MOFs在線 - 手性金屬有機大環如何從JACS到Nature－鑽石舞台

作為一類超分子配位化合物（supramolecular coordination complexes, SCCs），通過配位自組裝策略形成的金屬-有機大環在催化、分離以及藥物遞送等領域具有潛在的應用。金屬-有機大環的一個最大的優點就是其結構和性能可以從分子水平上進行調控，當使用手性有機配體可以很容易得到手性金屬-有機大環，同時通過配體的修飾可以調控大環的空腔微環境。上海交通大學崔勇教授課題組自2008年報道合成手性席夫鹼金屬大環以來，一直致力於手性金屬-有機大環的可控制備以及在手性分離、傳感等領域的功能探索，取得了一系列原創性成果，值得一提的是基於手性金屬大環的自支撐二維材料發表在Nature雜誌上。

圖1. 吡啶功能化的手性席夫鹼配體與鋅離子組裝得到手性金屬四元環和六元環(Acc. Chem. Res. 2021, 54, 194.)

2008年，崔勇課題組利用吡啶功能化的手性席夫鹼配體(salen)與鋅離子在THF和CH3CN作為模板劑條件下組裝分別得到手性金屬六元環(J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 4582)和四元環(Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 1245)（圖1）。對於手性金屬六元環，Zn(salen)與配體上的一個吡啶基團配位形成，另一個吡啶基團未參與配位，其外徑為4.01 nm，高度為1.19 nm，內徑為1.20 nm，其內部有六個叔丁基修飾的疏水口袋，並且填充有六個THF模板分子。值得一體的是，該六元環進一步通過相鄰叔丁基和吡啶基團之間的CH…π相互作用進一步組裝得到單一手性納米管狀晶體材料，並且相鄰兩層之間的π-π相互作用進一步增強了相互作用，從而使得該材料在水和常見有機溶劑中能夠穩定存在。對於手性金屬四元環，環狀四聚體的最大尺寸為3.1 nm，開口尺寸為0.55 × 0.82 nm2，四元環的可內部含有四個叔丁基形成的疏水環境，並且由四個乙腈分子占據，相鄰的四聚體通過π-π相互作用結合形成多孔三維結構。這兩種手性晶態材料均可以通過吸附分離的辦法實現對小分子醇的對映選擇性分離，ee值最高可達99.8%，並且可以循環使用（圖 2）。

圖2. 手性金屬大環對小分子醇類化合物的對映選擇性吸附分離示意圖

在此基礎上，崔勇課題組在2017年又報道了利用吡啶功能化的Zn(salen)和Zn(salalen)配合物組裝得到的三種手性熒光Zn6L6金屬六元環(J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 1554) (圖3)。每一種金屬大環含有修飾有六個、三個或者零個手性NH基團形成的疏水空腔，並且形成了三維超分子多孔框架。該六元環對α-羥基羧酸、小分子藥物（左旋多巴、D-青黴胺）和手性胺類化合物表現出較強的親和力，並且具有對映選擇性相互作用，有趣的是其對映選擇性隨着手性NH基團的增加而增強 (圖4)。單晶X射線衍射、分子模擬和量子計算表明，這種手性的識別來源於金屬大環手性口袋與對映體之間的相互作用。此外，利用熒光強度與光學純度之間的線性關係可以得出對映體的ee值，從而實現手性傳感。

圖3. 三種手性金屬六元環的合成

圖4.三種手性金屬六元環對光學活性化合物的手性傳感

2022年，崔勇課題組聯合阿卜杜拉國王科技大學韓宇教授以及英國布里斯托大學Anthony P. Davis等人研究發現手性金屬席夫鹼大環通過超聲剝離可以獲得自支撐手性2D單層分子材料(圖5)，並通過球差校正透射電鏡首次觀察到結構明確的金-有機大環超分子結構(圖6)，並證實了大環之間僅僅依靠弱作用力（CH-π/π-π鍵），不需要任何支撐體就能夠以單層晶態形式穩定存在。通過對糖類等重要分子的對映選擇性識別和檢測研究，揭示了活性位點、本徵大環和微納結構表面之間顯著的協同作用和協同效應。該研究將手性化學、超分子化學和2D材料三個前沿領域有機結合起來，證實了自支撐單層2D分子晶體的存在，明確了跨層次/跨尺度的手性表達過程，擴大了現有手性材料和2D材料體系，為更廣闊的研究和應用奠定了基礎。