在超分子化学与材料科学领域，开发新型手性构建模块并用于构建复杂手性结构一直是研究的重点与难点。手性多孔有机笼（CPOCs）作为一类具有独特结构和性能的材料，因其在分子识别、催化、气体存储等领域展现出的潜在应用价值，吸引了众多科研人员的目光。中国科学院大学袁大强团队在该领域取得了重要进展，通过深入研究发现酚 [4] 芳烃是构筑 CPOCs 的优良大环前体，相关成果发表于《Journal of the American Chemical Society》，为超分子和材料化学领域的发展开辟了新的方向。
一、研究背景
（一）手性在超分子和材料化学中的意义
手性是自然界的基本属性之一，在生命科学、化学和材料科学等众多领域都扮演着至关重要的角色。在超分子化学中，手性超分子结构能够实现对特定对映体分子的选择性识别和结合，这对于手性药物的分离与分析、不对称催化反应等具有重要意义。在材料科学领域，手性材料因其独特的光学、电学和磁学性质，在光学传感器、手性催化剂载体、信息存储等方面展现出巨大的应用潜力。例如，手性光学材料可用于制造高性能的光学偏振器和圆二色性传感器，手性催化剂载体能够提高不对称催化反应的效率和选择性。因此，开发新型手性构建模块，构建具有特定功能和结构的手性超分子和材料，成为了推动这些领域发展的关键。
（二）杯芳烃在笼化合物合成中的应用现状
杯芳烃作为一类具有独特大环空穴结构的配体，在超分子化学领域得到了广泛的研究与应用。其具有可调节的空腔尺寸和灵活的官能团化位点，能够通过分子间作用力与各种客体分子形成稳定的超分子复合物。基于杯芳烃的分子笼研究也取得了一定的进展，通过合理设计和修饰杯芳烃的结构，能够构建出具有不同拓扑结构和功能的分子笼。然而，在杯芳烃分子笼的研究中，手性杯 [4] 芳烃分子笼的研究相对较少。这主要是由于制备对映体杯 [4] 芳烃面临诸多困难，传统方法依赖手性高效液相色谱分离，不仅过程复杂，而且产率有限，严重限制了手性杯 [4] 芳烃分子笼的发展。因此，寻找新的手性大环前体，突破手性杯 [4] 芳烃合成的瓶颈，成为了构建手性分子笼的关键挑战之一。
二、研究内容
（一）手性酚 [4] 芳烃及其衍生物的制备
袁大强团队提出了一种创新的方法来制备克级规模的手性苯酚 [4] 芳烃（PC [4] A）。团队巧妙地引入 (1S)(-)- 樟脑烷酰氯化物作为手性助剂，通过多步反应成功实现了手性 PC [4] A 的合成。在这一过程中，经过柱色谱分离，能够分别以 96% 和 92% 的高产率获得高对映体过量（＞99.9%）的 (+)-(P)-PC [4] A 和 (-)-(M)-PC [4] A。这一制备方法的成功，为后续手性分子笼的构建提供了关键的手性构建模块。
方案1：（a）杯[4]芳烃笼型化合物的拓扑结构和键合方式。（b）用于构建笼的不同类型杯[4]芳烃单元。
（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
在此基础上，袁大强团队进一步对 PC [4] A 进行修饰。通过 Duff 反应，将 PC [4] A 转化为相应的四甲酰基衍生物 (+)-(P)-PC [4] ACHO 和 (-)-(M)-PC [4] ACHO，并且其对映体过量同样超过 99.9%。这种功能化修饰为 PC [4] A 参与后续的自组装反应提供了活性位点，使得其能够与其他有机分子通过共价键连接，构建出具有特定结构的手性多孔有机笼。
图1：（a）PC[4]A对映体及其衍生物的合成方法。试剂与条件：（i）Tf2O、吡啶、CH2Cl2，0 ℃至室温;（ii）Pd2(dba)3、(±)-BINAP、NEt3、HCOOH、甲苯，回流;（iii）BBr3、CH2Cl2，0 ℃至室温;（iv）(1 S)-(-)- 樟脑烷酰氯化物、DMAP、NEt3、CH2Cl2，0 ℃至室温;（v）正己烷/乙醚（1：1）;（vi）KOH、MeOH，回流;（vii）HMT、TFA，回流。（b）(+)-(P)-PC[4]A和(-)-(M)-PC[4]A的结构。（c）(+)-(P)-PC[4]A、(-)-(M)-PC[4]A、(±)-PC[4]A（c=1.5×10-5 mol·L-1）、(-)-(P)-PC[4]ACHO和(+)-(M) -PC[4]ACHO（c=3.5×10-5 mol·L-1）在CH2Cl2中的圆二色谱。
