配位化學中的鏡面對稱性破缺*
——紀念配位化學創始人維爾納首次拆分八面體Co(Ⅲ)絡合物100周年

章慧 林麗榕

(廈門大學化學化工學院化學系 福建廈門 361005)

配位化學自創立初期就與立體化學結下了不解之緣。配位化學的奠基人維爾納(Werner)于1893年在配位理論的第3條重要假設中明確提出：“副價(配位鍵)的空間指向是固定的”，從而奠定了配位立體化學的理論基礎[1]。為了證明配位理論中的八面體假說，維爾納和他的助手曾經花了近14年時間(1897～1911)苦苦摸索拆分八面體絡合物的各種方法。他的學生King在1911年采用溴代樟腦磺酸銀為拆分劑，首次成功拆分出cis-[CoCl(NH3)(en)2]X2(en=乙二胺，X=Cl、Br或I，圖1)，從實驗上證明了六配位絡合物主要具有八面體幾何結構特征，為配位化學理論的確立提供了決定性的證據[1-2]。一系列出色的工作使維爾納榮膺1913年諾貝爾化學獎。在成功實現首次拆分之后，維爾納及其助手在后續的8年內又合成和拆分出含非手性雙齒配體的、具有手性金屬中心的M(Ⅲ)絡合物(M=Co、Cr和Rh等)共40多個系列(多數結果并未公開發表[3])，其中在1914年拆分出不含碳原子的純無機四核鈷螯合物[Co{(OH)2Co(NH3)4}3]Br6的光學對映體(圖2)，不僅實驗難度大，而且被公認為是打破無機和有機立體化學界線的一個重要里程碑。但是維爾納似乎錯過了立體化學史上的一個重要發現的機會——他所合成的一些經典絡合物(見本文1.2)在某些特定條件下可能產生自發拆分，雖然他已經觀察到這些鏡面對稱性破缺現象的存在[4-6]。

圖1 Werner及其助手首次拆分出的cis-[CoCl(NH3)(en)2]X2(X=Cl、Br或I)

圖2 維爾納及其助手拆分出不含碳原子的純無機螯合物[Co{(OH)2Co(NH3)4}3]Br6

自維爾納首次拆分cis-[CoCl(NH3)(en)2]Cl2迄今，配位立體化學研究一直是配位化學領域中長盛不衰的重要研究方向。在紀念維爾納對手性配位立體化學作出開拓性研究100周年之際，我們在回顧維爾納及其助手孜孜以求14年，經過2000次分步結晶純化手性cis-[CoCl(NH3)(en)2]Cl2的艱辛實驗付出的同時，驚嘆配位立體化學在螺旋式上升的發展過程中為我們展示了新視野——如今在制備與cis-[CoCl(NH3)(en)2]Cl2十分類似的cis-[CoBr(NH3)(en)2]Br2時，不需采用任何拆分劑或其他手性源，整個合成反應過程只需6分鐘，粗產物經過一次重結晶，就有可能獲得對映純度很高的Δ-或Λ-cis-[CoBr(NH3)(en)2]Br2(圖3)[7-10]。這一利用鏡面對稱性破缺(mirror symmetry breaking，簡稱MSB)來制備手性鈷絡合物的過程比較簡單，是本文所關注的配位化學中的MSB現象之一。自2003年以來，廈門大學化學系共有100多名師生陸續進行了這一趣味盎然的配位化學綜合實驗[8]，獲得了有意義的統計結果。

圖3 cis-[CoBr(NH3)(en)2]Br2的制備反應可能得到的3種產物[10]

隨著現代X射線衍射技術對晶體結構的闡明以及固體CD光譜表征方法的日益普及，在手性配位立體化學研究中發現的各種MSB現象層出不窮：所涉及絡合物的種類從簡單的低配位金屬絡合物到復雜的高配位稀土絡合物，從單核、雙核、寡聚絡合物到配位聚合物(我國科學家對配位聚合物的MSB研究值得關注[11-27])；引起MSB手性的來源涉及絡合物所有結構層次的手性因素，從配體的阻轉異構、軸手性、螯環的手性構象，金屬中心手性、配位原子手性到超分子螺旋手性等等，不勝枚舉。這些研究極大地豐富了手性配位立體化學的深刻內涵，進一步激發了科學家對MSB體系的研究興趣。但是，MSB現象的預測和調控，以及揭示某些已發現MSB現象的真實機理仍舊是懸而未決的科學難題[27-29]。本文只能擷取其中少許實例，并重點介紹一些基本概念、單核或寡聚惟手性金屬中心(chiral-only-at-metal)絡合物MSB現象的研究及其應用。

