从共价手性到拓扑手性：分子Solomon Links的立体选择性合成

注：文末有研究团队简介 及本文科研思路分析

机械互锁分子（Mechanically Interlocked Molecules, MIMs）是由分子间或分子内的穿插和缠绕而形成的互锁结构。伴随MIMs的化学拓扑学（Chemical Topology）开辟了化学的新领域，使得化学家们第一次接触到了拓扑学。MIMs的拓扑结构不仅表现出卓越的美感，其在应用方面也拥有巨大的潜能。其中，手性在MIMs的拓扑结构中表现出来的拓扑手性（不能通过连续变形为其镜像）尤为重要。尽管MIMs的拓扑手性早已为人所知，但它们的立体选择性合成却鲜见报道。

对于两个非定向分子环，它们相互穿插互锁一次形成的分子Hopf Links（[2]索烃）不具有拓扑手性，而它们双重互锁形成的分子Solomon Links就具有了拓扑手性（有一对拓扑对映体P和M）。目前为止，虽然许多外消旋的分子Solomon Links已被合成出来，但具有直接结构证据的单一拓扑手性Solomon Links的立体选择性合成却尚未被实现。

图1. 拓扑非手性Hopf Links（a）和拓扑手性Solomon Links（b）的结构。

最近，复旦大学的金国新（点击查看介绍）课题组利用轴手性配体结合半夹心[Cp*Ir]²⁺（Cp* = 五甲基环戊二烯基）有机金属角巧妙地设计实现了拓扑手性Solomon Links的非对映选择性合成。

图2. 单一拓扑手性Solomon Links的逆合成分析。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

金国新课题组主要是基于配位驱动自组装并利用半夹心[Cp*M]²⁺（M = Rh³⁺, Ir³⁺）有机金属角来合成复杂的结构。通过对Solomon Links拓扑结构的仔细研究，并综合考虑已报道外消旋体的结构，作者将目光锁定在了Solomon Links的一种拓扑表示II上（图2）。接下来需要选择合适的手性双齿配位以及双核铱化合物来实现这一目的。通过对大量文献的查阅，作者最终确定了尺寸合适并且可以产生分子间交叉π-π相互作用的轴手性配体R-L（或S-L），当其与适当长度的双核铱化合物配位自组装时，就可能通过配体间的π-π相互作用形成单一拓扑手性的Solomon Links。

图3. 分子Solomon Links的拓扑对映异构体P和M的立体选择性合成。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

不出意外地，作者使用轴手性配体R-L和S-L与双核铱化合物Ir-B(OTf)₂（长度8.0 Å，大约为2个π-π相互作用的距离）通过配位驱动自组装分别非对映选择性地得到了分子Solomon Links的拓扑对映异构体P（Ir-1P）和M（Ir-1M）。从Ir-1P 和Ir-1M 的单晶结构中，可以看出Solomon Links形成的主要驱动力是轴手性配体之间的π-π相互作用，并且该相互作用也是手性传递（由配体的轴手性到Solomon Links的拓扑手性）的桥梁。此外，该合成的立体选择性也已被NMR光谱、ESI-MS和CD光谱所证实。

图4. Solomon link Ir-1P 的分子和拓扑结构。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

图5. Solomon link Ir-1M 的分子和拓扑结构。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

这一研究成果于近期以Communication的形式发表在Journal of the American Chemical Society上，文章第一作者为复旦大学博士研究生崔正，通讯作者为复旦大学金国新教授。该工作得到了国家自然科学基金和上海市科学技术委员会的资助。

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）：

Stereoselective Synthesis of a Topologically Chiral Solomon Link

Zheng Cui, Ye Lu, Xiang Gao, Hui-Jun Feng, Guo-Xin Jin*

J. Am. Chem. Soc., 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c05366

金国新教授简介

复旦大学化学系无机化学学科带头人，国家杰出青年基金获得者（1999年），长江学者特聘教授（2001年），享受国务院政府特殊津贴。曾任中国科学院长春应化所研究室主任，现任中国科学院上海有机化学研究所金属有机化学国家重点实验室学术委员会副主任、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。曾担任Dalton Transactions副主编、Organometallics、Journal of Organometallic Chemistry、《无机化学学报》以及《科学通报》编委；被选为英国皇家化学会会士，欧洲科学院外籍院士。在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Chem, Nat. Commun., Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., Acc. Chem. Res. 等顶尖国际期刊上发表论文300余篇，连续多年入选爱思唯尔中国高被引学者名单，2009年获得上海市自然科学一等奖，2016年获得德国洪堡研究奖。课题组长期从事碳硼烷化学和有机金属超分子化合物设计、组装及应用的研究。

https://www.x-mol.com/university/faculty/9632

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：一个研究工作本质上来说是对一个或多个问题的解答，那么最重要的就是要知道待解决的问题。我们是基于目前机械互锁分子（MIMs）领域研究的现状，首先确定了拓扑手性MIMs这一尚待充分探索的方向。然后对其中一个具体的拓扑手性结构（Solomon Links）进行攻克，结合对该领域的了解以及对文献的查阅，我们就选择了通过轴手性配体来实现这一目的。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：最大的挑战有两个，其中一个是对轴手性配体的选择，这需要我们仔细查阅文献并对配体可能会存在的相互作用有基本的了解，然后在很多轴手性配体中，挑选出最合适的。当然，这可能存在得不到目标结构的风险，但经过前期的准备会提高命中率，不过也比较幸运，我们这次一下子就成功了。另一个挑战就是对单晶的培养，当然这需要不断的尝试各种条件，然后得到最好的单晶。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：目前，拓扑手性的研究还相对较少，但从共价手性的应用就可以预见拓扑手性在手性催化，手性分离，手性识别等领域将会有很大的发展潜力。拓扑手性与共价手性的相互作用也可能会对共价手性的性能产生大的影响，这些都亟待研究。现在也已经有研究小组在进行拓扑手性应用相关的研究了。