主客化學和超分子化學的興起和蓬勃發(fā)展為構(gòu)建各種超分子結(jié)構(gòu)提供了機會。其中,大環(huán)與客體分子的分級自組裝可以從根本上改變其動力學和化學行為。近年來,一系列諸如環(huán)中環(huán)、籠中籠、洋蔥型、球中球及俄羅斯套娃型等二元/三元絡合物也被相繼報道。以環(huán)對苯撐(CPP)為代表的碳納米環(huán)由于其彎曲π共軛空腔,使它成為構(gòu)建多元超分子體系的優(yōu)秀主體之一。當碳納米環(huán)被一個更大的主體包結(jié)時,它可以發(fā)生角色轉(zhuǎn)變而成為客體分子,這為二元絡合物的構(gòu)建提供了一個機會。近年來,理論和實驗的研究也證明了較大的碳納米環(huán)可以嵌套較小的環(huán)形成二元絡合物。但是,基于碳納米環(huán)的手性三元絡合物的構(gòu)建仍具有較大的挑戰(zhàn)性,迄今尚未有報道。
近日,北京師范大學江華教授課題組報道了基于[2.2]對環(huán)芳烷([2.2]PCP)的手性碳納米環(huán),并將其應用于手性三元絡合物的分級自組裝及其自戀性手性識別中。眾所周知,取代的[2.2]PCP由于其不同的取向而表現(xiàn)出較好的結(jié)構(gòu)多樣性和穩(wěn)定的手性?;诖?,作者將[2.2]PCP作為手性基元引入到CPP中,合成了手性碳納米環(huán)(Sp/Rp-[12]PCPPs)。同時,作者發(fā)現(xiàn)Sp/Rp-[12]PCPPs不僅可以包結(jié)18-Crown-6形成環(huán)中環(huán)型二元絡合物,也可以包結(jié)18-Crwon-6和質(zhì)子化手性胺絡合物形成手性三元絡合物:即同手性S@Sp-/R@Rp-和異手性R@Sp-/S@Rp-三元絡合物。這些三元手性絡合物表現(xiàn)出不同的CD響應信號,為自戀手性自識別奠定基礎。 首先,作者通過研究Sp-[12]PCPP絡合18-Crown-6 (或18-Crown-6和質(zhì)子化手性胺的絡合物)的相關(guān)1H NMR(實驗和理論計算)、1H DOSY和NOESY等實驗,證明了環(huán)中環(huán)和手性三元絡合物的形成。同時,作者也通過IGM分析證明了在環(huán)中環(huán)和手性三元絡合物中色散力和多重C?H???π相互作用的存在,進一步證明了環(huán)中環(huán)和手性三元絡合物的形成。 之后,作者應用上述手性三元絡合物實現(xiàn)了質(zhì)子化手性胺的對映選擇性識別。隨著18-Crown-6/S-guests絡合物在Sp-[12]PCPP中的增加,Sp-[12]PCPP在340nm處CD信號逐漸增強。而18-Crown-6/R-guests絡合物卻不能引起其CD信號的變化。這說明同手性R@Rp-/S@Sp-三元絡合物分別對S/R-質(zhì)子化手性胺具有較好的自戀性手性識別能力,可用于區(qū)分質(zhì)子化手性胺對映體。另外,對照實驗顯示18-Crown-6在手性三元絡合物的構(gòu)建中扮演著不可或缺的角色。 最后作者應用手性三元絡合物通過CD來量化手性客體分子的ee值。結(jié)果表明,ee值為0~100%時的18-Crown-6和S/R-G-1絡合物的加入可以使Sp-[12]PCPP的CD信號逐漸增強,而ee值為-100~0%時,其CD信號保持不變。同樣,不同ee值的18-Crown-6/(S/R-G-1)絡合物對于Rp-[12]PCPP的CD信號的影響類似??傊珻D變化(??ε)與ee值之間的校準曲線表現(xiàn)出良好的線性一致性,從而為通過手性三元絡合物測定S/R-G-1混合物ee值提供了一個有效的平臺。 該工作中,作者利用手性碳納米環(huán)(Sp-/Rp-[12]PCPPs)和18-crown-6以及18-Crown-6和質(zhì)子化手性胺絡合物之間的分級自組裝成功的構(gòu)建了環(huán)中環(huán)和手性三元絡合物。重要的是,手性三元絡合物對手性胺表現(xiàn)出高度自戀性手性識別。這些結(jié)果突出了手性碳納米環(huán)在構(gòu)建新型手性三元絡合物方面新的用途,拓展了碳納米環(huán)結(jié)構(gòu)在超分子化學和材料科學中的應用。 論文信息 Chiral Carbon Nanorings: Synthesis, Properties and Hierarchical Self-assembly of Chiral Ternary Complexes Featuring a Narcissistic Chiral Self-Recognition for Chiral Amines Yanqing Fan, Jing He, Lin Liu, Guoqin Liu, Shengzhu Guo, Zhe Lian, Xiaonan Li, Weijie Guo, Xuebo Chen, Ying Wang, Hua Jiang* Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202304623