【人物与科研】天津师范大学李春举Acc. Chem. Res. 综述：联苯[n]芳烃的模块化合成、可定制的空腔尺寸和丰富骨架功能

导语

大环化合物是超分子化学研究的重要工具，广泛用于分子识别、生物医药和材料科学等领域，设计合成结构新颖、性质独特的新型大环主体是超分子化学的重要研究方向。传统大环主体的空腔通常较小，适于键合小/中尺寸的客体分子，而不能整体包结大尺寸分子或结构。此外，传统大环的骨架比较单一，功能基元通常只能引入到大环端口，难以对大环性质产生显著影响。因此，发展骨架、尺寸、形状和化学环境多样性的大环主体分子对于实现新颖的大环分子识别与组装具有重要意义。 基于此，天津师范大学李春举课题组提出了模块化合成策略，构筑一系列可定制化功能大环并命名为联苯[n]芳烃（Biphen[n]arenes），进而探索了这类大环的主客体性质、超分子组装和功能应用。应Acc. Chem. Res.主编邀请，作者系统性综述了联苯[n]芳烃的相关研究工作（2022, 55, 916–929. DOI: 10.1021/acs.accounts.2c00043）。

课题组简介

李春举博士，天津市特聘教授、天津师范大学化学学院院长、天津市功能分子结构与性能重点实验室主任。2002年本科毕业于南开大学化学系，2007年博士毕业于南开大学化学学院，2014~2015年美国德克萨斯大学奥斯汀分校博士后。先后工作于上海大学化学系（2008~2018年）和天津师范大学化学学院（2018年12月至今）。主要围绕联苯[n]芳烃大环的合成、分子识别及功能应用开展研究。近五年以通讯作者在Acc. Chem. Res.（1篇）、Nat. Commun.（3篇）、Angew. Chem. Int. Ed（7篇）、Adv. Healthc. Mater.（1篇）、Chem. Mater.（1篇）、Chem. Sci.（3篇）等期刊发表论文40余篇。

前沿科研成果

联苯[n]芳烃的模块化合成、可定制的空腔尺寸和丰富骨架功能

图1. 联苯[n]芳烃：模块化合成、可定制的空腔和骨架功能

（来源：Acc. Chem. Res.）

该综述首先总结了联苯[n]芳烃的设计与合成。概述了反应模块、连接模块、溶剂、催化剂、温度、反应时间等因素对成环反应的影响。进一步介绍了模块化合成骨架功能大环的合成策略：首先通过Suzuki-Miyaura偶联将功能模块和反应模块连接起来，所得到单体再与连接模块（醛）在Lewis酸的催化下发生Friedel-Crafts烷基化反应，一步法成环构筑功能大环（图2）。利用此策略可以得到含有芘、萘、蒽、卟啉、蒽醌、芴酮、咔唑等不同功能基元的联苯[n]芳烃大环。还可以利用共聚合成策略，一锅法合成杂交大环，也就是在同一大环上引入两种不同功能基元，实现大环的功能集成。此部分还介绍了超大环的合成，通过使用长且刚性的单体，能够得到不易扭曲的超大空腔大环，其中四联苯[6]芳烃的空腔尺寸达到了3.4 nm，进一步增加苯环单元数，作者已经得到了尺寸在5 nm左右的联苯[n]芳烃。如图3，通过扩展维度，此方法还可高效构筑有机分子笼，对于同一三角形单体，使用多聚甲醛和异丁醛能够分别选择性地生成盒状的[4]笼（46%）和三棱柱状的[2]笼（52%），实现了共价有机分子笼的高效合成。

图2. 联苯[n]芳烃的模块化合成

（来源：Acc. Chem. Res.）

图3. 一锅法合成笼状分子

（来源：Acc. Chem. Res.）

文章的第二部分总结了联苯[n]芳烃的主客体识别性质。由于联苯[n]芳烃易于合成及衍生化修饰，可以方便地得到含有烷氧基、羟基和阴/阳离子水溶性联苯[n]芳烃等大环衍生物，实现在不同溶剂中对阳离子、阴离子、中性缺电子分子等客体的选择性络合。对于大尺寸客体，比如多肽药物，水溶性超大联苯[n]芳烃能够实现对其整体包结，而传统大环仅能络合多肽的特定氨基酸残基。如图4，四联苯[4]芳烃对抗菌肽培西加南（PXG, GIGKF LKKAK KFGKA FVKIL KK-NH₂）的键合常数达到2.46 × 10⁵ M^-1，主客体包结显著抑制了PXG的溶血毒性、提高了其代谢稳定性，并且不影响其抗菌活性。该典型实例证明联苯[n]芳烃在多肽/蛋白等生物大分子的功能调控和性能提升方面的具有潜在应用价值。

图4. 水溶性四联苯[4]芳烃包结抗菌肽培西加南

（来源：Acc. Chem. Res.）

文章的第三部分介绍了联苯[n]芳烃功能大环的组装及应用。通过定制骨架功能基元和组装驱动力，联苯[n]芳烃在大环功能材料构筑方面显示出丰富且独特的性能。引入联苯基π···π作用基元，三、四联苯[n]芳烃能够自发组装成大环有机凝胶，而且随着大环尺寸的增加，其组装能力也显著增强。引入芴酮氢键作用基元，所得到的三元环晶体能够在甲苯和苯甲醇的刺激下发生芴酮单元的可逆旋转，实现晶体荧光在红色和黄色之间的转换，大的空腔尺寸以及客体分子键合引起的诱导契合结构改变确保了旋转的可逆及可调控性。联苯[n]芳烃在吸附分离方面还表现出优良的性质，联苯[3]芳烃晶体能够高效分离顺反二氯乙烯，单次吸附就能得到96.4%的高纯度顺式二氯乙烯。不止是大环分子，笼状分子独特的多空腔及刚性结构使得其能够作为气相色谱固定相，用于分离苯/环己烷和甲苯/甲基环己烷等具有重要工业价值的化工产品。这些实例都表明具有大尺寸空腔和功能骨架的拓展联苯[n]芳烃在晶体材料的构筑及新颖功能开发上具有独特优势和巨大潜力。最后该综述讨论了联苯[n]芳烃未来的发展方向，比如对连接模块的探索、定制化合成分子笼、巨型主体对大尺寸客体的包结络合以及骨架功能应用的进一步探索等。 天津师范大学青年教师张治元博士为该论文的第一作者，李春举教授为通讯作者。相关研究得到国家自然科学基金、天津市自然科学基金和天津师范大学科研启动基金等基金项目的资助。

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