二維分子組裝的競爭性手性誘導(dǎo)

吳凱

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871

(a) 競爭手性誘導(dǎo)形成的表面手性網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的高分辨STM圖像；(b) 競爭手性誘導(dǎo)形成表面手性網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的示意圖；(c) 表面CW網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的覆蓋度與溶液中手性共吸附分子濃度間的關(guān)系曲線；(d) 基于分子力學(xué)方法優(yōu)化的競爭手性誘導(dǎo)形成的表面手性網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的分子模型。

手性分子組裝是化學(xué)、材料、生命科學(xué)等領(lǐng)域研究的重要課題之一。研究分子組裝過程的手性誘導(dǎo)和控制，對(duì)手性組裝結(jié)構(gòu)及材料的設(shè)計(jì)構(gòu)筑及其在分子識(shí)別、分離、催化、不對(duì)稱光學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義，也有助于對(duì)自然界中手性起源這一基本科學(xué)問題的認(rèn)識(shí)。

由于表界面處的對(duì)稱性破缺，分子在表界面組裝過程中形成手性超分子組裝結(jié)構(gòu)。這一過程是研究手性分子組裝中手性誘導(dǎo)、傳遞和放大的重要模型體系。在組裝過程中，固有手性分子的手性信息可以誘導(dǎo)和傳遞到超分子層次，使得組裝結(jié)構(gòu)通常也具有特定的手性特征，該方法是構(gòu)筑具有特定手性特征的組裝結(jié)構(gòu)或材料的重要途徑之一1,2。此外，通過非共價(jià)作用引入手性信息，如使用手性溶劑或手性輔助劑，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)分子組裝體系的手性誘導(dǎo)和控制3,4。這種基于非共價(jià)作用引入手性信息的策略目前多用于調(diào)控非手性分子的組裝結(jié)構(gòu)?？疾旆枪矁r(jià)作用介導(dǎo)的手性誘導(dǎo)與固有手性中心的手性誘導(dǎo)這兩種手性控制策略在分子組裝中的競爭作用對(duì)于理解手性誘導(dǎo)和傳遞的物理化學(xué)基礎(chǔ)具有重要意義。

近來，中國科學(xué)院化學(xué)研究所萬立駿院士及王棟研究員團(tuán)隊(duì)提出以簡單的手性共吸附分子實(shí)現(xiàn)固/液界面非手性分子組裝體系的手性誘導(dǎo)及控制的策略，為固/液界面手性分子組裝結(jié)構(gòu)的手性誘導(dǎo)及控制提供了新思路和新方法5,6。最近，他們研究了手性共吸附分子對(duì)固有手性分子在固/液界面組裝結(jié)構(gòu)的影響，考察了非共價(jià)介導(dǎo)的手性信息與分子固有手性信息在表面二維分子組裝中的相互作用。研究發(fā)現(xiàn)，在枝狀分子BIC的側(cè)鏈上共價(jià)鍵連的手性中心或通過非共價(jià)鍵引入 1-辛醇的手性同系物作為共吸附分子，均可實(shí)現(xiàn)對(duì)固/液界面組裝結(jié)構(gòu)的手性誘導(dǎo)和控制；少量的手性BIC同系物或手性共吸附分子還可作為手性種子，誘導(dǎo)非手性BIC分子形成具有特定手性特征的組裝結(jié)構(gòu)。有趣的是，當(dāng)向手性BIC同系物的組裝體系中引入少量具有相反手性特征的共吸附分子時(shí)，BIC分子固有手性在組裝過程中的傳遞和放大作用被抑制；當(dāng)溶液中手性共吸附分子濃度達(dá)50% (體積比)時(shí)，手性共吸附分子，而非固有手性中心決定二維組裝結(jié)構(gòu)的手性。分子力學(xué)模擬結(jié)果進(jìn)一步闡釋了氫鍵在手性誘導(dǎo)和傳遞過程中的重要作用。該結(jié)果從分子層次研究了非共價(jià)相互作用介導(dǎo)的手性信息對(duì)固有手性分子組裝過程的作用和影響，揭示分子組裝過程中手性誘導(dǎo)和控制的分子機(jī)制，可為發(fā)展高效的手性誘導(dǎo)控制策略提供指導(dǎo)。

該研究工作近期已在 Science Advances上發(fā)表7。