分子组装的手性特征向偶联反应产物的传递—不可忽视的反应中间态

韩布兴

中国科学院化学研究所，北京 100190

手性的识别、传递与转移是生命科学中最为重要和基础的特征。在生物体内，大多数反应的活性位点都具有手性。因此，通常情况下只有与活性位点手性匹配的(生物或药物)分子才能与活性位点进行有效地结合。手性相反的分子则有可能成为生物体的“毒药”，造成严重的毒、副作用。所以，长期以来手性合成一直是有机化学和生物化学研究领域的重点和难点。在手性合成中，如果起始反应物具有手性中心，我们可以相对容易地获得单一手性的产物分子。然而，如果从非手性的反应起始物出发，获得手性产物往往需要借助于手性催化剂的催化作用。从化学合成工业的角度考虑，使用固态的手性催化剂无疑比均相催化更为有利。然而，我们面临的问题是如何获得具有手性的固体表面。其实，通过分子在固体表面的吸附和自组装，人们已能够得到各种各样的具有手性特征的固体表面。然而，由于这些手性特征是由分子自组装构建形成的，一旦分子组装结构被破坏，固体表面的手性特征就会消失。因此，由分子自组装获得的手性结构难以直接应用于催化反应。近年来，许多表面化学课题组致力于将分子自组装得到的手性特征通过反应的方式转移到偶联反应产物中，从而得到能够在反应条件下稳定的手性表面1–3。近期，苏州大学迟力峰教授、李青教授和林海平副教授共同研究了4,4’-二羟基联苯在Ag(100)单晶表面的组装和反应行为，并首次提出通过反应中间体的帮助，可以将分子组装的手性特征转移到偶联反应的产物分子中。

图1 (a) 4,4’-二羟基联苯在Ag(100)单晶表面低温吸附后(200 K)的组装。(b)低温吸附后组装的结构示意图。(c)快速升温至520 K后的偶联产物。(d)快速升温至520 K后的三种偶联产物的示意图。

如图1a所示，4,4’-二羟基联苯在200 K温度下能够吸附在Ag(100)单晶表面，并通过分子间的氢键作用形成具有微弱手性特征的自组装结构。当表面快速升温至520 K退火20 min后，扫描隧道显微镜(STM)表征可以明显地观察到左手性型(L)、桥型(B)和右手性型(R)三种二聚体产物。快速加热使分子偶联会失去反应产物的选择性，同时也失去了表面的手性特征3。

图2 (a) 490 K退火后形成的右手性四聚体组装结构和(b)结构示意图。(c) 520 K退火后得到的右手性偶联反应产物和(d)偶联反应产物的示意图。

将图1a所示的分子组装结构缓慢加热至490 K进行退火，可以观察到一个较为稳定的反应过渡态结构，如图2a所示。结合该课题组之前报道的苯酚衍生物在金属单晶表面的反应行为4，可以确定这是4,4’-二羟基联苯的羟基脱氢后与Ag表面增原子配位形成的组装结构，如图2b所示。在此基础上，将表面加热至520 K进行退火，可以观察到两个重要的现象：(1)在相同手性的组装区域偶联反应产物只有一种，实现了产物结构的高选择性(图2c，d)；(2)偶联反应的产物分子受到表面分子组装结构的(手性)限域效应，在相同手性的组装区域，偶联反应产物在单晶表面体现出的手性特征与分子组装的完全一致。通过理论计算的分析，作者发现反应过渡态的热稳定性高于图1中所示的分子自组装结构，从而可以具有更好模板效应，在偶联反应过程中，将过渡态结构的手性特征向产物分子进行传递。

该研究工作近期已在Journal of the American Chemical Society上在线发表5。该工作首次报道了通过反应过渡态将分子表面自组装的手性特征向偶联反应产物进行转移的现象和机理5。文章的责任作者是苏州大学迟力峰教授、李青教授和林海平副教授，第一作者是博士研究生(已毕业)杨标。