配位超分子自組裝系列進(jìn)展——基于立體化學(xué)活性Fe-金屬配體的單一手性Fe-Pd雙金屬配位分子籠自組裝與手性分離
手性是合成化學(xué)最具挑戰(zhàn)性的課題，而手性超分子配合物也是配位化學(xué)領(lǐng)域永恒的研究熱點(diǎn)。利用金屬中心和非手性有機(jī)配體自組裝手性配位超分子，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)從無(wú)到有創(chuàng)造手性的絕對(duì)不對(duì)稱合成過(guò)程。然而，基于非手性配體的手性配合物的可控合成目前仍然是一個(gè)難以逾越的挑戰(zhàn)，因?yàn)槿绻狈κ中哉T導(dǎo)因素，該過(guò)程必然產(chǎn)生立體對(duì)映體而得到消旋產(chǎn)物。即便是發(fā)生手性破缺形成單一手性配合物，也往往因?yàn)榻饘僦行牡牧Ⅲw化學(xué)活性而產(chǎn)生消旋現(xiàn)象。同時(shí)，由于金屬中心多變的配位構(gòu)型，配位自組裝往往導(dǎo)致多種立體異構(gòu)體的共存，從而增加手性分離的難度。但是，正是因?yàn)榻饘僦行膿碛胸S富多彩的立體化學(xué)構(gòu)型，與經(jīng)典的有機(jī)化學(xué)碳手性相比，手性配位自組裝將有可能創(chuàng)造無(wú)窮無(wú)盡的手性超分子配合物。因此，如何可控合成并穩(wěn)定光學(xué)純的單一手性配合物，并進(jìn)一步加以利用，就引起化學(xué)家的極大興趣，有可能在對(duì)映體分離、不對(duì)稱催化以及手性藥物開發(fā)等領(lǐng)域產(chǎn)生重要應(yīng)用。
中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院蘇成勇教授研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于配位超分子自組裝研究，利用配位空間功能化的手段探索微納限域空間的獨(dú)特配位化學(xué)現(xiàn)象。前期該課題組利用立體化學(xué)穩(wěn)定的D3-對(duì)稱性[Ru(phen)3]2+型金屬有機(jī)配體，通過(guò)手性識(shí)別和傳遞實(shí)現(xiàn)單一手性配位分子籠自組裝，得到一對(duì)金屬-有機(jī)分子籠（Metal-organic cages, MOCs）對(duì)映體（J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 4456–4459）。進(jìn)一步利用該八面體手性立體金屬中心的高熱力學(xué)穩(wěn)定性，采用預(yù)拆分次級(jí)結(jié)構(gòu)基元前驅(qū)體并進(jìn)行分步組裝的方法，成功獲得純手性金屬-有機(jī)分子籠，實(shí)現(xiàn)對(duì)C2-對(duì)稱性有機(jī)小分子對(duì)映體的手性分離（Nat. Commun. 2016, 7, 10487）。同時(shí)，利用該分子籠的手性配位空間，成功實(shí)現(xiàn)區(qū)域和立體選擇性光催化偶聯(lián)反應(yīng)（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 3852-3856）?；谝陨辖Y(jié)果，他們最近將配位自組裝手性分子籠技術(shù)發(fā)展到了第一周期過(guò)渡金屬元素鐵，利用分步自組裝法成功獲得高純度單一手性Fe-Pd雙金屬配位分子籠。
他們首先利用一次組裝的內(nèi)消旋Fe-金屬配體之間的手性識(shí)別與傳遞效應(yīng)，通過(guò)Pd-配位進(jìn)行二次組裝，得到一對(duì)Fe-Pd雙金屬配位分子籠對(duì)映體，發(fā)現(xiàn)分子籠Fe-中心立體化學(xué)可以通過(guò)各頂點(diǎn)/邊之間的機(jī)械耦合效應(yīng)增強(qiáng)穩(wěn)定性，進(jìn)而通過(guò)與手性輔助試劑聯(lián)萘酚共結(jié)晶的方法成功拆分得到單一手性分子籠產(chǎn)物。更有意義的是，他們利用鐵-中心的立體化學(xué)活性，直接在一次組裝過(guò)程中引入手性聯(lián)萘酚，原位誘導(dǎo)鐵-中心手性配位自組裝，成功控制了Pd-配位二次組裝的手性產(chǎn)物，并通過(guò)快速沉淀，得到更高光學(xué)純度的大量純手性分子籠。據(jù)此，他們提出原位組裝與后組裝兩種手性誘導(dǎo)過(guò)程，發(fā)展了共結(jié)晶熱力學(xué)拆分與快速沉淀動(dòng)力學(xué)拆分兩種手性產(chǎn)物分離方法。與后組裝共結(jié)晶熱力學(xué)拆分相比，原位組裝快速沉淀動(dòng)力學(xué)拆分方法不僅過(guò)程簡(jiǎn)易，而且手性產(chǎn)物純度更高，更便于宏量制備。溶液動(dòng)力學(xué)研究表明，立體化學(xué)活性的Fe-金屬配體在形成雙金屬分子籠以后，內(nèi)消旋現(xiàn)象被有效抑制，手性分子籠具有相當(dāng)高的立體化學(xué)穩(wěn)定性，可以在溶液中長(zhǎng)期穩(wěn)定存在，因此解決了立體化學(xué)活性金屬中心的手性穩(wěn)定性問(wèn)題。他們進(jìn)一步利用純手性分子籠拆分有機(jī)小分子阻轉(zhuǎn)異構(gòu)對(duì)映體，發(fā)展了可循環(huán)式拆分方法，兩次循環(huán)拆分ee值高達(dá)88%。與Ru-Pd雙金屬手性分子籠相比，Fe-Pd雙金屬手性分子籠合成更簡(jiǎn)單，條件更溫，而且鐵元素在地殼中含量豐富，原料廉價(jià)易得，因此該工作為開發(fā)的廉價(jià)金屬手性配合物，穩(wěn)定并利用立體化學(xué)活性金屬中心提供了新途徑。
相關(guān)研究工作發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊J. Am. Chem. Soc. （Ya-Jun Hou, Kai Wu, Zhang-Wen Wei, Kang Li, Yu-Lin Lu, Cheng-Yi Zhu, Jing-Si Wang, Mei Pan, Ji-Jun Jiang, Guang-Qin Li, and Cheng-Yong Su*, Design and Enantioresolution of Homochiral Fe(II)-Pd(II) Coordination Cages from Stereolabile Metalloligands: Stereochemical Stability and Enantioselective Separation. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 18183-18191）。
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該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省珠江人才計(jì)劃本土創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、高?？蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)、生物無(wú)機(jī)與合成化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和Lehn功能材料研究所的大力支持。
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