1 基本概念

1.1 鏡面對稱性破缺、自發拆分和絕對不對稱合成

研究和探討生命過程中的手性起源、手性傳遞與放大及手性相互作用的規律是人類進一步認識和了解自然界所涉及的基本問題之一。而地球上生物體普遍存在和必需存在的生物手性均一(biohomochirality)——自然界中的MSB，是為了最有效地發揮其生物學功能，例如進行自我復制、蛋白質合成、調控和最終基因表達等。

鏡面對稱性破缺：在一個熱力學非平衡體系(可能是某種遠離平衡態的耗散結構)中非零ee(enantiomer excess，對映體過量百分率)值的狀態可以自發地從非手性或消旋態中產生的現象[30]。

自發拆分(spontaneous resolution)：消旋體結晶時產生一對相反構型純對映異構體晶體混合物的現象。如果將自發拆分視為局部的MSB，則第一個MSB現象的發現可追溯至巴士德在低于27℃時對酒石酸銨鈉鹽自發拆分形成外消旋混合物的手工分離。已知在無機化合物(例如氯酸鈉)[31]、有機化合物(例如聯二萘)[32]和活性金屬絡合物(例如稀土β-二酮絡合物[33-34]和五配位絡合物[35])的溶解或熔融結晶過程中,均存在ee值過量的自發拆分或絕對不對稱合成(或稱完全自發拆分)的MSB現象。

絕對不對稱合成(absolute asymmetric synthesis,簡稱ASS)：在非手性環境中將非手性原料轉化為產率大于50%的具有一定ee值的手性產物。即：手性可以在一定條件下無中生有。可以是[36]：① 在沒有任何外界手性誘導試劑作用下；② 在圓偏振光影響下的封閉體系中的不對稱合成。如前所述，可從非手性原料出發，在非手性環境中制備cis-[CoBr(NH3)(en)2]Br2，如果大宗反應產物的凈ee值不為零，可稱之為ASS反應。顯然，利用ASS制備手性化合物符合原子經濟和綠色化學原則，具有潛在應用價值。同時，開展絕對不對稱合成的機理研究對于探求生命體系中的手性起源具有重要理論意義。

1.2 外消旋體結晶的3種形態

由相等物質的量的一對對映體所組成的混合物或化合物稱為外消旋體。在氣態、液態以及溶液中，外消旋體通常為理想的或接近于理想的混合物。因此，在這些狀態之下，除了對偏振光的輻射會呈現不同的性質外，外消旋體和純對映體一般具有相同的性質。例如，它們具有相同的沸點、折射率、液態密度和紅外光譜(由于對映體識別和作用，這些非光學性質也可能有細微的差別[37])。

然而，在結晶狀態下，對映體分子之間的晶間相互作用卻有明顯差別，如圖4所示，由同一種外消旋體所得到的結晶可能分屬于下述3種不同情況。

圖4 外消旋體的3種結晶形式

(1) 外消旋混合物(racemic mixture)。當同種對映體之間的結合力大于相反對映體之間的結合力(稱為同手性識別作用)時，(+)-和(-)-分子將分別結晶，宏觀上呈現兩種對映體單晶的機械混合物，故稱為外消旋混合物又稱為外消旋聚集體(conglomerate,簡稱Congl.)。Congl.的單晶一般屬于手性空間群(11對對映異構體對)或Sohncke空間群[38-39]，即每一顆獨立的晶體(非孿晶)都具有手性，且一個晶胞內的所有分子都具有相同的絕對構型。該現象可以理解為外消旋體在結晶過程中發生了自發拆分，是本文認定的一種MSB現象。

