东北大学周炯团队封面 | 亚甲基桥连萘管: 超分子化学领域极具潜力的新型大环芳烃

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研究背景

超分子化学是一门“超越分子的化学”，具有强大的生命力，与化学、物理、生物、材料科学等紧密相连。大环主体是超分子化学的主要研究对象，其中大环芳烃（杯芳烃、柱芳烃、联苯芳烃、棱镜芳烃、双子芳烃、杂芳烃和杯萘芳烃等）由于其特殊的结构、易于官能化和优异的主客体化学性质而引起了广泛的关注。然而，具有明确空腔结构的大环芳烃较少，因此设计合成具有明确空腔的新型大环化合物对超分子化学具有重要意义。

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研究内容

近日，东北大学周炯教授团队对蒋伟教授团队的工作，即亚甲基桥连萘管的合成、构型分析、分子识别和手性传感（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202211853）进行了亮点评述。文章首先描述了一些经典大环芳烃的结构和性质，之后对这些大环芳烃产生的不同构象进行了分析，最后重点介绍了亚甲基桥连萘管的合成、表征及其手性性质。

杯芳烃是由亚甲基桥连苯酚单元构成的大环芳烃，其具有尺寸可调的空腔，被认为是继冠醚和环糊精之后的第三代大环主体。柱芳烃是由 Ogoshi 教授团队于 2008 年首次报道的一类柱状结构的刚性大环主体。柱芳烃由于其富电子空腔，多个反应活性位点，易溶于有机溶剂等优势在超分子化学领域脱颖而出。此外，各种具有新型结构的大环芳烃也被合成和报道。联苯芳烃是由李春举教授团队报道的一类新型大环化合物，由烷氧基取代的联苯单体与多聚甲醛在路易斯酸催化下反应获得。具有大尺寸空腔和功能骨架的联苯芳烃在构建新颖结构和功能的超分子材料方面显示出独特的优势和巨大的潜力。杂[3]芳烃是由周炯教授团队在一个大环中整合两种不同类型的单元所构筑的大环分子。基于杂[3]芳烃的非多孔自适应晶体可以高效、节能和环保地从苯和环己烷的混合物中选择性分离苯。双子芳烃是由杨英威教授团队于 2019 年报道的一种大环主体分子，双子芳烃成功实现了氯苯和氯环己烷的分离。棱镜芳烃是由 Gaeta 教授团队制备的一种新型的萘酚基大环芳烃，由于其荧光特性，可以用作荧光传感器。

图1 几种典型大环芳烃的结构。

目前报道的大环芳烃大多数以平面芳香烃通过亚甲基桥连形成。每个亚甲基周围的两个单键可以自由旋转，从而具有很高的结构灵活性，这会导致构象的适应性和不明确的空腔。此外，通过翻转大环芳烃的芳香族侧壁可以获得不同的构象，从而使大环主体能够络合不同的客体。第一、当芳香侧壁上的连接对称时，翻转侧壁不产生新的构象（图2 Model A）。第二、如果连接是对称的，但芳香侧壁在空腔的两个入口处不同，则芳香侧壁的翻转将产生新的构象（图2 Model B）。第三、由于低对称侧壁上的连接位于两个中心对称位置，因此翻转一个侧壁不仅会产生新的构象，而且会产生手性，这允许一对对映异构体共存（图2 Model C）。总之，芳香族侧壁的翻转会导致高的结构柔性和构象适应性。并且，它也会造成不确定的空腔，这不利于分子识别和其他功能的应用。因此，设计和合成具有明确空腔的新型大环芳烃对于超分子化学的发展和应用尤为重要。为了构建具有明确空腔和更少结构灵活性的大环芳烃，应减少亚甲基的参与。在这方面，利用刚性和弯曲的芳香结构代替平面芳香结构作为构建块是一种有效的方法。在此，本文介绍了蒋伟教授在大环领域的新突破，他们采用了一类具有明确空腔的新型大环芳烃用于分子识别和手性传感。

图2 三种芳香侧链翻转的大环主体模型的构象研究。

蒋伟教授团队通过烷氧基取代的双萘环和多聚甲醛在三氟乙酸催化下合成了亚甲基桥连萘管（图3a）。通过柱色谱法分离出两种产物，即具有三个重复单元（NT3-Me）和四个重复单元（NT4-Me）的亚甲基桥连萘管。由于双萘的低对称性，NT3-Me 和 NT4-Me 理论上分别具有两种和四种可能的构型异构体。然而通过X射线单晶结构证明，NT3-Me 为构型 I（图3b），NT4-Me 为构型 II（图3c）。其中 NT4-Me 具有双腔构象，并且是手性的。在 NT4-Me 的晶体结构中，两个对映体成对存在，并且可以通过在亚甲基周围旋转单键而在室温下在溶液中快速相互转化。

