01
研究背景
手性分子在生命的起源和进化过程中扮演了重要角色，其手性特性在生命的遗传和表达中起着关键作用。手性放大的研究对于理解同手性的起源和手性在生物分子中的作用至关重要。而氢键作为一种重要的作用力，在自然界中被广泛用来构筑同手性生物聚合物，例如蛋白质。然而，受制于氢键体系的易消旋和不稳定性，精确构筑基于氢键的超分子体系、理解其中手性传递和放大的机理一直都是困扰化学研究者的难题之一。
02
研究内容
近日，西安建筑科技大学赵捷副教授与西北大学杨栋教授课题组基于 C3 对称的三苯基苯核心，合成了三 (双脲) 配体 LR 和 LS，研究了从手性配体到阴离子配位四面笼状结构的手性传递与放大，以及主客体相互作用对手性的进一步影响。值得提及的是，除了磷酸根阴离子，碳酸根阴离子和该手性配位在乙腈中也可以配位组装构筑手性笼状分子。
以 DMSO 为溶剂，LR/LS 和等摩尔量的 [K(18-C-6)]3PO4 或 [K(18-C-6)]2CO3 作用，分别得到 [K(18-C-6)]12[(PO4)4LR/S4](1R/S) 四面体结构和 [K(18-C-6)]6[(CO3)3LR/S2](2R/S) 风车状结构。当调整氘代试剂 DMSO-d6 和 acetonitrile-d3 的体积比，从1 : 0逐渐变化至0 : 1时，2R/S 的结构会发生转变，伴随着四甲基铵阳离子 (TMA⁺) 的封装峰的出现，揭示了 A3L2 风车状结构向 A4L4 四面体笼状结构 [K(18-C-6)]₈[(CO₃)₄L₄](3R/S) 的转变 (图1)。
图1 (a) 2R/S 与 3R/S 结构转换示意图 (b) 从 2S 到 3S 结构转换的氢谱 (400 MHz, 298K，封装 TMA+ 的信号用红色矩形突出显示)。
作者采用了 xTB 方法进行理论计算，优化了空腔未封装以及封装了 TMA+ 的 1R/S 和 3R/S 的结构。在优化得到的 1R/S 和 3R/S 的结构中，氢键参数相似。在 1R/S 中，N···O 距离范围为 2.589 至 3.026 Å (平均值为 2.752 Å)，N−H···O 角度范围为 160° 至 173° (平均值为 167°)；在 3R/S 中，N···O 距离范围为 2.722 至 3.035 Å (平均值为2.818 Å)，N−H···O 角度范围为 161° 至 178° (平均值为 170°)。在由磷酸或碳酸配位构成的四面体笼中，配体 LR 形成 ΔΔΔΔ 对映体，而 LS 则形成 ΛΛΛΛ 四面体笼 (图2)。
图2 (a) 1S (b) 1R (c) 3S 和 (d) 3R 的分子模型。
随后，作者研究了在形成 1R/S 和 3R/S 的过程中，以及随后客体分子封装对手性信号的影响。在向手性配体 LR/S (0.1 mM, DMSO : CH3CN = 1 : 9) 中分别加入10.0当量 [K(18-C-6)]3PO4 或 [K(18-C-6)]2CO3 时，CD 信号在 200-400 nm 区间表现在镜像对称的信号，并且在波长为 234 nm 和 290 nm 处都表现出16.5倍的信号增强，在 241 nm、251 nm、266 nm 和 319 nm 处出现了新的信号。此外，向上述溶液中加入1.0当量的 TMA+ 时，CD 信号进一步增强，并伴随着红移 (图3)。这是由于客体分子被封装于四面体笼的空腔内部，能够增强中心三苯基苯的 π-共轭效应。并且，被封装的 TMA+ 与笼状结构形成多重弱相互作用，使得阴离子配位四面体笼状结构更加稳定，从而有效减低外消旋化，进而促进了 CD 信号的进一步增强。
图3 (a) 配体 LR/S、四面体笼 1R/S 以及将 TMA+ 加入 1R/S 中的 CD 光谱 (0.1 mM，DMSO : CH3CN = 1 : 9) (b) 配体 LR/S、四面体笼 3R/S、以及将 TMA+ 加入 3R/S 中的 CD 光谱 (0.1 mM，DMSO : CH3CN = 1 : 9)。