(2) 外消旋化合物(racemic compound)。當同種對映體之間的結合力小于相反對映體之間的結合力(稱為異手性識別作用)時，(+)-和(-)-分子總是配對地結晶，就像真正的化合物一樣在晶胞中出現，共存于同一晶格中，故稱為外消旋化合物。外消旋化合物的單晶所屬空間群具有中心或鏡面對稱性。

(3) 假外消旋體(pseudoracemate)。這是外消旋體的一種特殊情況，其中兩種對映異構體以非等量的形式存在于晶格中，形成的是一種固體溶液，也稱為外消旋固體溶液。產生的主要原因是同手性識別作用和異手性識別作用之間的差別很小，結晶時兩種相反構型的分子以任意比例相互混雜析出。在假外消旋體中，兩種對映體分子的排列是混亂的。

根據手性化合物自身的性質，對不同的外消旋體形式可以采取不同的拆分方法[40]。

迄今在結晶條件下發現的MSB體系，多半是只有在固態下才能產生構象手性的Congl.單晶或難溶的配位聚合物，因此已報道的固態中的MSB研究大多局限于所獲得手性晶體的結構或固體CD表征，也有利用手性晶體堆砌時的手性環境來進行固態光化學反應，誘導分子產生新手性中心的精彩的手性傳遞實例[41]。

合成過程的自發拆分和絕對不對稱合成既有區別又有聯系：對形成大宗反應產物而言，前者的ee值為零，而后者的手性獲取具有隨機性；在一定條件下，以ASS形式獲得的手性晶體必須首先具有形成自發拆分的Congl.性質[33,40]，例如，在恒速定向攪拌下使NaClO3析晶，可以獲得單一手性的晶體[30-31]以及我們曾經獲得的手性DMB晶體[42]。

1.3 外消旋體的結晶拆分法

以結晶方式進行外消旋體的分離，是拆分手性化合物的常用方法之一(圖5)。按結晶過程的不同，可分為直接結晶法和間接結晶法。直接結晶法要求外消旋體必須形成穩定的Congl.，根據所生成的Congl.的不同性質可分別采用機械拆分、優先結晶拆分或部分拆分法。間接結晶法即化學拆分法，是將消旋體與拆分劑形成非對映異構體，然后利用非對映異構體之間的溶解度差異，使其中一個異構體優先結晶析出，也稱為非對映異構體分步結晶法。

機械拆分主要是利用外消旋化合物與純對映體(或Congl.)在不同溫度下的溶解度不同，在合適的溫度下使對映體單晶析出而外消旋化合物不結晶，然后根據單晶的外形不同分別檢出對映體。例如，酒石酸鈉銨鹽在27℃以下結晶時，形成NH4Na(tart)4·4H2O的Congl.，且兩個對映體的半面晶外觀互為鏡像[27]，可借助放大鏡用鑷子將兩種晶體分開。前已述及，雖然維爾納在早期研究中已注意到外消旋化合物與單一對映體之間的溶解度差異，也曾采用類似于巴斯德的手工拆分法分離出K3[Rh(ox)3]·4.5H2O[6]的對映體(圖6)，以及合理利用播晶技術部分拆分過[Co(ox)(en)2]Br·H2O、cis-[Co(NO2)2(en)2]Cl和[Cr(ox)(en)2]Br等[3,6]。但是他似乎沒有意識到發現MSB體系的重要立體化學意義。現代晶體結構解析已經證明，許多維爾納時代所合成的經典絡合物都具有Congl.的性質[5-6,43-44](參考表1)。Kondepudi和H?kansson則分別借助了偏光顯微鏡來手工分離或鑒別氯酸鈉[31]和稀土絡合物Δ/Λ-trans-[SmI2(dme)3][45](dme=1,2-二甲氧基乙烷)微小手性晶體的對映體。

