导语

轮烷是由环形分子穿过大位阻封端线形分子形成的具有简单拓扑结构的机械互锁分子，为机械键与分子机器研究提供重要的研究平台。从早期低产率的统计学合成策略开始，随着合成方法的创新，轮烷的合成取得巨大进展。目前以环形和线形组分间的非共价相互作用为模板是高效构筑轮烷的主要方法，而对于组分中不存在相互识别官能团的轮烷（又被称作“不可能”轮烷，improbable rotaxanes）， 合成是相当困难的。其中共轭骨架的环形和线形组分组成的“不可能”轮烷，由于在构建机械互锁的基础上还需克服较大的分子张力，在合成上更具挑战性。因此尽管刚性共轭结构赋予了互锁分子独特的光物理和超分子性质，但迄今为止只有英国Anderson课题组（Angew. Chem. Int. Ed.2022, 61, e202116897）及美国Jasti课题组（Nat. Chem.2023, 15, 170）通过活性金属模板策略合成了可分离稳定的共轭骨架轮烷分子。

为了进一步拓展共轭骨架的“不可能”轮烷，此前尚未被合成化学家攻克的全苯轮烷成为下一个目标。考虑到目前大多数轮烷的合成方法不可避免在分子骨架中引入杂原子，全苯骨架的轮烷合成需要模板在形成机械键后能实现无痕移除。

前沿科研成果

模块化定制合成全苯骨架轮烷

近日，中国科学院理化所超分子光化学研究中心丛欢研究员课题组报道了首例全苯骨架 [2]-和 [3]轮烷的模块化合成工作。轮烷模块化精准定制的合成策略以偶氮基团连接的预轮烷azo-PR作为核心模块，通过封端基团与连接单元合理设计与连接。结合偶氮模板的在分离纯化，反应耐受性上的优势，以偶氮模板无痕移除构建机械键的方式实现全苯骨架轮烷分子的构筑。相关研究成果发表在Angew Chem（DOI: 10.1002/anie.202401838）。

图1. 全苯骨架轮烷合成设计（来源：Angewandte Chemie International Edition）

全苯骨架轮烷通用性的模块化合成策略需要设计合成一个可分离且具有反应连接位点的轮烷前体。在预设的预轮烷结构中应包含不对称取代的偶氮苯片段作为模板来连接环与轴两组分。选择间环对苯撑分子作为环形组分，是由于分子张力使得间位苯环中心位置朝向大环空腔内部，为偶氮基团提供合适连接位点并导向线形组分形成穿环构象结构。此外二溴取代间三联苯作为轴组分的部分结构，在预留反应连接位点的同时，提供足够的空间位阻防止轴组分从环形组分中脱出。基于上述设计思路，预轮烷azo-PR的合成从二溴二氯取代的偶氮苯出发，经过Suzuki偶联，还原芳构化得到含有m[8]CPP组分的化合物7。与预期设计一致，由于m[8]CPP共轭刚性大环的屏蔽作用使得7红色标记的氢的化学位移明显向高场移动，表明偶氮基团及其连接的苯环处于m[8]CPP空腔内部。为了进一步锁定预轮烷互穿构象，通过硼化与偶联两步反应将间二氯取代苯拓展到二溴取代间三联苯以克级规模得到理想的核心模块预轮烷azo-PR，红色标记的氢的化学位移向更高场的位置表明拓展苯环后依旧保持了预轮烷互穿的结构特征，为后续轮烷合成提供了重要的互锁构型保证与合成支撑。

图2. 核心模块合成子azo-PR合成路线（来源：Angewandte Chemie International Edition）

在合成azo-PR后，通过不同封端基团的连接可以模块化定制合成不同全苯骨架[2]轮烷分子。首先选择分支形的叔丁基取代间三联苯衍生物8作为封端基团，与azo-PR偶联反应得到偶氮基团连接的轮烷前体9，并通过X射线单晶结构确定共价键连互锁结构的准确性。后续通过偶氮模板还原切断条件的优化，最终以LiAlH4作为合适的还原剂实现偶氮模板的精准切断，后续通过重氮化脱氨反应实现模板无痕移除，以三步反应成功构筑全苯骨架轮烷分子1。此外以溴代[10]CPP芳构化前体大环12作为环形封端，通过偶联、还原芳构化、偶氮模板切断与移除成功构筑了全苯基轮烷分子2。

图3. 全苯骨架[2]轮烷1和2合成路线（来源：Angewandte Chemie International Edition）

后续通过一维和二维核磁共振、高分辨率质谱和光物理性质对两种[2]轮烷的机械互锁结构进行表征。为了更好地表征轮烷1的互锁特征，合成了axle-1和m[8]CPP。通过比较axle-1、1、m[8]CPP的相关位置的1H NMR信号，axle-1的中心部分和m[8]CPP中指向环内部的氢在轮烷1中化学位移明显向高场方向移动。这表明轮烷1中轴和轮组分之间的相互屏蔽效应，验证了1的互锁共轭结构。ROESY空间相关谱，DOSY扩散序列谱都进一步表明轮烷1的机械互锁结构特征。此外在互锁结构状态下环与轴组分间存在FRET光物理性质也提供了轮烷1机械键存在的有力证据。

图3. 全苯骨架[2]轮烷1机械互锁结构表征（来源：Angewandte Chemie International Edition）

为进一步拓展核心合成子azo-PR合成目标的多样性，以azo-PR为侧臂选择合适的连接单元可以构筑环组分更多全苯骨架轮烷。以联苯单元作为连接模块，通过逐级构筑合成含两个偶氮模板介导的[3]轮烷前体分子。后续同时切断及移除两个偶氮模板成功合成全苯骨架[3]轮烷。轮烷3的成功构筑展示了模块化策略的有效性，也为更复杂拓扑的互锁共轭分子提供了重要的合成方法。

图4. 全苯骨架[3]轮烷3合成路线（来源：Angewandte Chemie International Edition）

由于分子骨架中缺少相互作用位点，在”不可能”轮烷分子中实现环与轴相对运动的控制是具有挑战性的。而轮烷1在偶氮模板切断后提供了两种不同空间位阻的氨基，利用立体化学环境的差异，以Fmoc-Cl试剂作为反应试剂，成功实现区域选择性，精准地在轮烷10的轴组分上修饰大位阻Fmoc基团，驱动中心环发生相对运动。通过比较10和18的核磁氢谱，轮烷构象的变化使得18的轴组分产生不对称化学环境的质子信号。

图5. 化学反应驱动m[8]CPP中心环相对运动（来源：Angewandte Chemie International Edition）

该工作设计合成了可分离偶氮连接的预轮烷azo-PR，以azo-PR作为核心模板构筑了全苯骨架[2]-和[3]轮烷，不仅丰富了全苯互锁结构的超分子拓扑结构，而且展示了偶氮无痕模板在构筑机械键的实用性。全苯轮烷的合成及相关可控运动性质有望为未来分子开关和纳米机器的设计和合成提供新的思路。相关工作发表在Angewandte Chemie International Edition（DOI: 10.1002/anie.202401838）上。论文的第一作者是理化所博士生卜岸，通讯作者是丛欢研究员。

教授简介

丛欢，中国科学院理化技术研究所研究员。2002年至2015年曾先后于北京大学、美国波士顿大学、麻省理工学院、加州理工学院求学或进行博士后工作，分别师从席振峰院士、John A. Porco教授、Gregory C. Fu教授。2015年入职理化所超分子光化学研究中心，从事大环化学与光化学合成研究。2015年入选国家青年人才项目；2019年获基金委“优秀青年科学基金”资助。

邀稿

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