图3 (a) 亚甲基桥连萘管的合成步骤；(b) NT3-Me 和 (c) NT4-Me 的X射线单晶结构和构型。

由于其富电子空腔或双空腔，亚甲基桥连萘管与有机阳离子客体具有优异的主客体相互作用，并表现出显著的分子识别能力。NT3-Me 与 14 种典型有机阳离子的 ¹H NMR 谱表明，主体与客体的信号发生了显著变化，客体的质子相关峰出现了上移。这说明客体被封装在 NT3-Me 的空腔中，主体与客体之间存在较强的结合亲和力。¹H NMR实验结果显示，NT3-Me 与有机阳离子的结合常数在 10² 到10⁸ M⁻¹ 之间（表1）。而且客体分子的尺寸对结合常数影响较大，客体分子尺寸过大或过小时，结合常数变小。与结构相似的棱镜[6]芳烃相比，具有刚性结构的 NT3-Me 与同一客体的结合常数更大，这表明 NT3-Me 在分子识别方面具有优势。

表1 NT3-Me 与有机阳离子客体的结合常数。

亚甲基桥连萘管可以作为手性有机阳离子的手性传感器。当将手性客体加入到 NT3-Me 的溶液中时，检测到诱导的 CD 信号（图4a）。通常，相对较大的客体会引起较强的 CD 信号。然而，NT4-Me 的最强 CD 信号由相对较小的客体诱导，而较大的客体诱导较弱的 CD 信号（图4b），这种差异可归因于大环空腔大小的影响。

为了实现有效的手性传感，有必要将客体的手性转移到具有芳香族侧壁的主体上。对于非手性的 NT3-Me，手性客体分子可能通过扭曲芳香侧壁而诱导手性构象，而另一种对映体分子诱导手性构象时，芳香侧壁的取向与手性客体分子相反。对 19@NT3-Me 的 DFT 计算证实了这种机制（图4c）。当 NT3-Me 结合 R-19 和 S-19 时，R-19 诱导 NT3-Me 顺时针扭曲。而 S-19 使 NT3-Me 发生逆时针扭曲。对于具有两种可相互转化的手性构象的 NT4-Me，可以选择其中一种手性构象来转移其手性（图4d）。

图4 (a) NT3-Me 和 (b) NT4-Me 在有机阳离子客体存在下的 CD 光谱。通过 DFT获得的 (c) 15@NT3-Me 和 (d) 18@NT4-Me 的能量最小化结构。

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总结展望

蒋伟教授团队的开创性工作报道了一类使用刚性和弯曲的烷氧基取代的双萘作为构建单元，构筑了具有明确空腔的新型大环芳烃，即亚甲基桥连萘管。NT3-Me 具有刚性的、定义明确的和富电子的单腔，而 NT4-Me 具有双腔结构。此外，与其它结构相似但灵活的大环芳烃相比，亚甲基桥连萘管具有明确的空腔，对有机阳离子显示出更强的结合亲和力和更好的分子识别能力。新的大环化合物，特别是那些具有新颖结构和独特功能的大环化合物，极大地促进了人们对超分子化学本质的认识。迄今为止，在超分子化学中，大环化合物的合成是最具挑战性和最热门的研究课题之一。我们坚信，超分子化学将会进入一个新的时代，走向更加辉煌的明天。

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论文信息

Methylene-bridged naphthotubes: new macrocyclic arenes with great potential for supramolecular chemistry

Miaomiao Yan and Jiong Zhou

Org. Chem. Front., 2023, 10, 2340-2345

https://doi.org/10.1039/D3QO00258F

*文中图片皆来源上述文章

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作者简介

周炯 教授

东北大学

周炯，东北大学教授，博士生导师，沈阳市领军人才。2019 年博士毕业于浙江大学，导师为黄飞鹤教授。随后在美国纽约州立大学布法罗分校化学系从事博士后研究，导师为 Timothy R. Cook 教授。2021 年加入东北大学理学院开展独立研究，任海外百人青年特聘教授，博士生导师。主要从事超分子化学方面的研究工作，当前的主要研究兴趣包括基于主客体化学的响应性自组装、超分子配位化合物和功能材料。以第一/通讯作者在 Chem. Soc. Rev., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv Mater., PNAS 等权威学术期刊发表多篇高水平论文。

文章第一作者为东北大学博士生颜苗苗，目前以第一/第二作者发表 SCI 论文 5 篇。

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