新型手性——向標(biāo)手性（Orientational Chirality）

欄目：行業(yè)資訊發(fā)布時(shí)間：2023-08-10

來(lái)自德州理工大學(xué)/南京大學(xué)的李桂根、王國(guó)強(qiáng)、黎書(shū)華和Hans Lischka等研究者報(bào)道了一種新型手性——向標(biāo)手性（Orientational Chirality），即一個(gè)手性中心可以產(chǎn)生三對(duì)對(duì)映體和六對(duì)非對(duì)映異構(gòu)體。

來(lái)自德州理工大學(xué)/南京大學(xué)的李桂根、王國(guó)強(qiáng)、黎書(shū)華和Hans Lischka等研究者報(bào)道了一種新型手性——向標(biāo)手性（Orientational Chirality），即一個(gè)手性中心可以產(chǎn)生三對(duì)對(duì)映體和六對(duì)非對(duì)映異構(gòu)體。該手性特點(diǎn)是有C(sp)-C(sp³) 或 C(sp²)-C(sp³) 軸固定的手性中心和一個(gè)遠(yuǎn)程固定阻斷官能團(tuán)。該團(tuán)隊(duì)提出了一種新的模型體系，與傳統(tǒng)的沿C(sp²)-C(sp³)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)存在六個(gè)能壘的Felkin-Ahn-type 或 Cram-type模型有本質(zhì)區(qū)別。而在這種新的手性中，通過(guò)旋轉(zhuǎn)操作僅產(chǎn)生三個(gè)旋轉(zhuǎn)勢(shì)壘。向標(biāo)手性可以使得一個(gè)手性中心能夠產(chǎn)生出六種異構(gòu)體，而不是傳統(tǒng)意義上的兩種異構(gòu)體。相關(guān)研究成果發(fā)表在 Research 雜志上。

手性現(xiàn)象從地球生命之初就存在于自然界中，其形式從微觀生物（如螺旋狀細(xì)菌）到宏觀物體（如海貝殼）不等。像多肽/蛋白質(zhì)、DNA/RNA和碳水化合物等功能性生物分子包含幾種類型的手性?，F(xiàn)代藥物越來(lái)越依賴手性來(lái)控制藥效和選擇性，以減少劑量和不必要的副作用。在現(xiàn)代材料科學(xué)中，為了實(shí)現(xiàn)具有挑戰(zhàn)性的光電特性，也需要對(duì)手性進(jìn)行控制。一般來(lái)說(shuō)，手性可分為以下幾種：中心手性、軸向手性、螺旋手性、三明治手性（金屬和有機(jī)）、多層手性（剛性螺旋和柔性折疊）和固有手性。雖然在控制手性方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但發(fā)現(xiàn)新的手性仍然極具挑戰(zhàn)性。在過(guò)去的幾十年里，幾乎沒(méi)有關(guān)于新手性的研究報(bào)道。

本文報(bào)道的這一發(fā)現(xiàn)來(lái)自于該團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行的利用手性酰胺助劑和催化劑控制多層折疊手性不對(duì)稱合成的研究（Chem. Eur. J., 2021, 27, 8013–8020; Chem. Eur. J., 2022, 28, e202104102; J. Org. Chem. 2022, 87, 5976-5986）。其中橋端上的萘基墩迫使手性酰胺旋轉(zhuǎn)生成不同的構(gòu)象，以及一個(gè)含有兩個(gè)由芳香族-芳香族相互作用區(qū)分苯環(huán)的準(zhǔn)手性中心（圖1）。

