二維分子組裝的競爭性手性誘導

吳凱

北京大學化學與分子工程學院，北京 100871

(a) 競爭手性誘導形成的表面手性網格結構的高分辨STM圖像；(b) 競爭手性誘導形成表面手性網格結構的示意圖；(c) 表面CW網格結構的覆蓋度與溶液中手性共吸附分子濃度間的關系曲線；(d) 基于分子力學方法優化的競爭手性誘導形成的表面手性網格結構的分子模型。

手性分子組裝是化學、材料、生命科學等領域研究的重要課題之一。研究分子組裝過程的手性誘導和控制，對手性組裝結構及材料的設計構筑及其在分子識別、分離、催化、不對稱光學等領域的應用具有指導意義，也有助于對自然界中手性起源這一基本科學問題的認識。

由于表界面處的對稱性破缺，分子在表界面組裝過程中形成手性超分子組裝結構。這一過程是研究手性分子組裝中手性誘導、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和傳遞到超分子層次，使得組裝結構通常也具有特定的手性特征，該方法是構筑具有特定手性特征的組裝結構或材料的重要途徑之一1,2。此外，通過非共價作用引入手性信息，如使用手性溶劑或手性輔助劑，也可實現對分子組裝體系的手性誘導和控制3,4。這種基于非共價作用引入手性信息的策略目前多用于調控非手性分子的組裝結構。考察非共價作用介導的手性誘導與固有手性中心的手性誘導這兩種手性控制策略在分子組裝中的競爭作用對于理解手性誘導和傳遞的物理化學基礎具有重要意義。

近來，中國科學院化學研究所萬立駿院士及王棟研究員團隊提出以簡單的手性共吸附分子實現固/液界面非手性分子組裝體系的手性誘導及控制的策略，為固/液界面手性分子組裝結構的手性誘導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固有手性分子在固/液界面組裝結構的影響，考察了非共價介導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。研究發現，在枝狀分子BIC的側鏈上共價鍵連的手性中心或通過非共價鍵引入 1-辛醇的手性同系物作為共吸附分子，均可實現對固/液界面組裝結構的手性誘導和控制；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，誘導非手性BIC分子形成具有特定手性特征的組裝結構。有趣的是，當向手性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，BIC分子固有手性在組裝過程中的傳遞和放大作用被抑制；當溶液中手性共吸附分子濃度達50% (體積比)時，手性共吸附分子，而非固有手性中心決定二維組裝結構的手性。分子力學模擬結果進一步闡釋了氫鍵在手性誘導和傳遞過程中的重要作用。該結果從分子層次研究了非共價相互作用介導的手性信息對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和控制的分子機制，可為發展高效的手性誘導控制策略提供指導。

該研究工作近期已在 Science Advances上發表7。