四川大学杨成、伍晚花团队Angew：氮氧化Tröger's Base的大环芳烃在水中实现前所未有的对映选择性识别

水环境中的手性识别对各种生物过程至关重要，由于天然受体的手性，它显著影响药物的疗效和安全性。在这项研究中，作者报道了通过一步缩合反应成功合成了基于Tröger's base (TB)的大环芳烃TBn（方案1）。随后的TBn氧化得到相应的氮氧化物TBnNO， TBnNO赋予空腔水溶性和缺电子特性。值得注意的是，具有刚性骨架和手性疏水性空腔的TB3NO显示出对多种手性底物的有效手性识别（方案1d），其对映选择性高达41.0。

方案1 (a) TBn、(b)水溶性TB2NO和(c)水溶性TB3NO对映体的合成路线；(d)手性客体的化学结构。

作者采用三氟乙酸（方案1a）催化4,4 '二氨基苯基甲烷与甲醛的缩合反应，得到基于TB的产物，并从中分离出两个大环芳烃。得到一个二聚体大环和一个三聚体大环，产率分别为12.1%和47.1%。通过¹H NMR、¹³C NMR和HRMS对分离得到的TBn的化学结构进行了表征（图1）。

图1 (a) TB2在CDCl₃中和 (b) TB3在DMSO-d₆中的¹H NMR氢谱。

通过X 射线单晶分析确定了TB2和TB3的化学结构（图2）。TB2（图2b）和TB3（图2e）均为同手性外消旋对，构型分别为R_4N/S_4N和R_6N/S_6N。如图2a所示，TB2单晶为菱形体结构。TB3中的三个TB单元形成了一个近似的正六边形空腔（图2c），亚甲基桥的键角在112˚~ 118˚之间，远远大于理想的四面体角，表明具有较大的应变和刚性框架。为了适应这种刚性，TB单元在晶体中采用波动交错排列，高度为8.1 Å（图2d）。与大环芳烃中常见的氧穿过环的翻转不同，TB3框架中的刚性v形TB单元和短的亚甲基桥防止其环单元翻转。在单晶结构中，TB3对映体通过相邻对映体之间的CH…π非共价相互作用交替形成螺旋结构（图2e）。

图2 (a) TB2的晶体结构；(b) rac-TB2的堆积方式；TB3的晶体结构俯视图(c)和侧视图(d)；(e)晶体中rac-TB3的堆积，R_6N-和S_6N-TB3分别以粉红色和蓝色突出显示。

采用手性相高效液相色谱法对TB3和TB2进行光学拆分，成功地将每个外消旋体分离为两个对映体。高效液相色谱图显示每个对映体对的峰面积几乎相同。TBn对映体的CD光谱表现出激子耦合特性，在270 nm和300 nm处出现相反的符号峰，每对对映体都表现出完美的镜像光谱（图3）。

图3 298 K 下R-TBn（50 μM）和S-TBn （50 μM）在氯仿中、R-TB3NO （50 μM）和S-TB3NO （50 μM）在H₂O中的CD和UV/Vis吸收光谱。

TB2有一个相对较小的空腔。分子模拟表明，TB2的空腔适合容纳小分子，而TB3具有较大的空腔，能够结合适当尺寸的有机客体。当TB3与G2在CDCl₃中混合时，TB3与G2之间存在络合作用，G2主要与TB3的边缘相互作用，而不是深深嵌入腔内。与R-G2相比，S-TB3与S-G2的络合行为有显著差异。¹H NMR滴定结果显示，S-TB3与S-G2和R-G2的结合常数分别为5.40×10³ M^-1和1.23×10³ M^-1，对映选择因子为4.39。鉴于TB官能团较少，它在有机溶剂中与芳香客体的结合可能主要依赖于溶剂疏水性，π−π和范德华相互作用。TB3的刚性结构具有立体选择性，使其能够优先结合一种对映体。

随后，作者将TB3转化为相应的氮氧化物。对映纯TBn与间氯过氧苯甲酸氧化，得到相应的氮氧化物TBnNO，产率较高（方案1b、1c）。与TBn在水中的不溶性不同，TBnNO具有> 3.0 mM的优异水溶性，但在非极性有机溶剂中几乎不溶。并且TBnNO在pH从1到13的广泛pH范围和不同温度下都表现出良好的稳定性和溶解度，使其能够在各种条件下的水溶液中应用。

优化后的TB3NO结构（图4）表明，N-O键取向于空腔外。N-O键的引入使平均C-N-C角从TB3的约112°略微压缩到TB3NO的108°。大环腔从TB3的正六边形转变为TB3NO的不规则六边形（图4a），TB3的空腔体积显著减小到TB3NO。TB3NO的静电电位图（图4c）显示，TB3NO中N-O部分的氮原子是缺电子的，而氧原子是富电子的。结果，最初富含TB3电子的大环腔变成了缺电子的TB3NO。

