氙从同手性组装中诱导自身更喜欢的杂手性主体

氙气是一种重要的惰性气体。由于¹²⁹Xe核素所具有的优越核磁共振性质，基于氙的磁共振成像展现了巨大潜力。通过发展可有效结合氙气的主体分子，可望实现高灵敏和特异性的生物检测。然而，作为一个球形的惰性单原子分子，氙缺乏明显结合位点，结合驱动力主要依赖于范德华作用，实现高效结合挑战性大。目前报道的氙结合主体主要以穴番和葫芦脲等共价大环化合物为代表，而非共价组装主体极其罕见。组装主体通常易于模块化合成，具有组合多样性和动态可逆等特性。同时，组装动态可与客体结合相关，因此可为探测主客体结合微妙影响因素提供一种独特途径。

最近，中国科学院化学研究所王其强研究员（点击查看介绍）团队报道了氙气能从外消旋大环的同手性二聚组装溶液中诱导杂手性组装体的形成。针对观察不到的痕量组装物种，作者发展了一种新的实验方法和拟合模型，测得杂手性组装体与氙气的结合常数达到1600 M⁻¹，高出同手性组装体十五倍之多，显著优于现有的组装体系。单晶衍射分析揭示同、杂手性二聚组装体对氙结合能力的巨大差异源于氙原子周围不同对称性的范德华排列。

王其强研究员团队前期合成了一种手性双脲-双硫脲大环化合物M_S，该大环可以二聚组装形成一个稳定、密闭的二聚胶囊，并能动态自适应地结合氙气，结合常数为99 M⁻¹（Nat. Commun. 2020, 11, 6257，点击阅读详细）。为研究该类大环化合物的杂组装行为，作者从相反构型的环己二胺出发，按照相同路线合成了对映体大环M_R（图1）。

图1. 手性双脲-双硫脲大环M_S、M_R的结构及同、杂手性二聚组装形式

¹H NMR研究显示，在M_S/M_R外消旋混合物溶液中，仅观察到同手性组装体 (M_S)₂和 (M_R)₂，表明发生了自恋型自分类自组装。通入氙气至饱和后，除了同手性复合物Xe⊂ (M_S)₂和Xe ⊂ (M_R)₂，溶液中还形成了可观的杂手性复合物Xe ⊂ M_SM_R，这表明氙气能够诱导原本不利的杂手性二聚组装体的生成（图2）。

图2. 氙气包合前后的¹H NMR变化和组装过程示意图

¹²⁹Xe NMR研究进一步证实了氙气诱导的组装过程，体系中存在两种氙复合物物种，相对于自由氙信号，均处于更加高场的位置，其中杂手性氙复合物位移幅度更大，表明与同手性氙复合物相比，杂手性复合物中包合的氙原子受到更为显著的屏蔽效应，预示更加紧密的结合（图3）。

图3. 氙气饱和的M_S溶液、M_S/M_R外消旋溶液的¹²⁹Xe NMR谱图

由于观察不到自由杂手性组装物种的存在，不能采用传统方法直接获得结合常数。作者发展了一种新的实验和拟合方法，根据杂、同手性氙复合物积分比例随M_S/M_R混合比例改变所呈现的钟形变化曲线（图4），通过非线性拟合得到：K_MSMR = 625 M⁻¹，K_{Xe ⊂ MSMR} = 1.6 × 10³ M⁻¹。与同手性组装相比（K_(MS)2 = 1.9 × 10⁴ M⁻¹, K_{Xe ⊂ (MS)2} = 99 M⁻¹），单纯的杂手性二聚组装平衡非常不利，相反，杂手性二聚体的氙结合能力远高于同手性二聚体，代表了目前组装主体的最高水平，可与大多数共价主体相媲美。

图4. 杂、同手性氙复合物积分比例随M_S/M_R混合比例的改变

作者还研究了二聚组装体对其他气体分子的结合能力。H₂、He、O₂和SF₆既不能被同手性二聚体结合也不能诱导杂手性二聚体形成，可能由于它们过小或过大的体积所致。Ar和N₂可以被同手性二聚体包合但不能诱导杂手性二聚体形成。烷烃和烯烃分子如CH₄、C₂H₆、C₃H₈、C₂H₄、C₃H₆以及CO₂和Kr（动力学直径范围3.3–4.5 Å）既能被同手性二聚体包合也能诱导杂手性二聚体形成。在所有测试的气体分子中，氙气与同手性二聚体和杂手性二聚体的结合能力均最强，表明合适的尺寸效应和有利的空腔相互作用。

为了获得对二聚组装和氙结合行为更直观的了解，作者进行了单晶结构分析（图5）。自由杂手性二聚体与同手性二聚体具有基本相似的组装模式，硫脲单元采取syn-anti构型，两个碗形大环分子交叉互扣，通过四重C=O∙∙∙H–N分子间氢键组装形成二聚胶囊，两对平行的C=S∙∙∙H–N分子内氢键进一步锁定大环分子的碗形构象。与同手性二聚体（D₂-对称）不同，S₄-对称的杂手性二聚体中两个大环扭曲方向相反，导致四个硫脲基团交叉排列，围成一个显著不同的空腔环境。在相应的复合物结构中，氙原子被完全密闭包合，具有理想的空腔占有率（55%）。包合氙后空腔体积有所增大（由55 Å³增大至77 Å³），显示大环骨架的自适应调整能力，同时分子间氢键距离明显缩短。更重要的是，四个球形交叉排列的硫脲基团更紧密地包围氙原子，与同手性复合物相比，氙原子与硫脲基团上的碳、氮原子以及周围苯环上的多个碳、氢原子具有更短的范德华接触，导致更好的结合。

图5. M_SM_R和Xe ⊂ M_SM_R晶体结构及杂、同手性胶囊中氙结合环境比较

小结

本项工作报道了手性双脲-双硫脲大环的杂手性组装和氙气结合性质。具有相似组装模式的一对同、杂手性非対映组装体对氙结合能力存在显著差异，与空腔周围的范德华环境特别是对称性排列密切相关，氙气能够诱导选择更适合自身的主体分子。这些发现增进了对氙主–客体化学的理解，为设计和开发高效的氙结合主体提供了新视角。该类动态易得的大环组装体系可望在氙气吸附分离和生物传感应用方面发挥作用。

相关研究结果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，中国科学院化学研究所博士生聂世歆和黄滕宇为共同第一作者。该项工作得到了国家自然科学基金委优秀青年科学基金、面上项目和创新群体项目的资助。

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）：

Xenon Induces Its Own Preferred Heterochiral Host from Exclusive Homochiral Assembly

Shi-Xin Nie, Teng-Yu Huang, Hao Guo, Li-Xia Wang, Jie Cui, Jun-Feng Xiang, Yu-Fei Ao, De-Xian Wang, and Qi-Qiang Wang*

J. Am. Chem. Soc., 2022, DOI: 10.1021/jacs.2c12202

导师介绍

王其强

https://www.x-mol.com/university/faculty/38315