分子張力工程(Molecular-Strain Engineering, MSE)—利用幾何尺寸不兼容所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)受迫形變在分子內(nèi)部施加張力,從而使分子本身產(chǎn)生精確可調(diào)的應(yīng)變構(gòu)型;這些應(yīng)變構(gòu)型有望在調(diào)控分子自身物理化學(xué)性質(zhì)和超分子組裝行為、操控化學(xué)反應(yīng)進程和選擇性等方面表現(xiàn)出異于非應(yīng)變構(gòu)型的獨特性能。分子張力工程解決的關(guān)鍵科學(xué)問題是探究張力對分子行為與性質(zhì)的調(diào)控規(guī)律與機制。西湖大學(xué)劉志常團隊自成立以來一直致力于分子張力工程領(lǐng)域研究。目前已經(jīng)在分子張力工程領(lǐng)域做了一系列的工作,包括:(1)張力調(diào)控的雙壁四面體的組裝(Chem 2021, 7, 2160–2174.)、(2)利用張力調(diào)控手段選擇性捕獲phlorin中間體(CCS Chem. 2022, DOI: 10.31635/ccschem.022.202101679)和porpodimethene中間體(Mater. Today Chem. 2022, 24, 100868),以及(3)合成具有張力的薁單元的稠環(huán)芳烴以利用張力調(diào)控分子的立體電子結(jié)構(gòu)(Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202205658)。近日,劉志常團隊在分子張力工程基礎(chǔ)上,利用其獨創(chuàng)的嵌套反螺旋策略一鍋自組裝高效構(gòu)建了具有不同張力的拓撲分子三葉結(jié),并實現(xiàn)了手性自分類現(xiàn)象,同時也實現(xiàn)了分子內(nèi)的拓撲機械張力調(diào)控的熱誘導(dǎo)自旋交叉轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。此策略為合成其他復(fù)雜的分子拓撲結(jié)構(gòu)開辟了新道路,也為更深一步的探索分子拓撲結(jié)廣泛的性質(zhì)及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。這一成果近期發(fā)表在Nature出版集團旗下的國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然?合成》(Nature Synthesis 2022, DOI: 10.1038/s44160-022-00173-7),西湖大學(xué)為唯一通訊單位,劉志常教授為通訊作者,第一作者是西湖大學(xué)化學(xué)系第一期博士研究生吳林。在過去的40多年里,化學(xué)家們致力于復(fù)雜拓撲分子結(jié)的合成及其潛在的應(yīng)用研究。自1989 年 Sauvage 等人利用線性雙核金屬螺旋合成三葉結(jié)以來,大量合成方法比如金屬模板亞組分自組裝、螺硅烷模板、非共價模板作用以及疏水效應(yīng)等已被用來合成分子結(jié)。目前合成分子三葉結(jié)比較成熟的方法主要有Sauvage開發(fā)的線性雙螺旋策略和Leigh發(fā)展的圓形螺旋策略。本文中作者另辟蹊徑,開發(fā)了一種新穎的基于多股(>2)線性螺旋的嵌套反螺旋策略來構(gòu)建通常的環(huán)結(jié)分子。該策略如下:沿C3對稱軸拉長環(huán)面右手螺旋(Δ)三葉結(jié)會形成管狀右手螺旋三葉結(jié)(如圖1),外層則用更大的左手螺旋手性(Λ)同軸嵌套連接起來。同理,環(huán)面 Δ-Solomon link可以由雙嵌套Δ?Λ-四重螺旋管連接實現(xiàn)。因此,這種基于嵌套反螺旋的普適性策略可以利用連接體在內(nèi)核和外核之間通過適當?shù)耐S嵌套一步實現(xiàn),或者通過預(yù)組織先形成內(nèi)核多股螺旋,然后使用相反螺旋手性的連接體將每條鏈的外側(cè)頂端與另一條不相鄰鏈的底端連接起來即可。考慮到金屬模板已被證實在合成多鏈螺旋中的通用性,因此,金屬模板多股螺旋可以作為構(gòu)建模塊有效地實現(xiàn)該策略。本文中作者介紹的“嵌套反螺旋”方法中,僅通過兩個金屬模板離子即可構(gòu)建多股金屬螺旋。

通過精心設(shè)計,作者將3當量的3,3'-聯(lián)吡啶-6,6'-二甲醛(化合物1)與3當量具有不同烷基鏈長度(C3,C4,C6)的聯(lián)苯二胺(2a,2b,2c)在3當量Fe(OTf)2模板的誘導(dǎo)下利用動態(tài)共價化學(xué)于乙腈中反應(yīng)24小時即可以分別得到TK3(深藍色)、TK4(深紅色)、TK6(橘紅色)。為了進一步驗證該策略的通用性,作者又利用對亞苯基間隔的二吡啶二甲醛(化合物11)與具有C7烷基鏈的聯(lián)苯二胺(2d)反應(yīng),同樣以高產(chǎn)率得到TK7(如圖2),它也是迄今為止合成的最長的三葉結(jié)(111個原子長度構(gòu)成的長約11 nm的閉環(huán)結(jié)構(gòu))。