圖1. 具有準(zhǔn)手性中心和向標(biāo)手性軸的目標(biāo)物

該團(tuán)隊(duì)想探討能否引入四面體手性中心來(lái)取代平面萘基橋墩，并希望了解手性酰胺亞基將如何被限制。同時(shí)，他們還希望探索貫穿空間框架的兩個(gè)軸臂的兩個(gè)手性亞基之間的取向關(guān)系（圖2）。在獲得初始產(chǎn)物及其X-射線結(jié)構(gòu)后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)固定在右側(cè)C(sp)-C(sp) 軸上的手性C(sp³) 中心與左側(cè)軸上的(S)-和(R)-手性酰胺相互作用時(shí)，對(duì)于同一個(gè)四面體的手性C(sp³)中心觀察到兩個(gè)向標(biāo)異構(gòu)體。它們的X-射線衍射分析清楚地證實(shí)了具有這兩種向標(biāo)異構(gòu)體的存在。這一觀察結(jié)果表明，可以不對(duì)稱地合成的這類阻轉(zhuǎn)異構(gòu)體的其他衍生物。需要指出的是，這種異構(gòu)是基于連接在C(sp³) 碳中心上的四個(gè)獨(dú)立的基團(tuán)，這使得目前的異構(gòu)與以前含有以C(sp³) 碳為中心的環(huán)化剛性取代基的體系有所區(qū)別（Chem. Eur. J., 2021, 27, 8013–8020; Nat. Catal., 2021, 4, 457–462; J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 1056–1065）。

圖2. 通過(guò) X-射線衍射分析確認(rèn)的差異化向標(biāo)異構(gòu)體（Also see: Front Chem, doi: 10.3389/fchem.2022.1110240）

向標(biāo)異構(gòu)體的不對(duì)稱合成由圖2和圖3所示。向標(biāo)產(chǎn)物決定了由N-亞砜酰胺和羰基酰胺的手性助劑共同或單獨(dú)控制向標(biāo)手性。最終產(chǎn)物形成的關(guān)鍵步驟通過(guò)Suzuki-Miyaura交叉偶聯(lián)反應(yīng)和Sonogashira偶聯(lián)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)。結(jié)果表明，向標(biāo)產(chǎn)物在室溫下是穩(wěn)定的。通過(guò)光譜分析對(duì)它們進(jìn)行了充分的表征，并通過(guò)X-射線衍射分析明確了它們的絕對(duì)構(gòu)型。

圖3. 取向手性的不對(duì)稱合成

先前的向標(biāo)阻轉(zhuǎn)異構(gòu)基于 C(sp²)-磷四面體中心連接（Chem. Eur. J., 2021, 27, 8013–8020）（圖4a）和 C(sp²)-C(sp³) 直接連接（Nat. Catal., 2021, 4, 457–462; J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 1056–1065）（圖1），符合Felkin-Ahn或Felkin-Ah-type模型。C(sp²)-磷四面體中心的異常行為要?dú)w因于向標(biāo)異構(gòu)體通過(guò)芳香-芳香相互作用而不是經(jīng)典的超共軛或空間效應(yīng)穩(wěn)定?；贔elkin-Ahn模型的 C(sp²)-C(sp³) 旋轉(zhuǎn)操作中，共出現(xiàn)6個(gè)能壘（圖4a）。相比之下，在本工作的向標(biāo)手性結(jié)構(gòu)中，遠(yuǎn)端固定的基團(tuán)是唯一的功能阻礙（模型中的粗黑線，圖4b)。因此，旋轉(zhuǎn)操作僅存在三個(gè)能壘。

圖4. Felkin-Ahn Model和新的向標(biāo)手性模型

本工作與此前工作區(qū)別在于：（1）立體作用模型不同——遠(yuǎn)程和非超共軛效應(yīng)控制；（2）旋轉(zhuǎn)能壘數(shù)只有三個(gè)而不是六個(gè)；（3）四個(gè)獨(dú)立而不是環(huán)狀官能團(tuán)連接在手性中心，同時(shí)線型炔烴可以作為連接軸；（4）一個(gè)手性中心可產(chǎn)生三對(duì)鏡像異構(gòu)體，六對(duì)非鏡像異構(gòu)體（圖4，I-VI）。傳統(tǒng)意義上的ee/er 和de/dr今后很難適應(yīng)向標(biāo)手性的不對(duì)稱合成，異構(gòu)體的命名也因此而改變。