图4 TB3NO的能量最小化构象：俯视图(a)和侧视图（b）；(c) TB3和TB3NO的静电电位图。

以R/S-TB3NO为主体，研究了联萘基衍生物（G1-G2）、萘普生（G4）、苯基丙酸（G5）和肌肉松弛剂（G7-G9）（方案1d）等几种重要生化试剂或医药中间体的手性识别特性。TB3NO对这些客体具有良好的结合亲和力和对映选择性，表1列出了用NMR或ITC测定的在水中的结合常数和热力学常数。

表1 用NMR或ITC^[a]测定了298k水中配合物的结合常数和热力学参数。

¹H NMR滴定表明，在D₂O中向S-TB3NO中加入R-G2会导致S-TB3NO质子信号向高场移动（图5a-b），与R-G2@S-TB3在CDCl₃中观察到的现象进行对比，表明由于插入了联萘基部分而产生屏蔽作用。在相同条件下，R-G2与S-TB3NO和R-TB3NO络合的对比研究显示出不同的化学位移曲线。质子H9在R-G2@S-TB3NO配合物中信号向高场移动的幅度明显大于R-G2@R-TB3NO配合物，而在TB3NO和R-G2浓度均为2.0 mM时，H10在R-G2@S-TB3NO中的向高场移动的幅度小于RG2@R-TB3NO（图5a -d）。这些结果表明，在两种非对映异构体配合物中，联萘基部分的空间排列是不同的。

接下来，作者进行了详细的热力学比较。S(R)/R(S)对(S-TB3NO与 R-G2 或 R-TB3NO与S-G2)之间的络合作用表现出有利的焓（ΔH = -10.8 kJ mol⁻¹）和熵（TΔS = 12.5 kJ mol⁻¹）的贡献（图5e），与大多数其他客体的趋势一致（表1）。相反，S(R)/S(R)络合（S-TB3NO与S- G2或R-TB3NO与R- G2）具有更强的焓贡献，但熵不利（图5f）。尽管S(R)/S(R)配合物的焓更有利，但总体上ΔG有利于S(R)/R(S)配合物（R-G2@S-TB3NO）的形成，这主要是由显著的熵优势驱动的。

图5 (a) 2.0 mM TB3NO, (b) 2.0 mM R-G2和2.0 mM S-TB3NO, (c) 2.0 mM R-G2和2.0 mM R-TB3NO, (d) 2.0 mM R-G2的¹H NMR氢谱。(e) 20mM R-G2滴加到1mM S-TB3NO， (f) 70mM R-G2滴加到3.5 mM R-TB3NO，在水中滴定的ITC曲线。

R-G2配合物与S-和RTB3NO的计算模型（图6）表明，由于G2的体积较大，导致部分结合模式，无法完全包合。在R-G2@S-TB3NO配合物中，R-G2的一个萘穿透空腔内部，另一个萘平躺在空腔入口处（图6a）。R-G2穿透R-TB3NO腔的深度大于S-TB3NO，这是R-TB3NO观察到的更大焓增益的原因（图6b）。然而，与S-TB3NO相比，这种更深的插入在R-TB3NO框架中造成了更大的扭曲，这反映在TB单元中苯环之间的二面角的显著变化上。这种结构扭曲会导致R-G2@R-TB3NO中观察到的熵惩罚。DFT计算显示R-G2@S-TB3NO配合物更稳定，与R-G2@R-TB3NO相比，其吉布斯自由能（ΔG）为-2.7 kcal/mol（图6）。

图6 (a) R-G2@S-TB3NO和(b) R-G2@R-TB3NO配合物的能量最小化构象的侧视图、俯视图和IGMH图。

综上所述，由于亚甲基桥的存在，一步法合成的大环芳烃具有刚性框架。随后的氮氧化得到水溶性手性TB3NO，其特点是其刚性框架和带正电的空腔。这种结构能够在水环境中对各种手性客体进行特殊的手性区分，对映选择性高达41。刚性手性主体即使通过疏水力等非定向相互作用也能实现显著的对映体识别。

Title: Nitrogen-Oxidized Tröger's Base Macrocyclic Arenes: Unprecedented Enantioselective Recognition in Water

Authors: Xiaotong Liang, Ting Zhao, Yanling Shen, Lizhi Fang, Long Chen, Dayang Zhou, Wanhua Wu*, and Cheng Yang*

To be cited as: Angew. Chem. Int. Ed.2024, e202416975

DOI: 10.1002/anie.202416975