圖2.合成具有不同長度碳鏈的三葉結(jié)及還原去金屬化的三葉結(jié)TK4D通過將異丙醚緩慢擴散至TK3、TK4和TK6的乙腈溶液和TK7的硝基甲烷溶液中,作者獲得了TK3、TK4、TK6和TK7的晶體結(jié)構(gòu)(如圖3a)。這四種晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出D3對稱的拉伸紡錘狀三葉結(jié)拓撲結(jié)構(gòu)與起初設(shè)計思路相吻合。TK3、TK4、TK7的晶胞單元中存在一對拓撲手性相反的對映異構(gòu)體。于是,作者利用手性HPLC成功將TK4的對映異構(gòu)體拆分開,并用CD光譜證明其光學(xué)純度(如圖3c)。作者進一步發(fā)現(xiàn),TK6發(fā)生了手性自分類現(xiàn)象(如圖3b)。于是,借助單晶X-射線衍射技術(shù)成功將TK6的兩種光學(xué)純的單晶進行了手動分離,其光學(xué)純度用CD光譜得以證明(如圖3c),進而證明TK6的絕對構(gòu)型分別為Δ-(?)-TK6和Λ-(+)-TK6。

圖3. (a) 不同三葉結(jié)的晶體結(jié)構(gòu);(b) TK6的手性自分類;(c) TK4手性拆分的CD光譜和TK6的手性自分類CD光譜然后,作者將TK4進行還原脫金屬化后經(jīng)過分離提純,以75%的產(chǎn)率得到純有機的三葉結(jié)TK4D。通過高分辨質(zhì)譜和1H NMR以及單晶結(jié)構(gòu)確認其拓撲分子結(jié)構(gòu)(如圖4),TK4D通過分子內(nèi)六重氫鍵以及三重[p???p]相互作用很好地穩(wěn)定了該結(jié)構(gòu)。
作者通過變溫核磁實驗發(fā)現(xiàn): TK3和TK4隨著溫度升高,亞胺質(zhì)子向低場移動,而TK6的亞胺質(zhì)子則向低場位移(如圖5a),初步說明TK3和TK4二價鐵中心發(fā)生了熱誘導(dǎo)的低自旋到高自旋的交叉轉(zhuǎn)變現(xiàn)象(SCO)。同時,通過肉眼觀察到TK3、TK4和TK6的溶液在室溫下呈不同顏色,代表了他們不同的自旋態(tài)(如圖5b)。作者通過進一步測量三種具有不同張力的三葉結(jié)的變溫磁化率得知,張力較大的TK3和TK4隨著溫度的升高,高自旋的比例逐漸增加,張力較小的TK6在溫度測量范圍內(nèi)始終處于高自旋狀態(tài)(如圖5c)。最后,測量TK3、TK4和TK6的變溫單晶中Fe?N鍵鍵長及八面體畸變角的變化進一步佐證了張力可調(diào)控的自旋交叉轉(zhuǎn)變現(xiàn)象(如圖5d)。這是利用機械張力調(diào)控拓撲分子結(jié)的自旋交叉轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的首個例子。

圖5.(a)變溫核磁;(b)晶體溶液的顏色;(c)變溫磁化率曲線;(d)變溫單晶的鍵長和鍵角參數(shù)變化以上研究表明研究者設(shè)計的嵌套反螺旋策略可高效構(gòu)建具有不同張力的拓撲分子三葉結(jié)并實現(xiàn)了手性自分類現(xiàn)象,同時也實現(xiàn)了分子內(nèi)的拓撲機械張力調(diào)控的熱誘導(dǎo)自旋交叉轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。此策略為合成其他復(fù)雜的分子拓撲結(jié)構(gòu)提供了新思路,也為更深一步的探索分子拓撲結(jié)更廣泛的性質(zhì)及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
這一成果近期發(fā)表在Nature出版集團旗下的國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然?合成》(Nature Synthesis 2022, DOI: 10.1038/s44160-022-00173-7),西湖大學(xué)為唯一通訊單位,劉志常教授為通訊作者,第一作者是西湖大學(xué)化學(xué)系第一期博士研究生吳林。該工作得到了國家自然科學(xué)基金(22171232、21971211)浙江省自然科學(xué)基金(2022XHSJJ007)和浙江省錢江人才計劃(QJD1902029)的支持。