面方向性分子多面体的组装：二维手性到三维手性的传递

刘鸣华

(国家纳米科学中心，北京100190)

面方向性分子多面体的组装：二维手性到三维手性的传递

刘鸣华

(国家纳米科学中心，北京100190)

建筑、数学和自然中的众多美妙结构往往启发化学家们去合成相应的分子类似物。例如C60的结构确定过程受到美国建筑大师Buckminster Fuller的网格球形穹顶建筑的启发，并以此命名为富勒烯(fullerene)。受到数学和病毒中的多面体结构的启发，化学家们已通过自组装制备出各种尺寸和形状的柏拉图多面体和阿基米德多面体。然而，这些人工分子多面体大多是高度对称且无手性的，相比之下，低对称的手性多面体分子代表了更高的结构复杂度和更丰富的应用可能，因此得到人们越来越多的关注。

通常来说，构建手性分子多面体有两种策略：一种是利用本身具三维手性的组装基元构建手性多面体，将组件的三维手性转化到整体结构上。另一种是利用非手性组装基元在组装过程中通过手性的突现形成手性金属有机多面体。后一种方法与对称性的破缺有关，对其研究有助于阐明物质如何向复杂演化。然而目前为止，金属有机多面体仍然是唯一由非手性基元得到的手性多面体。

近期厦门大学曹晓宇课题组以三聚茚的醛基衍生物和乙二胺作为非手性前驱体，通过动态可逆共价键组装出纯有机三维手性多面体，相关研究成果发表在Nature Communications杂志上1。

C3h对称性的平面分子三聚茚从不同方向看去分别呈现出顺时针(clockwise，C)或逆时针(anticlockwise，A)旋转图案，因此和旋转图案一样三聚茚存在二维手性；而在三维空间中，平面分子均存在对称面，为非手性分子。当三聚茚组装为八面体时，沿着三聚茚骨架的镜面对称性不复存在，由此产生了一系列的表面具有旋转图案的手性八面体。面旋转多面体(face-rotating polyhedra，FRP)形成过程体现了二维手性到三维手性的传递。这一类手性分子多面体可通过手性柱进行分离，其CCCC和AAAA产物互为异构体，具有目前文献报道最大的摩尔偏椭圆率。通过引入手性顶点，这些面旋转的方向性可得到选择性的调控，而合成动力学的研究表明所有的热力学稳定产物在每个面上展现出一致的旋转方向性，如同病毒衣壳每个面上相同方向的旋转。实验和理论计算共同说明了八面体产物中各个面间通过烷基链所实现的非共价相互作用是形成同方向面旋转的主要原因。

具有面旋转图案的手性多面体在数学和病毒中有着较多体现，曹晓宇课题组这一工作首次将这一类型的手性在化学分子(组装体)中实现。这种面旋转手性多面体为研究手性的破缺、传递和放大提供了模型，作为一类独特的手性多孔材料，有望在手性光谱、分子识别与拆分、不对称催化等领域发挥作用。

References

(1)Wang,X.;Wang,Y.;Yang,H.;Fang,H.;Chen,R.;Sun,Y.; Zheng,N.;Tan,K.;Lu,X.;Tian,Z.;Cao,X.Nat.Commun. 2016,7,12469.doi:10.1038/ncomms12469

10.3866/PKU.WHXB201609212