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【有机】新型涡轮手性分子

X-MOL资讯 · 公众号 · · 2024-12-28 08:09

正文

美国 德州理工大学/南京大学李桂根、梁睿斌 教授团队报道了 新型涡轮手性 (Turbo Chirality) 分子的合成和计算 。该系列分子手性特点是 三个平面基团连接在一个碳中心，涡轮手性为连接在同一个中心的手性辅基所控制。 其中一些涡轮手性分子只包含手性辅基的手性中心，而三个平面基团的连接点为非手性中心，并通过 X 射线衍射分析确定了分子的绝对构型。相关研究成果发表在 Research 上。

图1. Felkin-Ahn (A) 和向标手性 (B) 模型

手性是自然界中的一种基本特性，从螺旋状的 DNA 到贝壳的螺旋结构，手性几乎无处不在。在化学、药物开发、材料科学和光电器件等领域，手性控制至关重要。近半个世纪以来，控制手性的工作进展已经取得可喜的进展，包括十位左右诺奖得主的工作在内。可是，发展小分子新手性的工作几乎没有报道。建立新手性是该团队近期的主要研究方向，包括多面折叠手性和向标手性。其中向标手性的工作对于此次涡轮手性的设计和合成起到直接作用。向标手性的概念，即一个手性中心可产生三对对映体和六对非对映异构体。这种手性特征源于 C(sp)-C(s p ³ ) 或 C(sp ² )-C(sp ³ ) 轴上的手性中心，结合一个远程固定的阻断基团。这一模型与传统的沿 C(sp ² )-C(sp ³ ) 轴旋转产生六个势垒的 Felkin-Ahn 型或 Cram 型模型有本质区别，如图1 所示。在向标手性中，仅需克服三个旋转势垒即可实现手性翻转，从而使一个手性中心能够生成六种异构体，而非传统的两种。

研究过程中发现，萘环上八位取代基控制了连接在中心碳上的官能团的取向，从而协同性地控制分子的涡轮手性。值得一提的是，尽管涡轮手性的概念已经存在几十年了，但是到目前为止还没有得到有机化学界应有的重视，属于被严重低估的一类手性。

图2. 涡轮手性结构模型

涡轮手性手性分子由三种平面基团围绕一个手性或非手性 C(s p ³ ) 中心，呈现类似螺旋桨的结构。这些平面基团（例如芳香环或杂环）以顺时针（ P,P,P ）或逆时针（ M,M,M ）方式排列，从而形成不同的对映异构体，如图2 所示。

图3. 非手性碳为中心的涡轮手性

研究通过设计和合成具有向标手性的非天然氨基酸，并引入羧酸酯和氨基官能团展开，萘环作为重要的螺旋桨之一，合成一系列不同的涡轮手性化合物。通过对多种涡轮手性化合物X 射线衍射结构分析，研究发现涡轮手性的形成主要由磺酰亚胺辅助基团中的手性硫原子控制，无论中心碳原子本身是否手性，其周围三个平面基团的排列均由硫原子手性决定，换言之，涡轮手性可由非手性中心碳形成，如图3 所示。

图4. 涡轮手性 P,P,P 产物的不对称合成方法

涡轮手性 P,P,P 产物的不对称合成路线如图4 所示， M,M,M 合成方法与之类似，唯一区别是采用相反手性的磺酰亚胺为原料。

图5. 对映异构体 1 到 2 的能量图

采用密度泛函理论（DFT）计算两种涡轮手性化合物（对映异构体 1 和 2）的能量分布。计算结果表明，磺酰亚胺辅助基团通过热力学控制了三萘环的涡轮手性，如图5所示。对映异构体 1 和 2 具有相同的能量水平，但中间体 1 的能量较高（2.5 kcal/mol），其转化需克服 20.9 kcal/mol 的能垒，表明涡轮手性的动力学翻转较慢。从中间体 1 到对映异构体 2 的磺酰亚胺手性改变需要更高的能量（58.2 kcal/mol），进一步证明了该手性分子在热力学和动力学上的高度稳定性。

未来展望

未来的研究将进一步深入探索涡轮手性的形成机制、结构特征及其在不同领域的潜在应用。涡轮手性将对于以下几个领域产生影响：手性辅基、试剂和手性催化剂的设计、合成和有机反应的应用；通过手性控制提高药物的选择性和活性；开发具有独特光学或电子性能的新型功能材料；利用手性分子实现高效的光电转换。同时，该团队将继续寻找和探索更多新型手性元素，丰富手性化学的研究体系，推动手性科学迈向新的高度。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Amino Turbo Chirality and Its Asymmetric Control

Ting Xu, Yu Wang, Shengzhou Jin, Anis U Rahman, Xianghua Yan, Qingkai Yuan, Hao Liu, Jia-Yin Wang, Wenxin Yan, Yinchun Jiao, Ruibin Liang, Guigen Li

Research , 2024 , DOI: 10.34133/research.0474

作者简介

李桂根 ，美国德州理工大学最高荣誉教授 (Paul Whitfield Horn Distinguished Professor) 和南京大学合作教授。杰出青年基金获得者（B类）。1995年至1997年美国Scripps研究所博士后工作期间，对K. Barry Sharpless的2001年诺贝尔化学奖课题 - Catalytic Asymmetric Aminohydroxylation (SAA 反应) - 起到关键作用。李桂根共发表论文 380余篇，h-Index = 65, 多次入选“中国高被引学者”和美国斯坦福大学发布的 2021-2022年全球前2%顶尖科学家榜单（World's Top 2% Scientists 2022）。主要学术贡献：（1）向标手性，多层柔性折叠手性，多层柔性折叠手性高分子，多层 pseudo C ₂ 对称性。（2）新型手性辅基和GAP（Group-Assisted Purification）化学（无柱层析合成）。（3）过渡金属催化烯烃/炔烃的胺卤化和双胺化反应。(4) 聚集诱导合成 (aggregation-induced synthesis, AIS) 和聚集诱导不对称合成 (aggregation-induced asymmetric synthesis, AIAS)；聚集诱导催化（AIC）和聚集诱导不对催化（AIAC）。(5) 高分子和小分子的聚集诱导旋光 (aggregation-induced polarization, AIP) 。在美国成功创立GAP化学公司（已经被收购）。

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