为了研究阴离子配位四面体中的手性转录机制，作者引入了已被证实能形成 A4L4 四面体笼的非手性配体 LNO2，将其引入由 LS 形成的四面体笼中。在保持 LS 浓度为 0.1 mM 的条件下，将手性配体 LS 与非手性配体 LNO2 以不同比例 (3 : 1、1 : 1和1 : 3) 混合，并溶解于 CH3CN 和 DMSO (体积比为9 : 1) 的混合溶剂中，使其与 PO43− 或 CO32− 阴离子进行配位自组装 (图4)。与 1S 相比，由 LNO2 和 LS 以三种不同比例 (LNO2 : LS = 3 : 1、1 : 1和1 : 3；浓度为 0.1 mM；DMSO : CH3CN = 1 : 9) 与 PO43− 阴离子配位组装构筑的笼状结构显示出不同程度的 CD 信号的增强。特别是在3 : 1的混合比例下，290 nm 处的 CD 信号增强了1.6倍，这表明存在“将军-士兵”效应。相较于 PO43− 阴离子配位的混合配体笼，CO32− 阴离子配位的混合配体笼所展现出的手性信号更为复杂。在 LNO2 与 LS 以3 : 1 (浓度为0.1 mM，溶剂比例为 DMSO : CH3CN = 1 : 9) 的混合比例下，所形成的 CO32− 配合物与 3S 相比，其 CD 光谱呈现出相反的信号。这主要归因于在该比例下，形成了 A3L2 风车状结构 ((CO3)3LNO21LS1与(CO3)3LNO22)。随着手性 LS 含量的逐步增加，A3L2 风车状碳酸配合物逐渐转变为四面体笼状结构 ((CO3)4LNO23LS1、(CO3)4LNO22LS2、(CO3)4LNO21LS3及(CO3)4LS4)，其 CD 光谱与 3S 相似，但强度略有降低。
图4 (a) LNO2 和 PO43− 或 CO32− 阴离子的自组装示意图 (b) LS 和 PO43− 或 CO32− 阴离子的自组装示意图 (c)混合配体 (LNO2 : LS= 3 : 1) 和 PO43− 阴离子的自组装示意图 (d) 混合配体 (LNO2 : LS = 3 : 1) 和 CO32− 阴离子的自组装示意图 (e) PO43− 阴离子混合配体笼的 CD 光谱 (f) CO32− 阴离子混合配体笼的 CD 光谱。
03
总结展望
作者合成了以三苯基苯为核心、具有 C3 对称性的三双 (脲) 配体 LR 和 LS，其能够通过与 PO43− 或 CO32− 阴离子配位自组装形成纯手性的 A4L4 四面体笼。这是首次利用 CO32− 阴离子与三双(脲)配体配位构筑 A4L4 四面体笼。从 LR/S 到配位自组装构筑四面体笼 1R/S 和 3R/S，均表现出手性传递和放大。主客体相互作用可以进一步诱导手性放大，并伴随红移现象。此外，PO43− 阴离子配位构筑的混合配体笼表现出“将军-士兵”效应。而 CO32− 阴离子配位构筑的混合配体配合物的手性则可以通过调整手性和非手性配体的比例来调控。该工作为基于氢键体系的阴离子配位超分子结构手性的层级控制提供了可选择的策略，为开发模拟生物手性结构和功能的人工手性结构提供可能性。
04
论文信息
Hierarchical amplification of chirality in anion-coordinated tetrahedral cages
Jie Zhao, Mingli Lian, Zijian Ni, Le Yu and Dong Yang
Org. Chem. Front., 2025, Advance Article
https://doi.org/10.1039/D4QO02062F
*文中图片皆来源上述文章
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05
通讯作者简介
杨栋 教授
西北大学
杨栋，西北大学教授，博士生导师。2009年获得西北大学学士学位，2012年获得西北大学硕士学位，2015年获得西北大学博士学位并留校工作，2018年晋升为副教授，2023年破格晋升为教授。主持国家自然科学基金面上项目 (2019，2024) 和青年科学基金项目 (2016)，陕西省科技厅-创新人才推进计划-青年科技新星项目 (2019)，陕西省教育厅基金一项 (2016)，入选陕西省“特支计划”-青年拔尖人才 (2020)，陕西省普通高校青年杰出人才 (2017)。主要从事功能导向超分子材料的合成及配位多面体笼状结构的构筑与分子识别。代表性成果发表在 J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、CCS Chem. 等多个期刊上。
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