圖5 獲得對映純化合物的途徑

絡合物空間群絡合物空間群mer-[Co(NO2)3(NH3)3]P212121[Co(ox)(en)2]Cl·4H2OP212121cis-[Co(NO2)2(NH3)4]NO3P212121[Co(ox)(en)2]Br·H2OP212121trans-[Co(NO2)2(NH3)4]NO3P212121[Co(ox)(en)2]IC2trans-K[Co(NO2)4(NH3)2]P212121[Co(ox)(en)2]PF6P21/ccis-[Co(NO2)2(en)2]ClP21NH4[Cr(ox)(en)2]Cl·H2OP21/ccis-[Co(NO2)2(en)2]BrP21[Co(NH3)4(ox)]I·H2OP21/ncis-[Co(NO2)2(en)2]IP41[Co(NH3)4(ox)]NO3·H2OP212121cis-[Co(NO2)2(en)2]NO2CcNH4[Co(edta)]·2H2OP212121cis-[Co(NO2)2(en)2]NO3P21/cRb[Co(edta)]·2H2OP212121cis-[Rh(NO2)2(en)2]ClP21cis-[CoBr(NH3)(en)2]Br2P212121cis-α-[Co(NO2)2(trien)]Cl·H2OP212121cis-[CoBr(NH3)(en)2]Br2P21/ncis-α-[Rh(NO2)2(trien)]ClP21/ncis-[CoBr(NH3)(en)2]Br2·2H2OC2/cK3[Rh(ox)3]·2H2OP3121cis-[CoBr(NH3)(en)2]S4O6P21K3[Rh(ox)3]·2H2OP3221cis-[CoCl(NH3)(en)2]Cl2P21/c

圖6 K3[Rh(ox)3]·4.5H2O的一對Congl.晶體呈現半面晶觀不同[6]

1.4 外消旋體的不對稱轉化

表1中列出的惟手性金屬中心三(雙齒)或順式-二(雙齒)螯合物在固態下可被自發拆分，這類絡合物的金屬中心(或配位多面體)手性是否在溶液中保持，取決于中心金屬的取代動力學(labile或inert)[1,9]。其結晶過程的MSB形式多為自發拆分。但是，在一定條件下對結晶過程進行調控可能獲得對映純晶相(100%ee)[46-47]，它的形成機理可用圖7所示的通式解釋，這種現象被稱為結晶誘導的不對稱轉化(crystallization-induded asymmetric transformation)或也是一種ASS的形式[1,40]。近年來的研究表明，ASS與MSB現象的發生密切相關，即：MSB體系中手性的“無中生有”取決于消旋體(或準消旋體，特指溶液狀態下不穩定的光學異構體)結晶時產生的第一顆手性單晶和化合物本身的外消旋活性。為此，深諳絕對不對稱合成之道的H?kansson指出[48]：“Only labile conglomerates can be used in absolute asymmetric synthesis”。

外消旋體的不對稱轉化是指將消旋體轉化成其某一對映體的過程(圖7)，它相當于一個與外消旋化相反的過程[40]。該過程一般具有下列特征：① 該化合物的對映體在溶液中的手性構型是易變的或活性的，即易于發生外消旋化；② 對映體之一將以大于50%的產率從外消旋體中被分離出來；③ 在不對稱轉化過程中，母液始終保持外消旋，因為結晶出來的對映體不斷地由母液中迅速達到的外消旋平衡來補充；④ 當不引入某個純對映體的晶種進行手性誘導時，反應產物的手性構型是隨機分布的。

圖7 外消旋體的結晶誘導不對稱轉化過程

若圖7所示的一對對映異構體在溶液中能發生快速消旋化，再輔以手性晶種誘導時，很有可能得到對映純晶體，實現ASS。反之，如果手性異構體足夠惰性不易消旋，則取決于分子之間精細的同手性或異手性相互作用(包括氫鍵等非共價相互作用，也包括分子與溶劑分子之間相互作用)，或晶體堆砌時的某些特殊作用，將形成本文1.2中所述的3種外消旋體結晶形式。手性對映體之間或手性分子與周圍環境的作用不同，以及某些化合物在不同條件(溶劑、溫度、壓力、定向攪拌等)下結晶過程中的化學(單)鍵旋轉、弱成鍵作用、局部構象變化等是導致它們形成晶體析出或相對能量不同的主要原因，可能使外消旋體中析出的晶體出現兩種或兩種以上的空間群和晶胞參數，產生共生同質多晶型或手性多晶型現象。

