JACS：雙空腔籠索烴

索烴是一類具有非平面嵌入圖結(jié)構(gòu)的互鎖分子，其獨(dú)特的拓?fù)涮匦允蛊湓诜肿訖C(jī)器、催化等領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著的應(yīng)用潛力。目前研究者已經(jīng)成功構(gòu)筑了由二至六個(gè)單環(huán)結(jié)構(gòu)組成的多種索烴。然而，已有索烴體系大多基于單空腔單體構(gòu)筑，而以雙空腔籠為構(gòu)筑單元的相關(guān)研究仍相對(duì)較少。值得注意的是，此類雙空腔單體在互鎖過程中可能產(chǎn)生多種拓?fù)洚悩?gòu)體，但由于拓?fù)洚悩?gòu)現(xiàn)象往往被忽視，其選擇性形成特定異構(gòu)體的機(jī)制尚不明確。基于此，本研究通過簡便的一鍋法反應(yīng)，成功制備出由兩個(gè)雙空腔籠交織而成的新型索烴。為了建立概率模型，作者構(gòu)建了一個(gè)基于雙空腔籠狀單體的概念驗(yàn)證體系（方案1）。該單體由可方向性堆疊的三連接平面板與幾何匹配的連接基自組裝而成，形成具有兩個(gè)空腔的結(jié)構(gòu)。每個(gè)空腔均可模板化結(jié)合一個(gè)平面板，從而生成雙聯(lián)雙環(huán)索烴（DDC）。

方案1. 一鍋法合成雙聯(lián)雙環(huán)索烴，由一對(duì)雙空腔籠組成，可形成兩類拓?fù)洚悩?gòu)體：交織型與鏈狀型構(gòu)型。

由于自組裝主要由平面板間的堆疊相互作用驅(qū)動(dòng)，連接基的影響可忽略，因此體系可簡化為兩組三片、片間距離固定為 l 的平面板（圖 1）。兩組三片平面板的互鎖可產(chǎn)生四種構(gòu)型（1–4），但它們兩兩互為鏡像，最終僅對(duì)應(yīng)兩類拓?fù)洚悩?gòu)體：鏈狀型與交織型。

圖1. 利用簡化模型對(duì)雙空腔籠索烴的拓?fù)浞治觥?/p>

作者建立了基于雙空腔單體的概率模型（圖 2），用于預(yù)測兩種拓?fù)洚悩?gòu)體的形成概率：交織型與鏈狀型。在模型中，藍(lán)色單體底板固定，紅色單體首片平面板位置由x?描述，可在允許范圍內(nèi)平移以保持特定拓?fù)洹Ａ矫姘宓目傮w概率密度由相鄰板間概率乘積得到，積分后得到統(tǒng)計(jì)權(quán)重φI和φC，從而計(jì)算相對(duì)形成概率PI和PC（圖 2）。為反映組裝驅(qū)動(dòng)力，作者將 TFPT 平面板間堆疊作用納入概率密度ρ(r)，并通過DFT計(jì)算不同間距和角度下的相對(duì)能量。結(jié)果顯示，約40°堆疊角度能量最低，最為穩(wěn)定；擬合廣義Lennard–Jones勢函數(shù)后得到σ≈3.48 ?，ε≈4.12 kJ·mol?1。依據(jù)Boltzmann分布，可進(jìn)一步得到板間堆疊的概率密度函數(shù)ρ(r)，其在最強(qiáng)吸引處最大，在強(qiáng)排斥下迅速下降。該模型結(jié)合拓?fù)浜喕投询B能量分析，為預(yù)測DDC的拓?fù)洚悩?gòu)體形成提供了量化依據(jù)。如圖2步驟III所示，將ρ(r)分別代入交織異構(gòu)體的公式1、2和鏈狀異構(gòu)體的公式3、4后，概率模型給出了半定量預(yù)測：兩種結(jié)構(gòu)的形成概率比約為20:1。這一結(jié)果表明，交織拓?fù)錁?gòu)型在DDC形成過程中占據(jù)主導(dǎo)地位。

