分子組裝的手性特征向偶聯(lián)反應產(chǎn)物的傳遞—不可忽視的反應中間態(tài)

韓布興

中國科學院化學研究所，北京 100190

手性的識別、傳遞與轉移是生命科學中最為重要和基礎的特征。在生物體內，大多數(shù)反應的活性位點都具有手性。因此，通常情況下只有與活性位點手性匹配的(生物或藥物)分子才能與活性位點進行有效地結合。手性相反的分子則有可能成為生物體的“毒藥”，造成嚴重的毒、副作用。所以，長期以來手性合成一直是有機化學和生物化學研究領域的重點和難點。在手性合成中，如果起始反應物具有手性中心，我們可以相對容易地獲得單一手性的產(chǎn)物分子。然而，如果從非手性的反應起始物出發(fā)，獲得手性產(chǎn)物往往需要借助于手性催化劑的催化作用。從化學合成工業(yè)的角度考慮，使用固態(tài)的手性催化劑無疑比均相催化更為有利。然而，我們面臨的問題是如何獲得具有手性的固體表面。其實，通過分子在固體表面的吸附和自組裝，人們已能夠得到各種各樣的具有手性特征的固體表面。然而，由于這些手性特征是由分子自組裝構建形成的，一旦分子組裝結構被破壞，固體表面的手性特征就會消失。因此，由分子自組裝獲得的手性結構難以直接應用于催化反應。近年來，許多表面化學課題組致力于將分子自組裝得到的手性特征通過反應的方式轉移到偶聯(lián)反應產(chǎn)物中，從而得到能夠在反應條件下穩(wěn)定的手性表面1–3。近期，蘇州大學遲力峰教授、李青教授和林海平副教授共同研究了4,4’-二羥基聯(lián)苯在Ag(100)單晶表面的組裝和反應行為，并首次提出通過反應中間體的幫助，可以將分子組裝的手性特征轉移到偶聯(lián)反應的產(chǎn)物分子中。

圖1 (a) 4,4’-二羥基聯(lián)苯在Ag(100)單晶表面低溫吸附后(200 K)的組裝。(b)低溫吸附后組裝的結構示意圖。(c)快速升溫至520 K后的偶聯(lián)產(chǎn)物。(d)快速升溫至520 K后的三種偶聯(lián)產(chǎn)物的示意圖。

如圖1a所示，4,4’-二羥基聯(lián)苯在200 K溫度下能夠吸附在Ag(100)單晶表面，并通過分子間的氫鍵作用形成具有微弱手性特征的自組裝結構。當表面快速升溫至520 K退火20 min后，掃描隧道顯微鏡(STM)表征可以明顯地觀察到左手性型(L)、橋型(B)和右手性型(R)三種二聚體產(chǎn)物。快速加熱使分子偶聯(lián)會失去反應產(chǎn)物的選擇性，同時也失去了表面的手性特征3。

圖2 (a) 490 K退火后形成的右手性四聚體組裝結構和(b)結構示意圖。(c) 520 K退火后得到的右手性偶聯(lián)反應產(chǎn)物和(d)偶聯(lián)反應產(chǎn)物的示意圖。

將圖1a所示的分子組裝結構緩慢加熱至490 K進行退火，可以觀察到一個較為穩(wěn)定的反應過渡態(tài)結構，如圖2a所示。結合該課題組之前報道的苯酚衍生物在金屬單晶表面的反應行為4，可以確定這是4,4’-二羥基聯(lián)苯的羥基脫氫后與Ag表面增原子配位形成的組裝結構，如圖2b所示。在此基礎上，將表面加熱至520 K進行退火，可以觀察到兩個重要的現(xiàn)象：(1)在相同手性的組裝區(qū)域偶聯(lián)反應產(chǎn)物只有一種，實現(xiàn)了產(chǎn)物結構的高選擇性(圖2c，d)；(2)偶聯(lián)反應的產(chǎn)物分子受到表面分子組裝結構的(手性)限域效應，在相同手性的組裝區(qū)域，偶聯(lián)反應產(chǎn)物在單晶表面體現(xiàn)出的手性特征與分子組裝的完全一致。通過理論計算的分析，作者發(fā)現(xiàn)反應過渡態(tài)的熱穩(wěn)定性高于圖1中所示的分子自組裝結構，從而可以具有更好模板效應，在偶聯(lián)反應過程中，將過渡態(tài)結構的手性特征向產(chǎn)物分子進行傳遞。

該研究工作近期已在Journal of the American Chemical Society上在線發(fā)表5。該工作首次報道了通過反應過渡態(tài)將分子表面自組裝的手性特征向偶聯(lián)反應產(chǎn)物進行轉移的現(xiàn)象和機理5。文章的責任作者是蘇州大學遲力峰教授、李青教授和林海平副教授，第一作者是博士研究生(已畢業(yè))楊標。