（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
（二）手性多孔有机笼的构建与结构表征
利用合成得到的 (+)-(P)-PC [4] ACHO 和 (-)-(M)-PC [4] ACHO，袁大强团队分别与双（4 - 氨基苯基）苯胺（BAP）和三（4 - 氨基苯基）胺（TAP）进行自组装反应，成功构建出了 [2+4] 灯笼形和 [6+8] 截顶八面体的 CPOCs。这一过程中，通过巧妙设计反应物的比例和反应条件，实现了对 CPOCs 拓扑结构的精准控制。
SCXRD分析表明，CPOC-P1和CPOC-M1均以相同的手性正交晶系P212121空间群结晶。虽然其表现出相似的结构特征，但关键区别在于PC[4]A节点（图2b，c）。在CPOC-P1的不对称单元中，[2+4]灯笼状有机笼通过Schiff碱反应构建（图2a）。该笼由作为节点的两个(+)-(P)-PC[4]ACHO单元和作为臂的四个BAP连接体形成。使用VOIDOO计算的结构的空隙体积约为690 Å3，空隙高度达到1.9 nm。菱形窗口的长度约为1.1 nm，足以容纳直径约为0.6 nm的气体分子。
图2：（a）[2+4]加成获得灯笼状CPOC的示意图。SCXRD测量获得的（b）CPOC-P1和（c）CPOC-M1的结构图。
（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
CPOC-P2和CPOC-M2的单晶结构为八面体[6+8]拓扑结构（图3a）。其中，六个手性PC[4]ACHO大环单元充当节点，与八个TAP单元互连，充当平面（图3c、d）。CPOC-P2是一个截顶八面体空腔，容积高达5300 Å3，有12个菱形窗口。每个窗口的边长约为1.1 nm，孔径约为0.65 nm（图3b），略大于CPOC-P1的孔径。CPOC-P2中八面体空腔的高度约为3.1 nm（图3d），这超过了大多数报道的手性有机笼。
图3：（a）[6+8]加成获得八面体CPOC的示意图。（b）[6+8]八面体CPOC中的菱形窗口。SCXRD测量获得的（c）CPOC-P2和（d）CPOC-M2的结构图。
（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
为了深入了解 CPOCs 的结构，袁大强团队运用了多种先进的表征手段。单晶 X 射线衍射（SCXRD）分析为确定 CPOCs 的晶体结构提供了直接而准确的信息。例如，CPOC-P1 和 CPOC-M1 呈现出 [2+4] 灯笼状结构，CPOC-P2 和 CPOC-M2 则具有八面体 [6+8] 拓扑结构。通过对晶体结构的解析，团队还能够精确测定 CPOCs 的空隙体积、窗口尺寸等重要结构参数。同时，运用 NMR、傅里叶变换红外（FT-IR）光谱和 MALDI-TOF MS 对去溶剂化 CPOC 进行表征，证实了其在固体和溶液状态下的稳定性。此外，通过 N₂吸附测量证实了 CPOCs 的多孔性质，BET 比表面积测试结果显示不同 CPOCs 具有差异，且孔径分布较宽，这表明这些 CPOCs 具有丰富的孔道结构，为其在分子吸附和分离等领域的应用奠定了基础。
图4：（a）CPOC-P1和CPOC-M1，以及（b）CPOC-P2和CPOC-M2在CDCl3中的1H NMR光谱。（c）基于PC[4]A的CPOC的MALDI-TOF质谱。（d）基于PC[4] A的CPOC在77 K下的N2气体吸附等温线。（e）CPOC-P1和CPOC-M1在CH2Cl2（c=2.0×10-6 mol·L-1）中的圆二色谱，（f）CPOC-P2和CPOC-M2在CH2Cl2（c=1.5×10-6 mol·L-1）中的圆二色谱。
（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
（三）手性光学性质与手性识别性能研究