對(duì)向標(biāo)異構(gòu)體 4a-I與5a-I 的相對(duì)能量進(jìn)行了計(jì)算研究。同時(shí)，還通過(guò)柔性掃描二面角θ獲得了4a-I的旋轉(zhuǎn)異構(gòu)化勢(shì)能面。計(jì)算結(jié)果充分證實(shí)和解釋了不對(duì)稱合成誘導(dǎo)，即 (S)-手性酰胺輔助導(dǎo)致向標(biāo)異構(gòu)體 1，其中 C(sp³) 手性中心上的苯環(huán)遠(yuǎn)離主要異構(gòu)體 4a-I 的左軸；而 (R)-手性酰胺助劑產(chǎn)生向標(biāo)異構(gòu)體 5a-I，其中 C(sp³) 手性中心上的對(duì)-甲氧基-苯環(huán)遠(yuǎn)離左軸。在這兩種情況下，C(sp³) 手性中心上的N-亞磺?；h(yuǎn)離產(chǎn)物的左軸所形成異構(gòu)體都會(huì)導(dǎo)致能量的升高。同時(shí)，以4a-I為例，DFT計(jì)算發(fā)現(xiàn)分子氫鍵及面-對(duì)-邊的π-π相互作用對(duì)穩(wěn)定相關(guān)向標(biāo)異構(gòu)體起到重要作用（圖5）。

圖5. 向標(biāo)異構(gòu)體 4a-I的構(gòu)象異構(gòu)體及其相對(duì)能量（R = (R)-叔丁基亞磺?；模?。計(jì)算水平：M06-2X/cc-pVTZ (PCM, CH₃CN)//M06-2X/6-31G (d,p) (PCM, CH₃CN)。能量單位為kcal/mol，顏色代碼：H-白色, C-灰色, N-藍(lán)色, O-紅色, S-黃色

未來(lái)展望

這種新的手性將在化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、農(nóng)藥、制藥和醫(yī)學(xué)以及材料科學(xué)方面將會(huì)產(chǎn)生廣泛的影響。向標(biāo)手性的潛在應(yīng)用包括但不限于手性配體/催化劑、新型氨基酸/多肽、用于捕光的納米材料和生物混合系統(tǒng)、手性傳感器、自旋選擇性激子輸運(yùn)、光學(xué)領(lǐng)域的芯片級(jí)光學(xué)元件、量子信息和存儲(chǔ)等方面。

原文（掃描或長(zhǎng)按二維碼，識(shí)別后直達(dá)原文頁(yè)面）：

Orientational Chirality, its Asymmetric Control and Computational Study

Shengzhou Jin, Yu Wang, Yao Tang, Jia-Yin Wang, Ting Xu, Junyi Pan, Sai Zhang, Qiankai Yuan, Anis Ur Rahman, James D. McDonald, Guo-Qiang Wang*, Shuhua Li, Guigen Li*

