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Chem. Eur. J. :新型手性苯三酰亞胺(BTI)陰離子自由基:探究電子自旋和手性相互作用的分子模型2024-02-14
中國科學院化學研究所王德先課題組在苯三酰亞胺(BTI)骨架中引入中心手性基元,合成了一系列光學純的手性苯三酰亞胺化合物,進一步通過化學還原的方法構筑了穩定的手性陰離子自由基。以手性陰離子自由基為平臺,利用圓二色光譜(CD)探究了手性與未成對電子自旋之間的相互作用,揭示了這種相互作用本質源于手性基元對未成對電子的躍遷電、磁偶極距及其角度的調控。

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圖片
圖1手性BTI陰離子自由基的化學結構(a)、CD光譜(b)、理論計算(c)以及手性-電子自旋相關性示意圖(d)

電子自旋與分子手性的相互作用因其可能與生命的手性起源相關,一直是備受關注的研究內容。穩定的手性有機自由基兼具未成對電子和分子手性,是研究電子自旋與手性相互作用、實現多功能材料的理想分子平臺。然而由于穩定性和手性拆分困難的原因,光學純的穩定有機自由基難以獲得,且鮮有電子自旋與手性相互作用的報道。

BTI化合物具有缺電性和易于衍生化的特點,可作為陰離子識別主體分子的構筑基元,同時可通過化學還原的方法轉化為陰離子自由基。BTI自由基單電子能夠離域在芳香骨架上,因而表現出良好的穩定性。本文作者前期獲得了結構多樣的穩定BTI有機陰離子自由基,并研究了其獨特的物理性質(Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 14040; CCS Chem.?2023, 5, 1343)。本文中,作者進一步將中心手性基元引入到BTI骨架中,構筑了一系列對映體純的手性自由基化合物(圖1a), 并基于近紅外區圓二色光譜研究了未成對電子和手性之間的相互作用。

晶體結構表明,手性取代基能夠顯著影響BTI自由基堆積結構,可形成分立的自由基或自由基二聚體結構。進一步,手性α-甲基芐基取代的4c–?CoCp2+自由基的分子手性能夠誘導單一M(4cR–?CoCp2+)或P(4cS–?CoCp2+)螺旋的超分子手性結構,而光學純的丙氨酸甲酯(4aS–?CoCp2+)和纈氨酸甲酯(4bS–?CoCp2+)取代的自由基則形成P/M共存的螺旋結構。雖然三種自由基具有相似的紫外-可見-近紅外吸收光譜,但只有4c–?CoCp2+在近紅外區(SOMO→LUMO+1躍遷)表現出明顯的CD信號(圖1b),表明不同的手性取代基可以調控手性與未成對電子間的相互作用。理論計算揭示了手性與自由基的相互作用源于對SOMO→LUMO+1的躍遷電、磁偶極距及其夾角的調控(圖1c)。據此作者給出了可能的作用機理,即BTI外圍三個同手性基團能夠誘導自旋極化,極化的未成對電子在激發過程中能夠進一步與手性基團作用,形成螺旋激發態電子,并選擇性地與左、右偏振光作用,產生近紅外CD信號。本研究表明通過合理設計手性取代基,可以實現并調控未成對電子自旋與手性之間相互作用并產生獨特的光學性質,有望在自旋誘導手性選擇性(CISS)、自旋濾波器等方面得以應用。

文信息

Chiral Benzene Triimide (BTI) Radical Anions for Probing the Interplay of Unpaired Electron Spin and Chirality

De-Hui Tuo,?Dr. Yu-Fei Ao,?Prof.?Dr. Qi-Qiang Wang,?Prof.?Dr. De-Xian Wang

文章第一作者為庹德輝

Chemistry – A European Journal?

DOI:?10.1002/chem.202302954

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