溶液中沉淀分离后得到了通过联吡啶配位Fe2+而交叠的5条分子1链。在这个五叶形结构的中心,通过长程相互作用嵌入了一个Cl-。之后,作者使用Hoveyda-Grubbs第二代催化剂,将5条分子1链的末端两两相连,形成了闭合的“五叶结”,即[Fe52·Cl](PF6)9[Fe52·Cl](PF6)9可以通过Na4EDTA溶液洗去Fe2+,从而得到不含金属的“五叶结”分子2。将分子2在Zn(BF4)2溶液中以一定条件处理,可以引入Zn2+,得到嵌有5个Zn2+的“五叶结”分子[Zn52](BF4)10。除此之外,[Fe52·Cl](PF6)9也可以在NH4BF4的作用下单独脱除Cl-,得到化合物[Fe52](PF6)10。这些化合物的结构通过核磁共振氢谱(H1 NMR)、电喷雾离子源质谱(ESI-MS)等表征方法进行了确认。

图二、“五叶结”分子合成的示意图。图片来源:Science


作者还进一步研究了“五叶结”分子在催化上的应用。[Zn52](BF4)10分子可以将溴代联苯甲烷上的Br夺去,形成碳正离子,并进一步水解形成羟基(图三)。同时生成的[Zn52·Br](BF4)9可以与三氟甲磺酸甲酯反应脱Br,重新生成[Zn52](BF4)10分子。即这个“五叶结”分子在反应中起到了帮助断裂C-Br键形成碳正离子的催化作用。

图三、[Zn52](BF410催化溴联苯甲烷的水解。图片来源:Science


[Zn52](BF4)10分子还能够通过夺走溴化三苯甲烷的溴形成一种路易斯酸——三苯甲基正离子来催化迈克尔加成反应(Michael addition)或者D-A反应(Diels-Alder)的进行(图四)。通过对比实验发现,未形成“五叶结”的分子1链即使在FeCl2存在的条件下也无法催化上述反应的进行,在配合紫外光谱(UV)等表征手段后,作者佐证了“五叶结”结构对于切断C-Br键形成碳正离子的重要性。另外,如果将生成的[Zn52·Br](BF4)9分子通过Na4EDTA脱Br-和Zn2+则能得到没有切断C-Br键活性的分子2,分子2拥有类似[Zn52](BF4)10分子的脱卤位点,但受到“五叶结”外层的金属离子脱除的影响,中间原有的活性位点失活。若将分子2与Zn(BF4)2作用则重新生成[Zn52](BF4)10恢复了活性,可以进行新一次的催化。这种分子内变构调控另一处位点催化活性的机制与一些酶的作用机制非常类似。

图四、[Zn52](BF4)10与溴化三苯甲烷作用生成三苯甲基正离子并催化其它反应。图片来源:Science


总结一下,作者通过精湛的合成技术制备了可以调变结内阴离子、阳离子脱除和嵌入的“五叶结”分子,并将他们作为催化剂应用到了部分催化反应当中,证实了特定结构具有切断碳卤键的活性,且活性中心的催化性质可以受到外侧配位金属的影响。


简评:

“分子结”的制备可谓鬼斧神工,David A. Leigh团队之前曾对闭环步骤进行了漫长和深入地探索,最终得到了可以调变结内金属离子的“五叶结”。本文中对每一步产物的表征都非常细致,部分结构还进行了X射线衍射实验确定晶体结构。同时,在探究分子的催化性质时还设计了大量的对比实验,最终确定三苯甲基正离子的生成需要[Zn52](BF4)10分子的参与。通篇工作非常严谨,值得大家学习。


http://science.sciencemag.org/content/352/6293/1555


(本文由殢无伤供稿)


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