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。利用金屬中心和非手性有機配體自組裝手性配位超分子，實質(zhì)上是一個從無到有創(chuàng)造手性的絕對不對稱合成過程。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難以逾越的挑戰(zhàn)，因為如果缺乏手性誘導(dǎo)因素，該過程必然產(chǎn)生立體對映體而得到消旋產(chǎn)物。即便是發(fā)生手性破缺形成單一手性配合物，也往往因為金屬中心的立體化學(xué)活性而產(chǎn)生消旋現(xiàn)象。同時，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，正是因為金屬中心擁有豐富多彩的立體化學(xué)構(gòu)型，與經(jīng)典的有機化學(xué)碳手性相比，手性配位自組裝將有可能創(chuàng)造無窮無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，有可能在對映體分離、不對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)隊長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-對稱性[Ru(phen)3]2+型金屬有機配體，通過手性識別和傳遞實現(xiàn)單一手性配位分子籠自組裝，得到一對金屬-有機分子籠（Metal-organic cages, MOCs）對映體（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-有機分子籠，實現(xiàn)對C2-對稱性有機小分子對映體的手性分離（Nat. Commun. 2016, 7, 10487）。同時，利用該分子籠的手性配位空間，成功實現(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別與傳遞效應(yīng)，通過Pd-配位進(jìn)行二次組裝，得到一對Fe-Pd雙金屬配位分子籠對映體，發(fā)現(xiàn)分子籠Fe-中心立體化學(xué)可以通過各頂點/邊之間的機械耦合效應(yīng)增強穩(wěn)定性，進(jìn)而通過與手性輔助試劑聯(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)過程，發(fā)展了共結(jié)晶熱力學(xué)拆分與快速沉淀動力學(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力學(xué)拆分方法不僅過程簡易，而且手性產(chǎn)物純度更高，更便于宏量制備。溶液動力學(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)定性問題。他們進(jìn)一步利用純手性分子籠拆分有機小分子阻轉(zhuǎn)異構(gòu)對映體，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單，條件更溫，而且鐵元素在地殼中含量豐富，原料廉價易得，因此該工作為開發(fā)的廉價金屬手性配合物，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）。
網(wǎng)頁鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.8b11152
該研究工作得到國家自然科學(xué)基金、廣東省珠江人才計劃本土創(chuàng)新團(tuán)隊、高?？蒲袠I(yè)務(wù)費、生物無機與合成化學(xué)教育部重點實驗室和Lehn功能材料研究所的大力支持。
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