手性光学性质是手性材料的重要特征之一。袁大强团队通过 UV-Vis 吸收和 CD 光谱检测了笼的手性光学性质，结果表明 CPOCs 从 PC [4] ACHO 获得了手性，并且手性能够从 PC [4] ACHO 单元有效转移到组装的笼状结构中。这一发现不仅证实了手性构建模块在构建手性超分子结构中的有效性，也为进一步研究 CPOCs 的手性传递机制提供了实验依据。
图5：（a）手性氨基酸的化学结构。（b）CPOC-P1和CPOC-M1以及（c）使用D-苯丙氨酸和L-苯丙氨酸滴定CPOC-P2和CPOC-M2的Benesi−Hildebrand图。（d）手性氨基酸CPOC-P1和CPOC-P2的EF值。CPOC在THF（2 mL）中的浓度为1.0×10-5 M，客体在THF中的浓度为1.0×10-2 M。
（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
在实际应用方面，袁大强团队重点研究了 CPOCs 对手性氨基酸的手性传感能力。利用荧光光谱实验，团队发现 CPOCs 能够通过氢键和 C-Hπ 相互作用与氨基酸客体结合，并且对氨基酸对映体具有选择性识别能力。不同构型的 CPOC 对不同构型的氨基酸底物表现出偏好，这使得 CPOCs 成为识别对映体纯氨基酸的有前途的探针。这种手性识别性能在生物分析、药物筛选等领域具有潜在的应用价值，例如可以用于快速、准确地检测生物样品中的手性氨基酸含量和对映体纯度。
三、研究亮点与成果意义
（一）研究亮点
袁大强团队的研究成果首次发现酚 [4] 芳烃作为构建 CPOCs 的优良大环前体，为手性分子笼的构建提供了全新的策略。与传统的手性大环前体相比，酚 [4] 芳烃具有易于合成、手性纯度高且可修饰性强等优点。通过引入手性助剂和合理的反应设计，实现了克级规模的手性 PC [4] A 及其衍生物的制备，解决了手性大环前体合成困难的问题。
成功构建了具有不同拓扑结构的 CPOCs，包括 [2+4] 灯笼形和 [6+8] 截顶八面体结构。通过精确控制反应条件和反应物比例，实现了对 CPOCs 结构的精准调控，展示了团队在超分子自组装领域的高超技术水平。这些具有独特结构的 CPOCs 不仅丰富了手性多孔材料的种类，也为研究结构与性能之间的关系提供了新的模型。
（二）成果意义
从理论层面来看，该研究深入揭示了手性大环前体在超分子自组装过程中的手性传递机制和结构调控规律。通过对 CPOCs 的结构表征和性能研究，为理解手性超分子结构的形成和功能实现提供了重要的理论依据，推动了超分子化学和材料科学领域的理论发展。
在实际应用方面，所制备的 CPOCs 在手性传感领域展现出了巨大的潜力。其对氨基酸对映体的选择性识别能力，可应用于生物样品分析、手性药物分离与检测等领域，有望开发出新型的手性传感器和分析方法。此外，CPOCs 的多孔性质和稳定性也为其在气体存储、催化等领域的应用提供了可能，例如可以作为高效的气体吸附剂或手性催化剂载体，为相关领域的技术创新提供了新的材料基础。
袁大强团队关于酚 [4] 芳烃用于构筑手性多孔有机笼的研究成果，在超分子化学和材料科学领域具有重要的科学价值和实际应用意义。这一研究不仅突破了手性分子笼构建的技术瓶颈，还为手性材料的设计与应用开辟了新的途径。相信在未来的研究中，基于这一成果的进一步探索将不断推动相关领域的发展，为解决更多的科学问题和实际应用需求提供有力的支持。
四、文献信息
文献标题：Phenol[4]arenes: Excellent Macrocyclic Precursors for Constructing Chiral Porous Organic Cages
作者：Fenglei Qiu, Xinting Zhang, Wenjing Wang, Kongzhao Su, Daqiang Yuan
发表期刊：Journal of the American Chemical Society
DOI：10.1021/jacs.4c16508
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.4c16508
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