以水作为效应因子的基于苯三硫吩的超分子聚合物中的热激活立体反转

《ANGEWANDTE CHEMIE-INTERNATIONAL EDITION》：Thermally Activated Stereoinversion in Benzotrithiophene-Based Supramolecular Polymers with Water as the Effector

螺旋超分子聚合物的温度依赖性立体异构化及其溶剂效应研究。本文报道了具有C3对称性的苯并三噻吩衍生物BTT1的自组装行为，其形成的螺旋聚合物通过水分子诱导的温度依赖性立体异构化实现螺旋方向反转。计算表明水分子通过三重氢键促进构象转换。

　　在本研究中，我们报告了一种基于苯并三硫杂苯（benzotrithiophene, BTT）的新型手性分子 **1** 的合成，并发现其能够自组装形成螺旋状的超分子聚合物。这种自组装过程展现了一个独特的温度依赖性立体突变现象，其中水分子在这一过程中扮演了关键的角色。通过圆二色光谱（CD）测量，我们发现高水含量能够诱导出双阶段的立体突变，最终使螺旋结构恢复到原始的手性状态；而在低水含量条件下，仅能观察到一次稳定的立体突变，其持续时间取决于水的浓度。这些发现揭示了溶剂，特别是水，在调控手性超分子聚合物结构中的重要作用，并为理解水在自组装和立体突变过程中的影响提供了前所未有的见解。

在自然界和人工合成体系中，溶剂与溶质之间的相互作用是决定分子组织和结构形成的重要因素。在生命科学领域，这些相互作用影响了分子的溶解性、反应性和结构稳定性。例如，许多生物分子如多肽和多核苷酸，其三维结构的形成依赖于非共价相互作用，如氢键和π-π堆积作用。在合成体系中，超分子聚合物的形成同样受到溶剂的影响，特别是在非极性溶剂如烷烃中，非共价作用在自组装过程中起主导作用。然而，这些溶剂中通常含有少量的水，这些水分子可能通过未实现的氢键相互作用带来潜在的能量变化，并在一定程度上影响自组装的路径和结构特征。

与传统的立体反转（如分子水平的立体反转）不同，手性超分子聚合物的立体突变通常由外部刺激引发，如温度变化、pH值改变或溶剂的更换。这种现象得益于非共价作用的弱性和可逆性，使得手性结构可以在不破坏分子完整性的情况下发生变化。在本研究中，我们发现，水分子不仅影响了聚合物的形成，还作为关键效应因子调控了立体突变过程。具体而言，当将 **1** 的溶液加热至特定温度时，其螺旋结构的立体方向会发生变化；而当冷却至较低温度时，这种变化可以被逆转。这种现象在某些有机分子中也有报道，但其在BTT体系中的表现是独特的，特别是在水含量对立体突变过程的影响方面。

我们通过多种计算方法对这一现象进行了深入分析，揭示了 **1** 的单体在自组装过程中能够形成两种不同的对映异构体。这些对映异构体的形成依赖于胺基团相对于BTT核心的相对取向。在实验中，我们发现，当水含量较高时，螺旋结构会经历两次立体反转，最终恢复到初始的手性状态；而当水含量较低时，仅发生一次反转，且结构趋于稳定。这一行为提示了两种不同的螺旋构型在能量上的竞争关系，即在不同温度和水含量条件下，两种对映异构体可能在热力学稳定性上发生交换。

为了进一步理解这一立体突变机制，我们进行了详细的计算研究，包括密度泛函理论（DFT）和分子力学/分子动力学（MM/MD）模拟。计算结果表明，BTT核心和胺基团的旋转是形成不同螺旋结构的关键过程，而水分子通过形成三重氢键网络，显著促进了这一过程。例如，在BTT三聚体（trimer）中，水分子与胺基团之间的氢键作用能够降低旋转所需的能量障碍，从而使得立体突变更容易发生。这种氢键网络不仅影响了BTT核心的排列方式，还改变了胺基团的取向，进而影响了整体的螺旋方向。

值得注意的是，水分子在这一过程中的作用并非仅仅局限于促进旋转，它还可能通过改变非共价相互作用的强度和分布，影响整个自组装路径。在BTT **1** 的三聚体中，我们观察到两种主要的构型：一种是胺基团以“OOO”方式排列，另一种是“OON”方式排列。这两种构型分别对应于不同的螺旋方向，即右旋（P）和左旋（M）。通过计算，我们发现“OON”构型在室温下更为稳定，而“OOO”构型则在较高温度下占据主导地位。这种稳定性差异可能是由于不同的氢键作用和π-π堆积效应所导致的。

此外，我们还研究了水分子在不同浓度条件下的影响。实验显示，当水含量较低时，BTT **1** 的螺旋结构仅经历一次立体反转，且其稳定性较强；而当水含量较高时，BTT **1** 能够发生两次反转，最终恢复到初始状态。这种双阶段的立体突变现象可能与水分子在自组装过程中对非共价相互作用的调控有关。通过计算模拟，我们发现水分子能够有效降低BTT核心旋转所需的能量，从而使得立体反转过程更加迅速和可逆。

在实验中，我们通过不同的溶剂条件验证了水分子对BTT **1** 自组装和立体突变过程的影响。例如，当使用甲基环己烷（MCH）作为溶剂时，BTT **1** 能够形成稳定的螺旋结构，且其立体反转行为与水含量密切相关。而在使用十氢化萘（decalin）作为溶剂时，BTT **1** 的自组装过程更加彻底，其螺旋结构在加热后能够完全解聚。这表明，水分子在BTT **1** 的自组装过程中具有不可忽视的作用，它能够通过调节非共价相互作用的强度和方向，影响聚合物的形成和结构的动态变化。

综上所述，本研究揭示了水分子在调控BTT **1** 手性超分子聚合物自组装和立体突变过程中的关键作用。通过实验和计算的结合，我们不仅确认了水对聚合物结构的动态影响，还进一步揭示了其在促进立体反转过程中的机制。这些发现为理解水在超分子体系中的作用提供了新的视角，并可能为设计具有可控手性变化的新型材料提供理论依据。未来的研究可以进一步探索水分子在不同溶剂条件下的具体作用机制，以及如何通过调控水含量来实现更精细的手性调控。