必須指出，本文所討論的ASS實例，均涉及圖7所示的結晶誘導的不對稱轉化過程。這對于在溶液中活性的，而結晶時可形成Congl.單晶的外消旋體是通用的、明確的機理[46-48]；而對于在溶液中惰性的外消旋絡合物而言，在某些外加因素(例如催化劑、溫度、酸堿試劑、光照或發生電子轉移)或手性拆分劑參與誘導作用下，也可能發生外消旋體轉化，從而實現其中某一種對映體大過量(產率大于50%)的不對稱轉化[40,49-50]。在這種情況下不一定要求被析晶的化合物具有Congl.的性質，但必須要有誘發其外消旋化的條件。

1.5 配位化合物的立體異構現象

已知絡合物中存在多種同分異構現象，一般分為化學結構異構和立體異構兩大類[1]。前者是由于絡合物中金屬-配體的成鍵方式不同所引起的，包括鍵合異構、配位異構、電離異構、水合異構等；而后者僅僅是由于絡合物中各原子在空間的排列不同所形成的，包括幾何異構、光學異構、配體異構和構象異構等。絡合物的常見立體異構現象見圖8。本文所述MSB體系的手性來源與絡合物各種層次的立體異構現象密切相關，可歸納為以下幾類：

圖8 配位化合物的立體異構現象

(1) 絡合物固有的平面手性(茂鐵衍生物)或軸手性。

(2) 由于配體在金屬周圍的不對稱排列引起金屬中心的手性(Δ或Λ)，即，考慮第2配位層螯環螺旋骨架引起的金屬中心手性(Δ或Λ)；也稱配位多面體手性，如圖9所示。

圖9 含雙齒配體的6～8配位絡合物的配位多面體手性[33-34,45]

(3) 配體柔性螯環的手性構象[1,51]，如圖10和圖11所示。

圖10 Λ-[Co(en)3]3+可能存在的4種螯環構象沿C3軸(垂直于紙面)觀察

(4) 配體或配位原子的手性[52-54]。例：含有固有手性碳的配體，手性配位磷、配位氮(如圖11)或被配位的氧原子[55]；配體的固有軸手性，如手性配體BINOL、BINAP等。

圖11 配位螯環具有δ構象的四方形Pt(Ⅱ)絡合物的非對映異構體前綴表示配位N原子的手性[52]

(5) 配體的阻轉異構引起的手性構象[56](圖12)，或形成手性配位聚合物時被固定的配體軸手性[26]。

圖12 半夾心型絡合物的一對非對映異構體配體PPh3上的3個苯基呈相反手性的螺旋排列[56]

因此，Λ-[Co(en)3]3+的手性來源應屬于(2)和(3)；而對于圖13所示的Δ-[RuCl2(chiragen)]，其手性則源于(2)和(4)。

圖13 Chiragen型配體及其手性選擇性所形成的Δ-[RuCl2(chiragen)][57]

在對配位化學中的MSB體系進行的細致結構研究中，發現了一些較罕見的手性配位立體異構現象，為配位立體化學的經典增添了精彩實例。

1.6 手性絡合物的CD光譜表征

已知使手性金屬絡合物的生色團(d-d、f-f、π-π*或荷移躍遷)產生CD信號的手性來源主要有以下4種[57-59]：超分子(寡聚)絡合物構型效應、絡合物單元構型(金屬中心或配位多面體的手性Δ和Λ)效應、配位螯環構象效應(δ和λ)和鄰位效應(vicinal effect，R和S)；一般而言，它們對于旋轉強度(可近似正比于CD譜中Cotton效應的強弱)的貢獻依次減小。迄今第一種效應已有實例[22,60-62]，其中位于不同(單核)單元生色團之間的核間(internuclear)相互作用值得關注；而在d-d躍遷和配體自身的π-π*躍遷(IL)中呈現第2種效應的CD譜通常直觀明晰，易于被初學者理解，經常被用來直接關聯單核手性絡合物的絕對構型[1]。在4種效應中,最難被詮釋的是后兩者，通常將鄰位效應只限于配體的手性中心(包括螯環上的手性碳、手性配位氮或磷原子)對鄰近的生色團引發Cotton效應的作用，而將因配體折疊產生的手性構象作為第3種效應來考慮，但是，在很多情況下，這兩種效應密切相關且存在加合性，難以區分[54,59]。

目前對配位化學中的MSB現象作出表征和確認，主要手段為單晶衍射并輔以CD光譜[27]。