同分異構現象在分子科學中普遍存在，具有相同分子式的物質通常會具有不同的原子空間排列方式。異構化在多種化學過程中發(fā)揮著重要的作用，如酶催化、生物信號傳導、分子開關和生物作用等。

在超分子化學中，不同的結構不僅可以產生具有不同主客體行為的異構體，而且還可以產生具有不同穩(wěn)定性和孔隙率的異構體框架。雖然超分子組裝體的立體異構體已經被廣泛研究，但結構異構體的研究仍然是一個難題。

方案1 [ 4 + 8 ]有機籠同分異構體的合成

圖1 ( a ) M1、PN - 1和PN - 1R的部分1H NMR譜；( b ) M1、PN - 2和PN - 2R的部分1H NMR譜；( c ) PN-1，( d ) PN-2，( e ) PN-1R，( f ) PN - 2R的高分辨MALDI - TOF - MS;( g ) PN-1，( h ) PN-2，( i ) PN-1R，( j ) PN-2R的2D DOSY光譜。

圖2 ( a ) PN籠中的三種孔道；( b-d ) PN - 1α、PN - 1β和PN - 2的單晶X射線結構(左)及其溶劑可及的等值面模型(中)和三維堆積結構(右)。

單晶X射線衍射實驗表明勒[ 4 + 8 ]手性籠的形成。PN - 1α晶體屬于單斜晶系，C2空間群，PN - 1β晶體屬于F222空間群。PN - 1中M1的苯環(huán)與二氫吩嗪單元的夾角為90°，每個M1與4個CHDA形成4個亞胺鍵。PN - 1α和PN - 1β為具有六個非平面四方孔的多孔籠，其空腔尺寸為6.4 ? × 6.4 ? × 6.4 ? 。復雜的分子間CH ··· π和疏水相互作用將籠子組裝成3D多孔超分子結構。PN - 2晶體屬于單斜晶系，C2空間群，它是由四個平行的M1和八個彎曲的CHDA鍵通過16個亞胺鍵連接而成的。該籠狀結構具有一個尺寸為10.0 ? × 10.0 ? × 18.3 ?的開口管狀空腔，具有六個四邊形孔道。

這兩種有機籠PN - 1和PN - 2互為異構體，它們都是由4個M1和8個CHDA通過16個亞胺鍵以不同的方式連接在一起而形成的不同骨架。在PN - 1和PN - 2中，CHDA的手性亞胺鍵朝向可與客體分子接觸的籠子內部，因此，這種類型的有機籠可用于研究超分子主客體相互作用。

圖3 ( a - d )分別為PN - 1R、PN - 2R、1R - Ni和2R - Ni的能量最小化分子結構。

表1 不對稱Michael加成的適用范圍

圖4 以3c和4a為底物的( a )產率和( b ) ee值(對映體過量)曲線圖；( c ) ( R ) - 2R - Ni催化3c與4a的不對稱Michael加成反應的循環(huán)結果。

在實驗過程中，他們還發(fā)現對于某些底物，PN - 1R和PN - 2R表現出的差異可能是由于這兩種籠狀結構都具有一定的結構柔性?；\子對不同的底物的不同響應，這與酶在結構上適應不同大小和形狀的底物是相似的。為了驗證這一結論，作者還進行了動力學研究，證實了( R ) - 2R - Ni比( R ) - 1R - Ni具有更高的活性和對映選擇性，此外，( R ) - 2R - Ni在循環(huán)5次后仍可以回收使用，且選擇性降低較小。

綜上所述，他們以二氫吩嗪和1，2 -環(huán)己二胺為構筑單元，合成了兩個手性多孔[ 4 + 8 ]有機籠PN - 1和PN - 2，同時在這兩種籠子中能觀察到結構的異構化。他們還通過將亞胺鍵還原，得到了同分異構體的胺籠PN - 1R和PN - 2R。當胺籠與Ni (Ⅱ)離子結合時，能作為手性催化劑以促進2 -乙酰基氮雜芳烴與硝基烯烴的Michael加成反應。這項研究不僅強調了結構異構體對對映選擇性催化的影響，還有助于推進各種功能超分子體系的設計和構建。

Title: Chiral Covalent Organic Cages: Structural Isomerism and Enantioselective Catalysis

Authors: Kaixuan Wang, Xianhui Tang, Bai Amutha Anjali, Jinqiao Dong, Jianwen Jiang*, Yan Liu* and Yong Cui*

To be cited as: J. Am. Chem. Soc. 2024, XXXX, XXX, XXX-XXX

DOI: 10.1021/jacs.3c12555