分子“奥运”和分子“奥迪”

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索烃分子由于其特殊的拓扑结构和在分子机器、智能材料等诸多领域的应用,受到了学术界的广泛关注。索烃(Catenane),这个词来源于拉丁语Catena(链),是由两个或数个环型分子互相套索构成的复杂拓扑结构,以[n]Catenanes来表示,其中n表示构成索烃的环的个数。最简单的索烃结构是[2]Catenanes,即两个大环分子互锁形成的。

分子“奥运”和分子“奥迪”  第1张

图1. 线性[4]Catenanes和线性[5]Catenanes


今年适逢2020东京奥运会的举行。奥运五环的标志,从拓扑学上来说,是线性[5]Catenanes结构,即五个大环以线性的方式一一互锁相连(图1)。在分子层面,合成线性索烃[n]Catenanes(n ≥ 4)是极富有挑战性的工作。2016年诺贝尔化学奖得主J. F. Stoddart教授首次合成了线性[5]Catenanes分子,并命名为奥林匹克烷(Olympiadane)[1]这也是迄今为止唯一一例具有明确结构表征的线性[n]Catenanes(n ≥ 4)。然而,对于线性[4]Catenanes分子,也就是奥迪的标志,依然没有明确结构表征的报道。而且,由于传统有机索烃化合物在合成和纯化上的巨大挑战,其合成产率和效率依然十分有限。


不同于传统基于共价键的有机索烃化合物,基于配位自组装的有机金属索烃化合物近些年来受到了越来越多的青睐和发展。得益于可逆的配位键和热力学控制,众多复杂拓扑结构的有机金属索烃化合物可以同通过一步法以较高产率获得[2]然而,工有其利则必有其弊,热力学控制和配位自组装确实可以大大提高合成的产率和效率,但是,各种分子内的重排又阻碍了进一步设计更加复杂的索烃结构,比如线性[4]Catenanes分子。有机索烃,稳定,但是合成困难;有机金属索烃,合成简单,但易发生重排。那么,是否有兼容并蓄,取长补短,1 + 1 > 2的方法呢?


最近,复旦大学金国新点击查看介绍)课题组报道了一步法合成线性[4]Catenanes的工作,系统地阐述了如何利用有机金属构筑单元和有机大环协同作用,一步法、高产率地合成有机金属-有机复合线性[n]Catenanes (n = 2, 3, 4),相关成果在线发表于Journal of the American Chemical Society

分子“奥运”和分子“奥迪”  第2张

图2. 有机金属-有机复合线性金属[n]Catenanes (n = 2, 3, 4)的合成


富电子体(π-donor)和缺电子体(π-acceptor)之间的静电作用是构成索烃化合物的常用驱动力之一。ExBox4+是一种有机大环分子,由于其合适的尺寸和缺电子性质,是理想的π电荷受体,可以包囊各种富电子芳香化合物或官能团。利用ExBox4+缺电子体和芘官能团之间的强作用力,有机金属-有机复合[2]Catenanes和[3]Catenanes可以通过混合ExBox4+ (或ExBox24+) 缺电子体和金属[2]Catenanes高产率地获得 (图2)。在此基础上,有机金属-有机复合线性[4]Catenanes分子可以通过混合ExBox4+缺电子体和环状金属[3]Catenanes高产率地获得 (图2)。所获得的有机金属-有机复合线性[n]Catenanes (n = 2, 3, 4) 都通过核磁、质谱和单晶解析,清晰地表征了其分子结构 (图3)。

分子“奥运”和分子“奥迪”  第3张

图3. 有机金属-有机复合金属[3]Catenanes(左)和[4]Catenanes(右)的单晶结构


将有机大环引入有机金属自组装体系中,可以有效减少有机金属索烃结构的重排,这种有机金属-有机复合索烃的策略为设计更加复杂索烃结构提供了有力的支持。复旦大学金国新教授为此工作的通讯作者,鲁烨博士为此工作第一作者和共同通讯作者。

J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c06689

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