纳米级手性金属-有机四面体笼：非对映选择性自组装和对映选择性分离**

原文作者 Taifeng Liu, Yan Liu, Weimin Xuan, and Yong Cui*

关键词：手性拆分； 手性； 主-客体系统； 包合化合物； 自组装

近十年来，具有内腔的纳米分子结构的自组装受到了广泛关注^[1,2]。这种中空多面体可以通过互补亚单位的识别驱动自组装来合成。利用刚性、高度定向的多支配体与配位不饱和金属配合物结合，已经合成了多种具有不同几何结构的高对称笼状和胶囊^[2-4]。特别是，从Saalfrank等人的开创性工作开始^[3a]，已经以八面体金属中心，C₂-或C₃-对称的双和三（双齿）儿茶酚胺或beta;-二酮为配体组装了各种M_XL_Y笼^[3,4]。Raymond及其同事已经描述了通过手性阳离子拆分外消旋阴离子M₄L₆簇的方法^[4d]。将手性官能团结合到这些组装的实体中可以扩大其在对映选择性过程中的效用^[5,6]。然而，基于手性空腔的不对称过程仍然是相对未被探索的，主要是因为以纯光学形式合成大手性笼很困难^[6]。

具有本征C₂对称性的1,1rsquo;-联苯衍生物是一类广泛应用于手性识别过程的化合物，特别是用作不对称合成中的助剂。^[7]本文报道了从联苯桥联配体5,5，6,6rsquo;-四甲基-3,3rsquo;-二酮-2,2rsquo;-双（甲氧基-甲氧基）-联苯（H₂L）和潜在的C₃-对称金属离子中自组装同手性的四面体笼。该多面体可作为外消旋醇的结晶分离载体，对映选择性高达99.5%。

手性5,5rsquo;，6,6rsquo;-四甲基-3,3rsquo;-二叔丁基-1,1rsquo;-联苯-2,2rsquo;-二醇（路线图1）经四步合成了对映体纯阿托品异构体H₂L，总收率高（32%）。在DMF中，H₂L与M^Ⅲ的氯化物（3:2摩尔比）反应，然后将溶液与甲醇分层，得到中等产量的预期配合物M₄L₆（M = Fe 1，Ga 2）。

路线图1 配体H₂L、化合物1（Fe₄L₆）和化合物2（Ga₄L₆）的合成。MOM=甲氧基甲基。

四聚体化合物的形成可由ESI-MS佐证，在m/z为3370.6和1711.8处，ESI-MS分别显示出预期四聚体[Fe₄L₆ H] 和[Ga₄L₆ 2 H]² 的特征离子峰。化合物1和2的红外光谱在1575 cm^-1除均显示出乙酰丙酮螯合基团的谱带特征。

化合物2的¹H和¹³C核磁共振谱图显示出在单配体环境中具有良好的分辨信号；其中大部分信号相对于自由配体轻微向高场偏移（图1）。联苯配体的C₂对称性保留在配合物中，这可以从核磁共振谱中的信号数目推断出来。在H₂L光谱中，当delta; = 16.71 ppm时，没有Hacac的质子信号支持完全的金属-配体络合。在核磁共振时间尺度上，每个acac基团的甲基质子的共振是等效的，在H₂L中的信号为delta; = 1.96 ppm，但在化合物2中的信号却明显不同，分别在delta; = 1.75 ppm和1.99 ppm处。所有的质子信号都非常尖锐，这表明形成了离散的金属配合物，而不是更高级的低聚物。因此，可以排除具有不同配置金属中心的四聚体物种的形成，因为如果在这种情况下，配体将失去对称性，光谱将更加复杂。因此，我们认为基于H₂L的手性簇的自组装具有很高的非对映选择性，并且只形成一个单非对映体。这些团簇具有理想的四面体对称性，并且包含具有∆∆∆∆或Lambda;Lambda;Lambda;Lambda;对称性的金属中心。

图1 a)以CDCl₃为溶剂的化合物2的核磁共振氢谱图和b)以CDCl₃为溶剂的H₂L的核磁共振氢谱。H₂L的Hacac的质子信号如插图所示。7.26 ppm的单信号对应于CDCl₃。

对化合物1和2的X射线单晶衍射研究清楚地揭示了纳米手性多孔团簇的形成^[8]。化合物1和2都在手性三元空间基P₃中结晶，不对称单元由三个笼中的三分之一形成。每个四聚体簇都具有由四个C3-对称金属中心和六个C2-对称（S）-L配体构成的非晶体学四面体对称结构（图2）。在每个多面体中，金属中心通过协调三种不同配体的三种螯合的acac阴离子中合理的金属-氧距离，采用近乎理想化的八面体几何结构。尽管每个金属中心的三（双）重配位可以形成∆或Lambda;构型，但当由手性（S）-L组成时，簇的整体结构可能是同手性的Lambda;Lambda;Lambda;Lambda;-fac。六种配体中的每一种都具有相同的手性，并通过其两个螯合的acac基团与两个金属中心相配合，化合物1和2的金属-金属平均距离约为12.0 Aring;。因此，金属离子和配位配体的这种排列导致分子四面体的顶点被金属离子和L配体的边缘占据。L配体的两个苯环在1,1rsquo;-位置沿着枢轴C-C键扭曲，化合物1的二面角为74.1–81.58°，化合物2的二面角76.8–79.18°；大部分联苯部分指向远离分子四面体的空腔，形成多孔团簇。

