东京工业大学Michito Yoshizawa团队Chem：通过螺旋多环芳烃胶囊进行光学手性转移

螺旋性是最重要的生物结构之一。尽管人工螺旋组装体已被广泛制备，但迄今为止，骨架内空间的利用仍未得到充分开发(图1A和B)。在本研究中，作者通过手性糖基侧链调控新型多环芳烃胶囊的四重螺旋性。胶囊可以将非手性荧光和富勒烯染料封装在内腔中，所得主客体复合物分别表现出优异的圆偏振发光 (CPL) 和强诱导圆二色性 (CD) 特性（图1C和D）。这是一种新型的的基于主客体的光学手性转移系统，有望用于手性生物传感和不对称合成的等领域。

图 1. 新型单手螺旋胶囊的设计

螺旋聚芳烃胶囊的制备

作者首先合成了带有两个β-D-葡萄糖基侧链的弯曲多环芳烃配体 L^D，再将配体 L^D、PtCl₂(CH₃CN)₂和 AgNO₃混合在 DMSO（1.5 mL）中，120℃下搅拌 14 h，得到了Pt(II)基胶囊 1^D 和Pd(II)基胶囊 2^D，其结构通过 NMR 和质谱（MS）分析进行了确认（图 2）。

图 2. 胶囊 1^D 的形成和表征

紫外-可见光谱可以观察到，D-葡萄糖连接的配体L^D（72 mM）在320-420 nm范围都具有来源于蒽单元的强烈吸收带（图3A），其CD光谱在同一区域可以观察到微弱的科顿效应（∆ε_max =－0.46）（图3B）。在相同条件下，Pt(II)-胶囊1^D表现出类似的略有红移（∆γ_max = +5 nm）的蒽基吸收带，但其CD光谱中观察到相对较强的负科顿效应（∆ε_max =－27.8，378 nm）（图3B）。在D-葡萄糖浓度相同的情况下，1^D 的绝对谱带强度 (| ∆ε_max|) 比 L^D 高 60 倍以上（图 3D）。CD信号增强可能是因为蒽单元和苯环之间的二面角发生了很大变化（图3G 和 3H），其中 1^D 内的自由 L^D 和 L^D 的平均角度分别为 98°和 108°。(M)-1^D的理论 CD 光谱在较短和较长的波长区域分别显示出强负谱带和弱正谱带（图 3E，蓝线），表明 1^D 最稳定的构象是四重 (M) 螺旋结构，并且计算得到 (M)-1^D 的能量比 (P)-1^D 低约 4 kJ mol^－1（图 3F）。通过对 CD₃OD 中的 ¹ H NMR 光谱进行积分，估算出 1^D 的 (P)/(M) 比为 14:86（图 2C），其中在 8.64 ppm 和 8.80 ppm 处观察到两个来自 1^D 上的非对映吡啶基质子 (H_j)的双峰信号。结合 CD、NMR 和计算研究，发现胶囊  1^D 通过有效的手性转移，以左手 (M) 螺旋性作为主要构象异构体 (>85%)生成，而将 D-葡萄糖侧链替换为 L-葡萄糖侧链，则可切换螺旋性。异构体胶囊 1^L 和配体 L^L 分别显示出较强和相当弱的 CD 谱带（∆ε_max = 24.8 和 0.51，378 nm；图 3B），与  1^D 和 L^D 的 CD 谱带相反。

为了深入了解胶囊的受控螺旋性，作者在相同的配体浓度下进行了温度、溶剂和手性基团依赖性的 CD 研究。在 1^D 的 CD 光谱中，与25℃相比，在10℃处，378 nm处的科顿效应增加了20%，而在50℃处则减少了15%（图3D），这表明通过多环芳烃的CH-Π相互作用，(M)-螺旋性实现了热力学稳定。溶剂依赖性CD 光谱可以观察到，与 CH3OH相比，室温下  1^D  的 H2O 和 DMSO 溶液中的圆二色谱强度分别降低了约 0 % 和 70 %（图 3D）。此外，D-甘露糖连接的胶囊 1M 显示出负科顿效应（∆ε_max =－20.5, 378 nm），强度是 LM 的 28 倍以上（∆ε_max =－0.73），但是相同条件下  1^D  的 0.7 倍（图 3C 和 3D）。以上结果表明，手性侧链的空间体积是控制胶囊螺旋性的主要因素，而非氢键相互作用。

图 3. 螺旋胶囊 1^D/L/M 的光谱特性

封装后实现高效的光学手性转移

接下来作者使用 BODIPY 衍生物 DMB 和 PMB 以及 NR 作为非手性疏水客体，通过CD 和长波长圆偏振发光 (CPL)研究了胶囊的诱导光学手性。作者将  1^D 和二甲基取代的 DMB混合在 D₂O中，80℃下搅拌 3 h，定量形成 1:2 主客体复合物  1^D ·(DMB)₂（图 4A）。¹ H NMR 谱在 0.81 至 1.41 ppm 范围内可以观察到来自(DMB)₂ 的甲基信号，与游离 DMB 相比，发生了显著的上场偏移（图 4B 和 4C），ESI-TOF MS 分析进一步证实了主客体组成（图 4D）。1^D ·(DMB)₂ 和 1^L·(DMB)₂ 在 H₂O 中的紫外可见光谱显示，封装染料在 430–600 nm 处有新的吸收带，而蒽单元的吸收带在 310–430 nm 处（图 4E）。1^D/L·(DMB)₂ 的水溶液发出橙色荧光，在 480 nm 的光照射（γ_ex）下，在 γ_max = 505 nm（ɸ_F = 13%–14%）处显示相同的发射带（图 4F）。

