面方向性分子多面體的組裝：二維手性到三維手性的傳遞

劉鳴華

(國家納米科學中心，北京100190)

面方向性分子多面體的組裝：二維手性到三維手性的傳遞

劉鳴華

(國家納米科學中心，北京100190)

建筑、數學和自然中的眾多美妙結構往往啟發化學家們去合成相應的分子類似物。例如C60的結構確定過程受到美國建筑大師Buckminster Fuller的網格球形穹頂建筑的啟發，并以此命名為富勒烯(fullerene)。受到數學和病毒中的多面體結構的啟發，化學家們已通過自組裝制備出各種尺寸和形狀的柏拉圖多面體和阿基米德多面體。然而，這些人工分子多面體大多是高度對稱且無手性的，相比之下，低對稱的手性多面體分子代表了更高的結構復雜度和更豐富的應用可能，因此得到人們越來越多的關注。

通常來說，構建手性分子多面體有兩種策略：一種是利用本身具三維手性的組裝基元構建手性多面體，將組件的三維手性轉化到整體結構上。另一種是利用非手性組裝基元在組裝過程中通過手性的突現形成手性金屬有機多面體。后一種方法與對稱性的破缺有關，對其研究有助于闡明物質如何向復雜演化。然而目前為止，金屬有機多面體仍然是唯一由非手性基元得到的手性多面體。

近期廈門大學曹曉宇課題組以三聚茚的醛基衍生物和乙二胺作為非手性前驅體，通過動態可逆共價鍵組裝出純有機三維手性多面體，相關研究成果發表在Nature Communications雜志上1。

C3h對稱性的平面分子三聚茚從不同方向看去分別呈現出順時針(clockwise，C)或逆時針(anticlockwise，A)旋轉圖案，因此和旋轉圖案一樣三聚茚存在二維手性；而在三維空間中，平面分子均存在對稱面，為非手性分子。當三聚茚組裝為八面體時，沿著三聚茚骨架的鏡面對稱性不復存在，由此產生了一系列的表面具有旋轉圖案的手性八面體。面旋轉多面體(face-rotating polyhedra，FRP)形成過程體現了二維手性到三維手性的傳遞。這一類手性分子多面體可通過手性柱進行分離，其CCCC和AAAA產物互為異構體，具有目前文獻報道最大的摩爾偏橢圓率。通過引入手性頂點，這些面旋轉的方向性可得到選擇性的調控，而合成動力學的研究表明所有的熱力學穩定產物在每個面上展現出一致的旋轉方向性，如同病毒衣殼每個面上相同方向的旋轉。實驗和理論計算共同說明了八面體產物中各個面間通過烷基鏈所實現的非共價相互作用是形成同方向面旋轉的主要原因。

具有面旋轉圖案的手性多面體在數學和病毒中有著較多體現，曹曉宇課題組這一工作首次將這一類型的手性在化學分子(組裝體)中實現。這種面旋轉手性多面體為研究手性的破缺、傳遞和放大提供了模型，作為一類獨特的手性多孔材料，有望在手性光譜、分子識別與拆分、不對稱催化等領域發揮作用。

References

(1)Wang,X.;Wang,Y.;Yang,H.;Fang,H.;Chen,R.;Sun,Y.; Zheng,N.;Tan,K.;Lu,X.;Tian,Z.;Cao,X.Nat.Commun. 2016,7,12469.doi:10.1038/ncomms12469

10.3866/PKU.WHXB201609212