前沿 | 上海交通大学崔勇团队JACS：手性共价有机笼：同分异构体和对映选择性催化

同分异构现象在分子科学中普遍存在，具有相同分子式的物质通常会具有不同的原子空间排列方式。异构化在多种化学过程中发挥着重要的作用，如酶催化、生物信号传导、分子开关和生物作用等。

在超分子化学中，不同的结构不仅可以产生具有不同主客体行为的异构体，而且还可以产生具有不同稳定性和孔隙率的异构体框架。虽然超分子组装体的立体异构体已经被广泛研究，但结构异构体的研究仍然是一个难题。

方案1 [ 4 + 8 ]有机笼同分异构体的合成

图1 ( a ) M1、PN - 1和PN - 1R的部分1H NMR谱；( b ) M1、PN - 2和PN - 2R的部分1H NMR谱；( c ) PN-1，( d ) PN-2，( e ) PN-1R，( f ) PN - 2R的高分辨MALDI - TOF - MS;( g ) PN-1，( h ) PN-2，( i ) PN-1R，( j ) PN-2R的2D DOSY光谱。

图2 ( a ) PN笼中的三种孔道；( b-d ) PN - 1α、PN - 1β和PN - 2的单晶X射线结构(左)及其溶剂可及的等值面模型(中)和三维堆积结构(右)。

单晶X射线衍射实验表明勒[ 4 + 8 ]手性笼的形成。PN - 1α晶体属于单斜晶系，C2空间群，PN - 1β晶体属于F222空间群。PN - 1中M1的苯环与二氢吩嗪单元的夹角为90°，每个M1与4个CHDA形成4个亚胺键。PN - 1α和PN - 1β为具有六个非平面四方孔的多孔笼，其空腔尺寸为6.4 Å × 6.4 Å × 6.4 Å 。复杂的分子间CH ··· π和疏水相互作用将笼子组装成3D多孔超分子结构。PN - 2晶体属于单斜晶系，C2空间群，它是由四个平行的M1和八个弯曲的CHDA键通过16个亚胺键连接而成的。该笼状结构具有一个尺寸为10.0 Å × 10.0 Å × 18.3 Å的开口管状空腔，具有六个四边形孔道。

这两种有机笼PN - 1和PN - 2互为异构体，它们都是由4个M1和8个CHDA通过16个亚胺键以不同的方式连接在一起而形成的不同骨架。在PN - 1和PN - 2中，CHDA的手性亚胺键朝向可与客体分子接触的笼子内部，因此，这种类型的有机笼可用于研究超分子主客体相互作用。

图3 ( a - d )分别为PN - 1R、PN - 2R、1R - Ni和2R - Ni的能量最小化分子结构。

表1 不对称Michael加成的适用范围

图4 以3c和4a为底物的( a )产率和( b ) ee值(对映体过量)曲线图；( c ) ( R ) - 2R - Ni催化3c与4a的不对称Michael加成反应的循环结果。

在实验过程中，他们还发现对于某些底物，PN - 1R和PN - 2R表现出的差异可能是由于这两种笼状结构都具有一定的结构柔性。笼子对不同的底物的不同响应，这与酶在结构上适应不同大小和形状的底物是相似的。为了验证这一结论，作者还进行了动力学研究，证实了( R ) - 2R - Ni比( R ) - 1R - Ni具有更高的活性和对映选择性，此外，( R ) - 2R - Ni在循环5次后仍可以回收使用，且选择性降低较小。

综上所述，他们以二氢吩嗪和1，2 -环己二胺为构筑单元，合成了两个手性多孔[ 4 + 8 ]有机笼PN - 1和PN - 2，同时在这两种笼子中能观察到结构的异构化。他们还通过将亚胺键还原，得到了同分异构体的胺笼PN - 1R和PN - 2R。当胺笼与Ni (Ⅱ)离子结合时，能作为手性催化剂以促进2 -乙酰基氮杂芳烃与硝基烯烃的Michael加成反应。这项研究不仅强调了结构异构体对对映选择性催化的影响，还有助于推进各种功能超分子体系的设计和构建。

Title: Chiral Covalent Organic Cages: Structural Isomerism and Enantioselective Catalysis

Authors: Kaixuan Wang, Xianhui Tang, Bai Amutha Anjali, Jinqiao Dong, Jianwen Jiang*, Yan Liu* and Yong Cui*

To be cited as: J. Am. Chem. Soc. 2024, XXXX, XXX, XXX-XXX

DOI: 10.1021/jacs.3c12555