1和2的空间填充图清楚地显示了具有宽孔径的多孔纳米笼的形成（图2b）。簇的总体尺寸约为24.1 Aring;，而每个面上的孔径的对角线距离约为7.0 times; 7.0 Aring;。每一个1和2的笼都有一个体积约为1800 Aring;³，可容纳客体分子的开放的空腔。四面体团簇在1和2中的填充导致客体分子占据了总体积的33%左右^[9]。簇1和簇2是罕见的具有额外的向内定向官能团的同手性分子多面体的例子，这些官能团已经通过晶体学表征^[10]。

图2 a) 1的分子结构视图及 b) 其空间填充模型。（紫色Fe、蓝色C、红色O；
空腔由黄色球体突出显示）。

H₂L的电子光谱以二酮和联苯在283 nm和238 nm的两个pi;-pi;*跃迁为特征。1的pi;-pi;*跃迁发生在276 nm和241 nm处，2则发生在303 nm和239 nm处（图3）。另外，1有两个新的带，分别在约461 nm和369 nm处发生，可能是由配体-金属电荷转移（LMCT）和金属-配体电荷转移（MLCT）过程产生的。

由H₂L的S-对映体和R-对映体形成的1和2的CD光谱是彼此的镜像，从而证明了它们的绝对构型和对映纯度。(S)-和(R)-1的CD光谱分别显示302 nm处的acac pi;-pi;*带和374 nm处的MLCT带，以及493 nm和428 nm处的双信号LMCT带。两个相同的苯基生色团的激子耦合^[11]导致(S)-和(R)-1对应的正负激子在中心为250 nm处呈分裂模式。

图3 以THF为溶剂的1和2的CD（顶部）和UV/Vis（底部）光谱。

(S)-和(R)-2的CD光谱在240 nm处显示出一个苯基pi;-pi;*带，并且不显示苯基的激子耦合，而(S)-和(R)-2分别观察到以296 nm为中心的acac基团的强烈正激子和负激子分裂模式。基于Tris(acac)金属配合物绝对构型分配的激子手性方法^[12]，正激子图表明(S)-2中的每个Ga中心均为Lambda;型，与晶体结构一致；负激子图表明(R)-2中的每个Ga中心均为∆型。因此，新形成的立体金属中心的结构由联苯平台的结构控制。可以清楚地观察到2的acac发色团的激子耦合，因为它们可能没有重叠的跃迁^[11c]，这可以通过它们在吸收光谱中的pi;-pi;*跃迁的显著红移来证明。

在载脂蛋白2的CHCl₃溶液中加入2-丁醇后，核磁共振氢谱无法观察到预期形成的动力学稳定的主客体配合物。然而，在室温下，通过将抽空的主体和外消旋醇在CHCl₃中共结晶，可以轻松实现2-丁醇的掺入（路线图2）。在手性载体上用气相色谱法对(S)-1中的2-丁醇进行了分析，结果表明，(S)-2-丁醇的对映体过量(ee)值为98.8%，保留时间与已报道的样品相比，确定了(S)-2-丁醇的绝对构型^[13e]。外消旋3-甲基-2-丁醇的对映体选择性包合行为相似，其中(R)-1显示出R对映体对S对映体显著的选择性包合。解吸客体的ee值为99.5%。在微量分析和热重分析（TGA）的基础上，将不易溶于常见有机溶剂的包合配合物配制成1·(2-丁醇)₃和1·(3-甲基-2-丁醇)₃。所含分子的手性性质由宿主的手性决定，进一步证明(R)-1对2-丁醇的R对映体的包合性高于S对映体（99.2% ee）。对照实验表明，在相同条件下，配体H₂L本身不能分解2-丁醇对映体。

路线图2 Lambda;Lambda;Lambda;Lambda;-1选择性包合(S)-2-丁醇。

尽管许多人工宿主已被开发用于固态醇的手性识别，但很少有小醇的高度对映选择性包涵体的例子^[13]。特别是，在二级醇的情况下，很难识别手性，因为必须区分作为甲基的对映体和附着在手性碳原子上的氢原子之间的细微结构差异。在这种情况下，将手性笼子与衬有柔性甲氧基甲基醚的两亲腔内部结合起来可能会取得成功；这种结合导致宿主与客体物种在结晶过程中发生生物类似的相互作用^[13g]。试图获得包合加合物的单晶的尝试失败了。对其他外消旋有机物种的溶解行为和分解的进一步研究正在进行中。

综上所述，我们提出了手性中性金属-有机笼的非对映选择性自组装，并证明了其通过结晶包涵体分解小外消旋醇的高度对映选择性能力。进一步的研究旨在通过对有机连接体的改性来扩大笼的开放通道和进一步的功能化。

实验过程

1和2的合成：在室温下将含FeCl₃（10.8 mg，0.067 mmol）的DMF（1 mL）溶液逐滴添加到含(S)-或(R)-H₂L（52.6 mg，0.1 mmol）的DMF（4 mL）溶液中。所得溶液变为深紫色并搅拌10分钟，之后用甲醇将溶液分层。两周后，通过过滤收集适合X射线晶体学的暗红色晶体<st

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