手性金属-有机框架（MOF）在对映选择性识别、催化、分离等方面的潜在应用越来越受到关注。为了获得整体的同手性，化学家倾向于直接使用手性配体来合成同手性MOF材料。然而，手性配体的合成通常需要昂贵的试剂和苛刻的条件。因此，化学家们试图通过手性诱导直接从非手性前体中制备手性MOF。到目前为止，许多手性诱导剂如手性溶剂、手性有机分子已被用于从非手性构建块中制备手性MOF。在各种手性诱导剂中，4k、4p、14l不涉及手性框架的手性有机分子已成为最有前途的手性诱导剂。最大的挑战是，无法预测什么样的有机分子结构可以直接用于诱导所需的手性框架。因此，化学家需要花费大量的精力和金钱来选择合适的手性试剂。为了克服这一缺点，需要开发出高度清晰、可调的手性诱导体系。
最近，中科院海西研究所的洪茂椿开发了一种基于非手性构建块的新型手性诱导方法（方案1）。非手性苯-1，3，5-三（4-苯甲酸）配体（H3BTB）与ZnII/CdII簇合物的自组装导致非手性2D配位聚合物（FJI-H16），而额外添加适量的吡啶到此类组装系统中将导致手性3D MOF（FJI-H27（（M）或（P））（方案1，图1）。进一步的实验表明，吡啶分子作为手性生成的配位模板而不是pH调节的碱（方案 2），手性FJI-H27的形成是一个动力学控制的自组装过程，可以通过改变模板剂的用量和反应温度来进一步改善或阻碍（方案 2–方案 3）。值得注意的是，FJI‐H27的手性生成可通过从手性生成过渡态分离的关键中间体（FJI‐H28）进行详细鉴定（方案4，图2）。基于所提出的手性生成机制对吡啶模板进行靶向修饰将选择性地导致FJI‐H27（M）或FJI‐H27（P），使得大块FJI‐H27样品的手性取向和分布可以被控制（方案5，图3）。
吡啶驱动的Zn(NO3)2、Cd(NO3)2和H3BTB在85°C下在DEF/EtOH溶液中3天的手性溶剂热反应产生非手性2D配位聚合物，{[Zn2Cd（BTB）2（H2O）2]n}（FJI‐H16）；同时向这种自组装系统中添加额外的吡啶导致手性3D MOF，{a，b}（bT1，bT2）方案。FJI‐H16在非手性空间群P‐31c中结晶。这里，两个ZnII离子和一个CdII离子首先由BTB3配体的六个羧基连接，形成Zn2Cd三核簇（图1‐a）。第二，一对BTB3配体与三个Zn2Cd团簇螯合形成具有D3对称性的新构建块（图 1b）。第三，这种新形成的积木相互连接，形成一个二维分层结构（图1-c）。将Zn2Cd簇和BTB3-对作为3-连接节点，FJI-H16的结构可以简化为（6，3）蜂窝网络（图1-d）。FJI‐H27（M）的框架也由Zn2Cd簇和BTB3配体对组成（图1e，f）。然而，FJI‐H27（M）中的BTB3-配体对以部分重叠的构象堆叠在一起，因此构建块的对称性从D3降低到C2。这些构件连接在一起，沿c方向产生双螺旋，然后延伸到具有（12，3）行波管拓扑的手征三维网络（图1-g）。因此，FJI‐H27的手性包含两部分，第一部分是构建块中的不对称堆叠（图 1f）；第二部分是行波管网络的手征拓扑（图 1h）。尽管FJI‐H16和FJI‐H27具有相似的构建块，但构建块的不同构造和方向最终导致完全不同的结构。
将H3BTB配体与ZnII / CdII离子直接组装只会导致非手性FJI-H16，而向手性FJI-H27中额外添加吡啶分子会导致非手性。作者为了了解吡啶的作用，改变吡啶的添加量以及使用具有较弱配位能力的三乙胺代替吡啶，没有得到FJI-H27。 这些实验证实了吡啶用作从非手性构件中诱导手性的配位模板。 而且，通过调节吡啶的添加量，可以精确地控制手性诱导过程，从无诱导到部分诱导再到完全诱导。
FJI-H27是动力学控制产物，而FJI-H16是热力学控制产物（方案3-a）。一般来说，降低温度会促进动力控制装配过程，而升高温度会抑制动力控制装配过程。在85°C下添加不足量的吡啶模板（0.19mmol）导致FJI-H16和FJI-H27的混合物。额外的温度变化可能会进一步调整这种装配系统。将温度降低到55°C确实极大地促进了FJI-H27的形成，其中没有观察到FJI-H16（方案3-b）。将温度升高至125°C完全抑制FJI-H27的形成，仅获得纯FJI-H16（方案3-b）。所有这些都证实了FJI‐H27的形成确实是一个涉及动力学控制组装过程的模板，而FJI‐H16来源于没有吡啶参与的热力学控制组装过程（方案3‐a）。此外，这种模板驱动的手性生成过程可以通过改变反应温度来进一步调节，从无诱导到部分诱导再到完全诱导。
