第五类手性的发现与合成：3D多面手性是什么手性？

来源：中国科学杂志社

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众所周知, 手性是核酸、蛋白质、碳水化合物等生物大分子的重要特征，所以可以说，地球上的生命起源是从手性开始的。在化学、材料以及药物合成等领域，手性都起着重要作用，因此，手性相关研究也越来越活跃和广泛。

迄今为止，科学界已经发现了4种主要的手性类型:中心手性、轴手性、螺旋手性、双平面手性。其中前3种手性存在于自然界中，而双平面手性是在实验室中人工合成的，加州理工学院化学家G. Fu开发的手性二茂铁就是其中的代表。 

而最近，在一篇发表于《国家科学评论》(National Science Review，NSR)的文章中，美国德克萨斯理工大学和南京大学的李桂根教授实验室与中国海洋大学江涛教授合作，提出并不对称合成了第五类手性：具有C2-和pseudo C2-对称性的3D多面手性（multi-layer3D chirality）。

在C2-对称性3D多面手性产物的发现和合成过程中，由诺奖得主E. J. Corey建立的逆推合成子理论，以及诺奖得主A. Suzuki及其同事N. Miyaura发明的Suzuki-Miyaura碳-碳键交叉耦合反应发挥了重要作用。在多层pseudo C2对称性3D多面手性的组装过程中(图1)，麻省理工学院S.Buchwald和加州大学伯克利分校J. Hartwig发明的碳-氮键交叉耦合反应也至关重要。

图1 多层面3D手性的C2和pseudo C2非对称性对比

X-射线结构分析证实，这种多层3D手性产物中存在着几乎平行的三层结构:顶层、中层和底层。其中顶层和底层的自由化学键旋转相互限制，从而形成有别于双平面手性或轴手性的第五类手性。

该工作中合成的3D多面手性产物具有宏观手性现象，不需要借助显微镜设备，肉眼就可以直接观察到。如下图2所示，当含有这些样品的溶液暴露在空气中，慢慢蒸发几天后，会在玻璃容器中形成逆时针螺旋环图案。这些螺旋环图案在365nm紫外光照射下呈绿色。当含3D多面手性产物的氯仿溶液在核磁共振管中慢慢蒸发数周后，会形成右手螺旋状的图纹。在365nm紫外光照射下，许多3D产物的溶液均表现出各种颜色的荧光。

图2  宏观手性现象，荧光图像（a）和光致发光光谱（b）

值得指出的是，随着3D多面手性产物分子中官能团的变化，其发光颜色也会改变，可以由金色变为深绿色(如下图3)。这些产物还表现出很强的聚集诱导发光(AIE)，其中水的比例越高，发光强度越强。

图3  3D多面手性分子溶液在核磁共振管中的发光和聚集诱导发光 

在合成的3D多面手性产物中，有几种产物表现出了不同寻常的高旋光性，这说明它们在光学材料与技术领域中拥有巨大的应用潜力。

文章信息：

Enantioselective assembly of multi-layer 3D chirality

https://doi.org/10.1093/nsr/nwz203