浙江大学黄飞鹤团队JACS：具有颜色响应功能的柱[5]芳烃手性分子开关

手性是自然界的本质属性之一。在自然界中，手性不仅体现为原子的一种特殊的空间排列方式，它还对介观与宏观层面的理化性质产生了重要影响。例如，在生命体中，右手螺旋的B-DNA与左手螺旋的Z-DNA可以在外界刺激下相互转换，影响其与蛋白质的结合能力，进而改变免疫行为。因此，在化学和生物学领域，分子层面的手性调控一直是研究的重点。研究人员还试图将手性调控与宏观物理化学性质的变化建立联系，为设计新的手性宏观响应性材料奠定基础。

然而，设计带有宏观响应性的手性控制系统并非易事。其难点在于，能够在外界刺激下实现分子或是反应层面的手性转换已是不易，更遑论在手性转换过程中引入宏观性质的变化。与生命体内的组装不同，大多数分子层面的手性转换涉及到是一对对映异构体，因此在转换前后在宏观理化性质上很难有差异，这使得在分子层面将宏观理化性质与手性的变化联系起来变得非常困难。

针对这一科学问题，浙江大学黄飞鹤、华彬、房帅团队报道了两种手性可控的分子开关（P5N-R和P5N-S），其平面手性可通过溶剂、温度和客体分子等外界刺激进行可逆调节，同时伴随着相应的颜色变化。这项工作为构建具有宏观性质变化的动态手性开关提供了一种新策略，对开发外界响应性手性材料具有重要意义。相关研究成果近期以题为“Pillar[5]arene-based visual planar chirality switches with variable color expression”发表于《Journal of the American Chemical Society》上。

首先，研究者利用硝酸铈铵选择性氧化全乙基柱[5]芳烃得到EtP4Q1，并通过Michael加成反应引入带有羟基的手性胺单元，得到P5N-R和P5N-S，通过质谱和核磁共振波谱等分析手段对其结构进行了表征和确认。此类具有羟基作为助色团的氨基苯醌对外界化学环境非常敏感，微小的化学环境变化即可带来肉眼可见的颜色变化。

Scheme 1.（a）P5N-R、P5N-S和P5N的合成路线。（b）P5N-R的平面手性反转及伴随的颜色变化。

在之后的溶剂响应性测试中，可以清楚地发现P5N-R的颜色随着溶剂的改变发生了显著的变化，在四氢呋喃中为粉红色，而在1,2-二氯乙烷中为绿色。颜色的差异主要来源于360 nm附近的紫外吸收在可见光区域的延伸段，1,2-二氯乙烷中的吸收峰相较于四氢呋喃发生了显著的红移。更有趣的是，在1,2-二氯乙烷和四氢呋喃中，分子的手性构型发生了显著的变化。在1,2-二氯乙烷中pR构型占据主导，在四氢呋喃中pS构型占据主导。通过其他一系列溶剂的光谱数据，可以发现与其平面手性密切相关的不对称吸收因子与最大吸收峰波长之间存在紧密关联。当溶剂可以充当柱芳烃空腔客体时，pR构型占据主导，颜色偏绿；反之则pS构型占据主导，颜色偏粉红（图1）。

图1.（a）P5N-R在1,2-二氯乙烷和四氢呋喃中的紫外可见光谱。插图照片显示了P5N-R在四氢呋喃（左侧样品瓶）和1,2-二氯乙烷（右侧样品瓶）中呈现的不同颜色。（b）P5N-R在1,2-二氯乙烷和四氢呋喃中的紫外可见光谱。（c）P5N-R在1,2-二氯乙烷和四氢呋喃中的圆二色光谱。（d）P5N-R在不同溶剂中的吸光度各向异性因子（gabs）值与最大吸收波长的关系图。在P5N-R溶液的插图照片中，从左到右样品瓶中的溶剂按gabs值递增顺序排列。

通过单晶衍射和核磁共振波谱分析，并结合密度泛函理论计算，我们发现在溶液中，P5N-R在有客体和无客体的情况下分别存在两种构象。有客体时，柱状构象占据主导，此时pR构型较为有利，同时由于强氢键的影响，氨基对苯醌单元的给电子能力被削弱，颜色发生了红移。而在无客体时，折叠构象占据主导，此时pS构型较为有利，同时由于氢键较弱，呈现出粉红色（图2）。

图2.（a）P5N-R的晶体结构。（b）P5N-R的核磁共振氢谱扩展图（上半部分）；P5N-R的1H-15N异核单量子相干谱（下半部分）。（c）P5N-R与1,2-二氯乙烷形成的络合物晶体结构。（d）在折叠构象下，P5N-R的pS构型与pR构型的能量差。（e）P5N-R与1,2-二氯乙烷形成络合物且处于柱形构象下，pS构型与pR构型的能量差。

为了进一步验证此猜想，即客体络合是导致构象变化的主要原因，进而影响了手性和颜色，我们向P5N-R的氯代环己烷溶液中加入了丁二腈，观察到了与猜想一致的现象（图3）。

图3.（a）向P5N-R的氯代环己烷溶液中滴加丁二腈时的紫外可见光谱。（b）向P5N-R的氯代环己烷溶液中滴加丁二腈时的圆二色光谱。（c）P5N-R与丁二腈形成包合物的晶体结构堆积图，其中pR构型用绿色表示，pS构型用红色表示。（d）晶体结构中pR构型的详细结构。

此外，温度响应性也是该手性材料的一大特色。变温核磁共振波谱、变温圆二色光谱和紫外可见光谱分析均表明P5N-R具有温度响应性。随着温度的下降，由于客体分子的络合能力的增强，柱状构象的比例提高，从而导致pR构型的比例上升和吸收的红移。通过对变温核磁共振谱图的积分，也可获得pR构型和pS构型互相转换的各项热力学参数。

图4.（a）P5N-R的变温核磁共振氢谱，其中pR型氨基质子的化学位移变化用绿色表示，pS型氨基质子的化学位移变化用红色表示。（b）P5N-R在氘代二氯甲烷中非对映异构体过量值（de）随温度变化的图，并且溶液颜色随温度变化而改变。

综上所述，该研究为构建具有宏观性质变化的单分子可视化手性控制系统提供了新的策略，对具有外界刺激响应的手性材料的发展而言具有重要意义。未来，还可将此策略扩展到其他宏观性质，例如磁性、荧光等方面，将这些性质与手性联系起来，以构建更为复杂的分子机器。

文章详情：

Pillar[5]arene-Based Visual Planar Chirality Switches with Variable Color Expression

Mingrui Xiao, Zhenzhuo Liu, Shiyu Tan, Bohan Zhao, Liya Chen, Zhongwen Liu, Yifei Zhang, Shuai Fang*, Li Shao, Yingchun Liu, Bin Hua*, Feihe Huang*

文章链接https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.5c14161