圖 2. 概率模型預(yù)測雙聯(lián)雙環(huán)索烴交織型與鏈狀型異構(gòu)體的相對(duì)形成概率。

交織型雙聯(lián)雙環(huán)索烴的合成與表征。基于概率模型預(yù)測的交織構(gòu)型優(yōu)勢（圖2），作者使用TFPT面板與三胺W型連接體L1（圖3a）進(jìn)行一鍋法合成，成功獲得產(chǎn)率為58%的交織型雙聯(lián)雙環(huán)索烴（DDC-1）。單晶X射線衍射（圖3b）證實(shí)其結(jié)晶于P2?/n空間群，兩個(gè)雙空腔籠完全交織，所有空腔均被相鄰面板占據(jù)，面板間3.3-3.4 ?的層間距進(jìn)一步證實(shí)結(jié)構(gòu)由多重π–π堆疊作用穩(wěn)定。質(zhì)譜分析顯示m/z 6861.63的強(qiáng)峰，對(duì)應(yīng)[6+6]縮合產(chǎn)物，與理論結(jié)構(gòu)一致。核磁共振譜（圖3c）顯示三組亞胺質(zhì)子信號(hào)及兩組等價(jià)甲基信號(hào)，溶液結(jié)構(gòu)與晶體結(jié)構(gòu)相符，確證其為單一交織構(gòu)型。反應(yīng)監(jiān)測顯示1H NMR僅存在DDC-1特征信號(hào)，未檢測到鏈狀異構(gòu)體。MALDI-TOF MS確認(rèn)主要產(chǎn)物為DDC-1，并檢測到微量四聚體和六聚體信號(hào)，但未發(fā)現(xiàn)[3+3]籠單體存在。以上結(jié)果與概率模型預(yù)測交織構(gòu)型占主導(dǎo)的結(jié)論一致。作者未通過循環(huán)凝膠滲透色譜分離四聚體與六聚體，濃縮過程中體系迅速向更穩(wěn)定的DDC-1轉(zhuǎn)化。高靈敏度多維質(zhì)譜分析證實(shí)存在高階組裝體：電噴霧電離質(zhì)譜檢測到[DDC+4H]4+(m/z 1716.18) 與[DDC+3H]3+(m/z 2287.81)的主峰，其同位素分布與理論計(jì)算高度吻合。在m/z 2287.81處還識(shí)別出可歸屬為互鎖四聚體[C984H888N72+6H]6+的微量信號(hào)，進(jìn)一步證實(shí)了高階互鎖結(jié)構(gòu)的存在。

圖3. 一鍋法合成交織型DDC-1。（a）三胺連接體L1與三醛面板TFPT在TFA催化下于30°C氯仿中反應(yīng)30分鐘，生成DDC-1；（b）DDC-1單晶結(jié)構(gòu)的側(cè)視與俯視圖。（c）DDC-1的1H NMR譜圖。

對(duì)m/z 2287.81處離子進(jìn)行TWIM-MS分析，進(jìn)一步確認(rèn)了四聚體的存在（圖4）。離子淌度分離顯示兩個(gè)清晰信號(hào)，分別對(duì)應(yīng)四聚體[C984H888N72+6H]6+與DDC-1[DDC+3H]3+。實(shí)驗(yàn)測得的碰撞截面積與理論模擬值吻合。綜合分析表明：體系中未檢測到雙空腔單體，因其未占據(jù)的空腔會(huì)驅(qū)動(dòng)進(jìn)一步互鎖；主要產(chǎn)物為交織型DDC-1，而鏈狀二聚體因熱力學(xué)不穩(wěn)定已轉(zhuǎn)化為高階結(jié)構(gòu)；體系中明確存在鏈狀拓?fù)渌木垠w，但僅檢測到痕量六聚體，說明面板間相互作用足以驅(qū)動(dòng)四聚體形成，卻不足以支撐更高級(jí)結(jié)構(gòu)的組裝。以上結(jié)果共同證實(shí)了概率模型的可靠性：該模型雖為半定量，但準(zhǔn)確預(yù)測了交織構(gòu)型的主導(dǎo)地位，鏈狀二聚體的缺失也與其向穩(wěn)定鏈狀四聚體的轉(zhuǎn)化過程相符。

圖4. 反應(yīng)體系的二維ESI-TWIM MS圖譜。

作者通過基于Hirshfeld分割的獨(dú)立梯度模型分析（圖5）證實(shí)了概率模型的合理性。對(duì)DDC-1結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，發(fā)現(xiàn)六個(gè)TFPT面板間存在五個(gè)顯著的非共價(jià)作用等值面，而連接體間的相互作用可忽略（圖5a），表明體系穩(wěn)定性主要依賴于面板間的π–π堆疊。優(yōu)化結(jié)構(gòu)同時(shí)顯示雙環(huán)單體間的夾角為35°（圖5b），與概率模型中DFT計(jì)算所得能量最低點(diǎn)（約40°）高度吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的可靠性。

圖5. 優(yōu)化后的交織型DDC-1結(jié)構(gòu)分析。（a）對(duì)優(yōu)化DDC-1結(jié)構(gòu)進(jìn)行IGMH分析；（b）優(yōu)化DDC-1結(jié)構(gòu)的俯視圖，顯示TFPT面板間夾角為35°。

綜上所述，本研究首次通過一鍋法合成了由雙空腔有機(jī)籠交織構(gòu)成的二聚索烴。該反應(yīng)以具有定向堆疊能力的三齒平面面板與互補(bǔ)連接體為原料，展現(xiàn)出優(yōu)異的拓?fù)溥x擇性，專一性地生成交織型異構(gòu)體。這一選擇性合成得益于作者建立的概率模型，該模型將體系簡化為三面板堆疊的空間排位問題，通過π–π相互作用驅(qū)動(dòng)并預(yù)測了交織構(gòu)型的主導(dǎo)形成。該策略大幅降低了計(jì)算成本，并可揭示傳統(tǒng)方法難以獲得的拓?fù)洚悩?gòu)信息，為復(fù)雜互鎖結(jié)構(gòu)的理性設(shè)計(jì)與精準(zhǔn)構(gòu)筑提供了新思路。

文獻(xiàn)詳情

Title: Catenanes of Twin-Cavity Cages

Authors: Ze-Ming Xu, Weihao Wang, Bin Su, Yonghang Xin, Chenfei Li, Yingchao Liu, Heng Wang, Xiaopeng Li, and Shaodong Zhang*

To be cited as: J. Am. Chem. Soc.2025, just published.

DOI: 10.1021/jacs.5c18401

（來源：超分子科學(xué)版權(quán)屬原作者 謹(jǐn)致謝意）