在  1^D ·(DMB)₂ 的 CD 光谱中， 380 nm（∆ε_max =－92.6）、485 nm以及537 nm（∆ε_max =－44.3 和 +30.3）处观察到了来自主客体组分的负/正科顿效应（图 4G ）。这表明通过螺旋骨架，实现了从手性侧链到腔中非手性染料的光学手性转移。与  1^D ·(DMB)₂ 相比，对映体 1^L·(DMB)₂ 在 CD 光谱中表现出反向科顿效应（图 4G），进一步证实了主客体之间的手性转移。主客体复合物 1^D ·(DMB)₂和 1^L·(DMB)₂在γ_ex = 450 nm处表现出500 nm左右的镜像CPL信号（图 4H），这源于腔中的客体发射。1^D ·(DMB)₂和 1^L·(DMB)₂的发射不对称因子 (g_lum) 在 533 nm 处分别约为－1.0×10 ^－3 和1.0×10 ^－3，表明它们在溶液中的 CPL 能力较高。

图 4. 主客体复合物 1^D/L·(DMB)₂ 的形成与光学特性

增强和可调的手性发光特性

与 1^D ·(DMB)₂类似，用五甲基取代的 PMB 处理  1^D后得到主客体复合物 1^D·PMB（图 5A）。(M)- 1^D·PMB 的优化结构表明 PMB 完全封装在 1^D 的多环芳烃内腔中，具有多个主客体 CH₃-p 相互作用（图 5B）。1^D·PMB 的紫外-可见光谱在 440–550 nm 处可以观察到来自客体的新吸收带（图 5A）。在  1^D·PMB 的 CD 光谱中，分别在 484 nm（∆ε_max =－22.9）和 545 nm（∆ε_max = +5.9；图 5C）处观察到来源于客体染料的负科顿效应和正科顿效应。由于 1^D·PMB为 1:1主客体结构，其CD 强度低于 1^D/L·(DMB)₂（图 4G）。相比之下， 1^D·PMB 和 1^L·PMB 的 CPL 光谱在 588 nm 处分别观察到呈对称形式的负谱带（g_lum =－1.6×10^－2）和正谱带（glum = 1.5×10^－2）（图 5D），平均 |g_lum| 值比 1^D/L·(DMB)₂高 15 倍以上。

此外，通过1^D和红色荧光 NR 制备了主客体复合物 1^D·(NR)₂，其紫外可见光谱和 CD 光谱分别在 440–670 nm 处观察到基于客体的宽吸收带（图 5A），在 543 nm（∆ε_max =－4.28）和 602 nm（∆ε_max = +5.81；图 5E）处具有科顿效应。从 1^D·(NR)₂ 及其对映体观察到大致对称的 CPL 光谱，平均 | g_lum|在 625 nm 处，|g_lum| 值为 1.0×10^－3（图 5F）。

图 5. 染料 PMB 和 NR 在 1^D/L内的手性光学性质

高效光学手性转移到富勒烯

作者使用同结构 Pd(II) 胶囊 2^D 代替 Pt(II) 胶囊，研究其对低对称性染料的手性诱导能力。将2^D和 C60混合在 DMSO中，30 ℃下处理 2 h，得到了1:1主客体复合物 2^D·C60。其紫外可见光谱在 450–740 nm 处可以观察到由C60 衍生而来的新的宽吸收带（图 6A 和 6B）。在 545、613、669 和 711 nm 处可以观察到基于富勒烯的科顿效应（图 6C 和 6D），这源于腔中 2^D 到 C60 的光学手性转移 (M)-2^D·C60的 DFT 计算表明，大多数最高占据分子轨道 (HOMO) 和最低未占据分子轨道 (LUMO) 分别位于主客体多环芳烃骨架上（图 6E）。优化结构还表明主客体接触紧密，其面间距仅为 3.4–3.6 A˚（图 6F）。此外，与 H₂O 中的 2^D/L·C60 类似，在固体 2^D·C60 和 2^L·C60 中也观察到镜像 CD 带（图 6D）。

图 6. 光学手性转移到富勒烯 C60

综上所述，为了开发新型手性光学纳米工具，作者采用了四重螺旋 M₂L₄ 框架的多环芳烃胶囊作为外消旋混合物。通过连接基于 D/L-糖的侧链，成功调节了其右手或左手螺旋性（选择性超过85%），同时保持了内部的多环芳烃空间（体积为600 ų）。在封装荧光染料或富勒烯后，通过螺旋胶囊成功实现了从生物手性基团到人工非手性染料的手性转移，且在水中表现出优异的效率。这种手性-螺旋-手性转移的策略可以应用于多种螺旋分子组装体，有望利用其内部纳米空间，开发出更优越的手性生物传感器和水中不对称合成工具。

Title：Remote optical chirality transfer via helical polyaromatic capsules upon encapsulation

Authors：Hayate Sasafuchi, Mayuko Ueda, Natsuki Kishida, Tomohisa Sawada, Seika Suzuki, Yoshitane Imai, Michito Yoshizawa*

To be cited as: Chem, 2025, 11, 1–9

DOI:10.1016/j.chempr.2024.09.031