吡啶分子参与产生手性的组装过程，但是在诱导手性的产生后，吡啶将被去除。作者为了研究吡啶如何诱导手性，找到了潜在的手性生成过渡态，即吡啶参与自组装但尚未去除。当反应体系在65°C下进行时，不仅可以得到FJI-H27，还可以同时得到含有吡啶的新化合物FJI-H28{[ZnCd（BTB）（NO3）（Py）（DEF）2]n}。FJI‐H28在空间群中结晶。在此，一个ZnII离子和一个CdII离子首先由来自BTB3配体的三个羧基桥联得到ZnCd双核簇；剩余的CdII位点由两个DEF和一个吡啶结合，ZnII位的配位是由硝酸根阴离子配位的。由于在这种新形成的ZnCd团簇中没有发现对称元素，因此新形成的团簇是手性的。吡啶驱动的ZnCd簇的手性进一步传递到BTB3-配体，形成一个新的手性构建块，其中包含一个手性ZnCd簇和一个具有特定构象的手性BTB3-配体（图 2a，b），这些手性构建块直接连接在一起形成手性2D层状结构（图 2c）。从化学热力学和统计学的观点来看，也可以形成另一个构象相反的手性构建块（图 2d），它将连接在一起形成一个方向相反的手性二维层状结构（图 2e，f）。不幸的是，这两个方向相反的手性层按照ABAB方式堆叠在一起，使得FJI-H28成为没有光学活性的外消旋体（图2-g）。虽然FJI‐H28最终被消旋，但通过对FJI‐H28的结构分析，还可以详细观察到吡啶驱动的手性起源。
FJI‐H27的组装更为复杂，这里不仅在早期组装过程中形成了类似FJI‐H28基本单元的手性生成过渡态，而且可以合理去除吡啶模板，在随后的组装过程中保留新形成的手性。在此基础上，作者提出了FJI-H27可能的手性生成机制：在吡啶的驱动下，BTB3配体首先与Zn/Cd簇合形成类似FJI-H28基本单元的手性中间体I（M）或I（P），其中金属簇和BTB配体都具有特定的手性构象（方案 4a）。BTB配体在I（M）的特定手性信息的诱导下，以最小的能量和空间位阻以特定的方式取代配位溶剂和吡啶，形成新的构建基块（M），从而保留I（M）的手性信息（方案 4b）。这种新形成的积木（M）进一步连接在一起形成FJI-H27（M）的单晶（方案4-c）。从化学热力学和统计学的观点来看，另一种具有相反构象的手性中间体I（P）也可以被组装（方案 4a），最终形成FJI‐H27（P）单晶（方案 4d，e）。因此，在这个自组装体系中，吡啶作为模板可以诱导手性的产生和放大，最终得到手性的FJI‐H27（M）晶体或FJI‐H27（P）晶体。然而，吡啶诱导的手性生成没有选择性，从不同批次随机挑选的FJI‐H27晶体都是手性的，而不同批次的大块FJI‐H27样品的CD信号是不可预测的（图3‐a）。
如上所述，通过控制手性取向和分布，吡啶可以作为模板诱导生成手性FJI‐H27晶体，但大块FJI‐H27样品的手性取向是不可控的。根据提出的可能的手性生成机制（方案 4），如果在吡啶模板中引入手性基团，则可以控制手性中间体（I（M）或I（P））的形成概率，然后也可以控制大块FJI-H27样品的手性取向（方案 5a）。如上所述，空间位阻的增加不利于手性诱导过程（方案2）。为了避免削弱吡啶模板的配位能力，手性基团只能引入吡啶的对位，而手性基团的引入不能显著增加吡啶衍生物的空间位阻，降低其溶解性。所以（（S）‐4‐1‐羟乙基）吡啶和（R）‐4‐1‐羟乙基）吡啶）已被用作手性模板来控制大块FJI‐H27样品的手性取向（方案5‐b）。此外，不同批次的FJI-H27样品的手性取向也可以控制。如图 3b所示，所有由（S）‐4‐（1‐羟乙基）吡啶驱动的15批样品都显示出正的CD信号，因为（S）‐4‐（1‐羟乙基）吡啶更倾向于诱导FJI‐H27（P）晶体的形成（方案 5b）。而由（R）‐4‐（1‐羟乙基）吡啶驱动的其他15批样品均显示负CD信号（图3‐c），因为（R）‐4‐（1‐羟乙基）吡啶倾向于诱导FJI‐H27（M）晶体的形成（方案5‐b）。这种可控的手性生成进一步证实了提出的手性生成机制（方案4）。
在相应的手性吡啶衍生物的驱动下，不同批次的FJI-H27样品的手性取向可以被反复控制（图3-a-c），其手性分布（对映体过量程度）也可以被操纵。手性样品的对映体浓度与样品的对映体浓度成正比。因此，作者利用FJI-H27样品的CD光谱来研究它们的手性分布(图3)，结果手性诱导剂的引入不仅使不同批次的FJI-H27样品的手性取向得到有效控制，而且显著增加了大块FJI-H27样品的对映体过量程度。
综上所述，作者开发了基于非手性前体的新型且高度可控的手性诱导系统。 在此，将非手性H3BTB配体与ZnII / CdII簇组装会导致非手性FJI-H16，而将非手性吡啶引入此类组装系统会导致手性FJI-H27。吡啶已被证明是配位模板，手性生成过程是涉及动力学控制组装过程的模板，可以通过改变模板的数量和温度，从无诱导到部分诱导再到完全诱导来进一步控制。FJI-H27的潜在手性生成机理已通过与手性生成过渡状态隔离的关键中间体FJI-H28进行了详细鉴定。根据提出的手性生成机理对吡啶模板进行有针对性的修饰可以选择性地合成FJI-H27（M）或FJI-H27（P），从而可以控制大量FJI-H27样品的手性方向和分布。
原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202013885
