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自然界中,氨基酸的点手性决定了蛋白质的螺旋手性,并最终表现为多种尺寸生物分子的宏观手性。有限数量的蛋白质在信使分子或其它蛋白作用诱发的变构效应,可以进一步衍生出巨大数量的功能,而无需生成新的蛋白序列。基于人工分子笼为探索生物分子的手性转移、放大和调控的基本原理,不仅有助于深入理解生命体系的基本运行规律,也为仿生智能材料的发展奠定基础。以往研究表明:具有合适空腔的螺旋分子笼可以利用可逆包夹释放的客体分子充当信使,模拟蛋白质的变构手性调控。而最近,多种分子笼的杂化自组装为配体-配体间的分子通讯为分子笼仿生手性调控提供了新的可能。然而,与自然界中生物分子高度可逆的过程相比,迄今为止报道的杂化自组装仅限于非可逆水平,这使得可逆手性调控面临挑战。 为解决这一挑战,西北大学贾传东课题组利用有机磷酸高度动态的阴离子配位自组装,将固有手性的亚胺功能化阴离子笼1和冠醚功能化的化学开关阴离子笼2杂化自组装,诱发超分子手性的局部反转和局部增强。由于这一过程须有钾离子客体的模板效应,因此利用穴醚除去钾离子后两种笼子完全回到各自独立的状态,实现了该杂化自组装过程和手性变化的可逆调控。
作者首先通过核磁氢谱、高分辨质谱、单晶结构、量化计算手段确认固有手性的阴离子笼1和冠醚功能化的化学开关阴离子笼2三螺旋阴离子笼结构以及对四乙基季铵盐(TEA+)、二茂钴阳离子(Cob+)的包夹作用。与作者之前观察到客体包夹诱发强烈手性增强(Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202300470.)的现象不同,笼1包夹客体前后手性没有明显变化。结合理论计算和低温核磁结果表明,笼1包夹客体前后一直处于纯手性状态,客体的包夹没有像之前的阴离子笼体系那样引起P-M平衡发生位移的现象发生,而同时螺旋结构也没有大的变化,因此手性变化不大。这也同时体现了杂化自组装调控的必要性。 随后,作者利用核磁滴定、质谱、单晶等结果证明笼1在钾离子的调控下可逆的主客体化学行为,这为后面的可逆调控奠定关键基础。 随后,利用核磁和质谱结果证明,这两种阴离子笼在没有客体的条件下处于各自独立的状态,因此二者的混合没有引起显著的手性变化。但是在客体(分子笼空腔内包夹TEA+ Cob+ 或冠醚环外包夹 K+)存在条件下,这两种笼子形成了显著的杂化自组装,形成两种混合比例的杂化阴离子笼。CD图谱表明,这一杂化分子笼的形成可以诱发超分子手性的局部反转和局部增强。这是由于该过程促进了手性亚胺配体向非手性冠醚配体的手性转移。尽管内外客体都可以,然而只有外包夹 K+诱导的过程可以实现可逆。利用穴醚除去钾离子后两种笼子完全回到各自独立的状态,实现了该杂化自组装过程和手性变化的高度可逆调控。这一可逆调控10个循环以后,手性信号未见显著衰减。 以上研究揭示了首例可逆的分子笼杂化自组装,基于配体-配体分子通讯和化学开关的协同作用,发展了动态手性调控的新策略,有望为程序化手性仿生材料的研发提供新颖思路。 论文信息 Guest-Facilitated Heteroleptic Assembly of Helical Anionocages Enables Reversible Chirality Modulation Shanshan Wang#, Xuanli Ye#, Zaiwen Yang#, Anyang Li#, Xinsong Sheng, Qiangqiang Wang, Chuandong Jia* 该研究得到了国家自然科学基金委面上项目、陕西省杰出青年基金的经费支持。西安科技大学杨再文教授、西北大学李安阳教授在实验和计算化学方面做出了重要贡献。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202319552
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