配位超分子自组装系列进展——基于立体化学活性Fe-金属配体的单一手性Fe-Pd双金属配位分子笼自组装与手性分离

稿件来源:院办 发布人:李心宇 编辑:院办 发布日期:2019-01-04

        手性是合成化学最具挑战性的课题,而手性超分子配合物也是配位化学领域永恒的研究热点。利用金属中心和非手性有机配体自组装手性配位超分子,实质上是一个从无到有创造手性的绝对不对称合成过程。然而,基于非手性配体的手性配合物的可控合成目前仍然是一个难以逾越的挑战,因为如果缺乏手性诱导因素,该过程必然产生立体对映体而得到消旋产物。即便是发生手性破缺形成单一手性配合物,也往往因为金属中心的立体化学活性而产生消旋现象。同时,由于金属中心多变的配位构型,配位自组装往往导致多种立体异构体的共存,从而增加手性分离的难度。但是,正是因为金属中心拥有丰富多彩的立体化学构型,与经典的有机化学碳手性相比,手性配位自组装将有可能创造无穷无尽的手性超分子配合物。因此,如何可控合成并稳定光学纯的单一手性配合物,并进一步加以利用,就引起化学家的极大兴趣,有可能在对映体分离、不对称催化以及手性药物开发等领域产生重要应用。

 

        中山大学化学学院苏成勇教授研究团队长期致力于配位超分子自组装研究,利用配位空间功能化的手段探索微纳限域空间的独特配位化学现象。前期该课题组利用立体化学稳定的D3-对称性[Ru(phen)3]2+型金属有机配体,通过手性识别和传递实现单一手性配位分子笼自组装,得到一对金属-有机分子笼(Metal-organic cages, MOCs)对映体(J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 4456–4459)。进一步利用该八面体手性立体金属中心的高热力学稳定性,采用预拆分次级结构基元前驱体并进行分步组装的方法,成功获得纯手性金属-有机分子笼,实现对C2-对称性有机小分子对映体的手性分离(Nat. Commun. 2016, 7, 10487)。同时,利用该分子笼的手性配位空间,成功实现区域和立体选择性光催化偶联反应(Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 3852-3856)。基于以上结果,他们最近将配位自组装手性分子笼技术发展到了第一周期过渡金属元素铁,利用分步自组装法成功获得高纯度单一手性Fe-Pd双金属配位分子笼。

 

        他们首先利用一次组装的内消旋Fe-金属配体之间的手性识别与传递效应,通过Pd-配位进行二次组装,得到一对Fe-Pd双金属配位分子笼对映体,发现分子笼Fe-中心立体化学可以通过各顶点/边之间的机械耦合效应增强稳定性,进而通过与手性辅助试剂联萘酚共结晶的方法成功拆分得到单一手性分子笼产物。更有意义的是,他们利用铁-中心的立体化学活性,直接在一次组装过程中引入手性联萘酚,原位诱导铁-中心手性配位自组装,成功控制了Pd-配位二次组装的手性产物,并通过快速沉淀,得到更高光学纯度的大量纯手性分子笼。据此,他们提出原位组装与后组装两种手性诱导过程,发展了共结晶热力学拆分与快速沉淀动力学拆分两种手性产物分离方法。与后组装共结晶热力学拆分相比,原位组装快速沉淀动力学拆分方法不仅过程简易,而且手性产物纯度更高,更便于宏量制备。溶液动力学研究表明,立体化学活性的Fe-金属配体在形成双金属分子笼以后,内消旋现象被有效抑制,手性分子笼具有相当高的立体化学稳定性,可以在溶液中长期稳定存在,因此解决了立体化学活性金属中心的手性稳定性问题。他们进一步利用纯手性分子笼拆分有机小分子阻转异构对映体,发展了可循环式拆分方法,两次循环拆分ee值高达88%。与Ru-Pd双金属手性分子笼相比,Fe-Pd双金属手性分子笼合成更简单,条件更温,而且铁元素在地壳中含量丰富,原料廉价易得,因此该工作为开发的廉价金属手性配合物,稳定并利用立体化学活性金属中心提供了新途径。

 

图1

 

 

        相关研究工作发表在国际知名学术期刊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)。

 

        网页链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.8b11152

 

        该研究工作得到国家自然科学基金、广东省珠江人才计划本土创新团队、高校科研业务费、生物无机与合成化学教育部重点实验室和Lehn功能材料研究所的大力支持。