Research, 2022, DOI: 10.34133/research.0012

作者簡(jiǎn)介

李桂根，美國(guó)德州理工大學(xué)最高榮譽(yù)教授 (Paul Whitfield Horn Distinguished Professor) 和南京大學(xué)合作教授，杰出青年基金獲得者（B類)。1995年至1997年美國(guó)Scripps研究所博士后工作期間，對(duì)K. Barry Sharpless的2001年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?wù)n題 - Catalytic Asymmetric Aminohydroxylation (SAA 反應(yīng)) - 起到關(guān)鍵作用。李桂根共發(fā)表論文 380余篇，h-Index = 65，多次入選“中國(guó)高被引學(xué)者”和美國(guó)斯坦福大學(xué)發(fā)布的 2021-2022年全球前2%頂尖科學(xué)家榜單（World's Top 2% Scientists 2022）。主要學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)：（1）向標(biāo)手性，多層柔性折疊手性，多層柔性折疊手性高分子，多層pseudo C₂對(duì)稱性。（2) 新型手性輔基和GAP（Group-Assisted Purification）化學(xué)（無(wú)柱層析合成）。（3）過(guò)渡金屬催化烯烴/炔烴的胺鹵化和雙胺化反應(yīng)。(4) 聚集誘導(dǎo)合成 (aggregation-induced synthesis, AIS)和聚集誘導(dǎo)不對(duì)稱合成 (aggregation-induced asymmetric synthesis, AIAS)；聚集誘導(dǎo)催化（AIC）和聚集誘導(dǎo)不對(duì)催化（AIAC）。(5) 高分子和小分子的聚集誘導(dǎo)旋光 (aggregation-induced polarization, AIP)。在美國(guó)成功創(chuàng)立GAP化學(xué)公司（已經(jīng)被收購(gòu)）。

https://www.x-mol.com/university/faculty/11526

王國(guó)強(qiáng)，南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院副教授。主要圍繞理論計(jì)算驅(qū)動(dòng)的化學(xué)反應(yīng)設(shè)計(jì)、人工智能輔助的化學(xué)合成等方面的開(kāi)展研究工作。基于新的研究范式，取得的研究成果包括：1）理論計(jì)算設(shè)計(jì)了“雙路易堿協(xié)同均裂B-B鍵”的活化新模式，并將其應(yīng)用于一些C-C, C-B等自由基偶聯(lián)新反應(yīng)；2）自動(dòng)化化學(xué)反應(yīng)路徑搜索，用于硼路易斯酸催化不飽和烴反應(yīng)方向與反應(yīng)產(chǎn)物的精準(zhǔn)調(diào)控。先后主持國(guó)家自然科學(xué)基金-青年科學(xué)基金項(xiàng)目及面上項(xiàng)目等。以第一/共同第一作者及共同通訊作者在JACS, Angew. Chem., Nat. Comm, Chem. Sci., ACS Catal.等國(guó)際有重要影響力的學(xué)術(shù)期刊發(fā)表研究論文20余篇（聯(lián)系方式：wangguoqiang710@nju.edu.cn）。

黎書(shū)華，南京大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。2006 年獲國(guó)家杰出青年基金資助，2009 年受聘教育部長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授，2017 年入選國(guó)際量子分子科學(xué)院院士，2019 年入選第四批國(guó)家“萬(wàn)人計(jì)劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才?，F(xiàn)擔(dān)任《Molecular Physics》、《Electronic Structure》等期刊編委。致力于發(fā)展復(fù)雜體系的量子化學(xué)方法和化學(xué)反應(yīng)的計(jì)算設(shè)計(jì)。2019年獲得教育部自然科學(xué)一等獎(jiǎng)（第一完成人）。以通訊作者在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed、Chem. Sci.等期刊發(fā)表論文210余篇，應(yīng)邀為Acc. Chem. Res.、WIREs Comput. Mol. Sci.等撰寫(xiě)綜述，在國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上做大會(huì)/邀請(qǐng)報(bào)告70余次。主持國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和面上項(xiàng)目（聯(lián)系方式: shuhua@nju.edu.cn）。

https://www.x-mol.com/university/faculty/11572

Prof Hans Lischka is a research professor at Texas Tech University. He was born in Vienna, Austria and obtained his Ph.D. at University of Vienna in 1976. He serves in Advisory Editorial Board of Chemical Physics and served as Vice-chairman of the Institute for Theoretical Chemistry and Structural Biology of the University of Vienna, Chairman of the Austrian Chemical Physical Society, Chairman of the Institute for Theoretical Chemistry and Radiation Chemistry, University of Vienna, Head of the Vienna section of the Austrian Chemical Society. Prof. Lischka specializes in the development and application of quantum chemical multi-reference methods and computational photodynamic approaches. He has achieved 360 scientific publications that have been cited more than 22,000 times with an h-index of 76.

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