同分異構(gòu)現(xiàn)象在分子科學(xué)中普遍存在，具有相同分子式的物質(zhì)通常會(huì)具有不同的原子空間排列方式。異構(gòu)化在多種化學(xué)過程中發(fā)揮著重要的作用，如酶催化、生物信號(hào)傳導(dǎo)、分子開關(guān)和生物作用等。

在超分子化學(xué)中，不同的結(jié)構(gòu)不僅可以產(chǎn)生具有不同主客體行為的異構(gòu)體，而且還可以產(chǎn)生具有不同穩(wěn)定性和孔隙率的異構(gòu)體框架。雖然超分子組裝體的立體異構(gòu)體已經(jīng)被廣泛研究，但結(jié)構(gòu)異構(gòu)體的研究仍然是一個(gè)難題。

方案1 [ 4 + 8 ]有機(jī)籠同分異構(gòu)體的合成

圖1 ( a ) M1、PN - 1和PN - 1R的部分1H NMR譜；( b ) M1、PN - 2和PN - 2R的部分1H NMR譜；( 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光譜。

圖2 ( a ) PN籠中的三種孔道；( b-d ) PN - 1α、PN - 1β和PN - 2的單晶X射線結(jié)構(gòu)(左)及其溶劑可及的等值面模型(中)和三維堆積結(jié)構(gòu)(右)。

單晶X射線衍射實(shí)驗(yàn)表明勒[ 4 + 8 ]手性籠的形成。PN - 1α晶體屬于單斜晶系，C2空間群，PN - 1β晶體屬于F222空間群。PN - 1中M1的苯環(huán)與二氫吩嗪?jiǎn)卧膴A角為90°，每個(gè)M1與4個(gè)CHDA形成4個(gè)亞胺鍵。PN - 1α和PN - 1β為具有六個(gè)非平面四方孔的多孔籠，其空腔尺寸為6.4 ? × 6.4 ? × 6.4 ? 。復(fù)雜的分子間CH ··· π和疏水相互作用將籠子組裝成3D多孔超分子結(jié)構(gòu)。PN - 2晶體屬于單斜晶系，C2空間群，它是由四個(gè)平行的M1和八個(gè)彎曲的CHDA鍵通過16個(gè)亞胺鍵連接而成的。該籠狀結(jié)構(gòu)具有一個(gè)尺寸為10.0 ? × 10.0 ? × 18.3 ?的開口管狀空腔，具有六個(gè)四邊形孔道。

這兩種有機(jī)籠PN - 1和PN - 2互為異構(gòu)體，它們都是由4個(gè)M1和8個(gè)CHDA通過16個(gè)亞胺鍵以不同的方式連接在一起而形成的不同骨架。在PN - 1和PN - 2中，CHDA的手性亞胺鍵朝向可與客體分子接觸的籠子內(nèi)部，因此，這種類型的有機(jī)籠可用于研究超分子主客體相互作用。

圖3 ( a - d )分別為PN - 1R、PN - 2R、1R - Ni和2R - Ni的能量最小化分子結(jié)構(gòu)。

表1 不對(duì)稱Michael加成的適用范圍

圖4 以3c和4a為底物的( a )產(chǎn)率和( b ) ee值(對(duì)映體過量)曲線圖；( c ) ( R ) - 2R - Ni催化3c與4a的不對(duì)稱Michael加成反應(yīng)的循環(huán)結(jié)果。

在實(shí)驗(yàn)過程中，他們還發(fā)現(xiàn)對(duì)于某些底物，PN - 1R和PN - 2R表現(xiàn)出的差異可能是由于這兩種籠狀結(jié)構(gòu)都具有一定的結(jié)構(gòu)柔性?；\子對(duì)不同的底物的不同響應(yīng)，這與酶在結(jié)構(gòu)上適應(yīng)不同大小和形狀的底物是相似的。為了驗(yàn)證這一結(jié)論，作者還進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)研究，證實(shí)了( R ) - 2R - Ni比( R ) - 1R - Ni具有更高的活性和對(duì)映選擇性，此外，( R ) - 2R - Ni在循環(huán)5次后仍可以回收使用，且選擇性降低較小。

綜上所述，他們以二氫吩嗪和1，2 -環(huán)己二胺為構(gòu)筑單元，合成了兩個(gè)手性多孔[ 4 + 8 ]有機(jī)籠PN - 1和PN - 2，同時(shí)在這兩種籠子中能觀察到結(jié)構(gòu)的異構(gòu)化。他們還通過將亞胺鍵還原，得到了同分異構(gòu)體的胺籠PN - 1R和PN - 2R。當(dāng)胺籠與Ni (Ⅱ)離子結(jié)合時(shí)，能作為手性催化劑以促進(jìn)2 -乙?；s芳烴與硝基烯烴的Michael加成反應(yīng)。這項(xiàng)研究不僅強(qiáng)調(diào)了結(jié)構(gòu)異構(gòu)體對(duì)對(duì)映選擇性催化的影響，還有助于推進(jìn)各種功能超分子體系的設(shè)計(jì)和構(gòu)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