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17.杨成教授参加第十二届超分子化学学术讨论会并做会议报告
2022年8月14-17日,受中国化学会邀请，杨成教授，伍晚花副教授参加《全国第二十届大环化学暨第十二届超分子化学学术讨论会》，并做会议报告。会上杨成教授结合课题组近年来的研究工作就《基于柱芳烃的智能手性分子机器》一题展开报告，具体内容如下。
从费曼第一次为分子机器的未来构画蓝图到第一例以金属离子为模板合成索烃，经过Sauvage和Stoddart等先驱者们在黑暗中的不断摸索，分子机器的发展已经走过了半个世纪，它的产生开启了人类在一个新的维度的创造力，并将带给未来无限可能。
大部分的人工分子机器，通常是基于轮烷、索烃等机械互锁结构，通过某种刺激以造成分子内部改变/形变，包括结构、位置以及空间的改变，从而实现形成一些机械上的功能。柱芳烃是一类结构新颖的芳香族大环化合物，具有刚性的柱状结构，是继冠醚、环糊精、杯芳烃、葫芦脲之后的第五代经典大环宿主分子，由于其特殊的化学结构以及优良的主客体化学性质受到超分子研究者的关注。它是以对苯二酚的醚为单元，通过亚甲基桥联而形成，与杯芳烃相比，它具有更加对称的分子结构。由于邻位相连的甲氧基具有不同的朝向，从而赋予了柱芳烃不同的面手性，导致了柱芳烃p-S/R对映异构体的存在，并且两种构象之间存在平衡，通过某些刺激或主客体诱导行为，即可控制/操纵两种构象之间的相互转化。
首先，我们设想使用不同大小的冠醚分子并且改变键合原子（氧原子或碳原子）以构建三种不同的柱[5]芳烃基分子万向节，MUJ1, MUJ2 和 MUJ3 。如图所示，每个 MUJ 对映异构体可以在 “ in ”和 “ out ”构象之间相互转换，从而提供in -( S p ) 、out -( R p ) 、in -( R p ) 以及out -(S p ) 四种不同的手性构象。通过核磁和高分辨质谱等手段，我们证实了MUJ的成功合成，并使用手性色谱柱对几种手性异构体进行了拆分。随后，使用手性纯的异构体进行单晶培养与解析，成功获得了该化合物的单晶结构。结合理论计算并与圆二色（CD）光谱进行了对比，我们发现，对于R构型，CD光谱在长波处显示出正的Cotton信号，而对于S构型则在长波处显示出负的Cotton信号，基于这一实验结果，我们在成功对柱芳烃的绝对构型进行了归属，并对文献中对于柱芳烃绝对构型的错误描述进行了更正。由于该分子万向节中存在两个手性结合位点，我们设想使用两个部位进行共包结，而实验结果表明，包结过程存在负协同效应，一个位点的包结会对另一个位置的包结产生抑制作用。
测试条件的选择在很大程度上影响测试结果，包括所用溶剂以及温度。事实上，在溶液中，MUJ 的 CD 光谱受到所用溶剂的严重影响。例如，在 25°C下，MUJ3 -f1在大多数溶剂中表现出负 CD信号。然而，在乙腈和二氯甲烷中CD 光谱的符号发生反转，产生正 CD 信号，并且峰位置具有明显的红移，表明其平面手性由反转为out -( R p）。这一结果可能是由于乙腈和二氯甲烷溶剂分子与 柱芳烃空腔的强络合会导致稠合的冠醚单元向外部翻转。与MUJ3 -f1相比，MUJ1 -f1 和MUJ2 -f1 都具有尺寸较小的稠环，在固态下也表现出负 CD信号。然而，其CD 光谱的溶剂依赖性却与MUJ3 -f1明显不同，整个 CD 信号反转行为表现的更为复杂，并且受到稠环及溶剂分子的大小与性质的多重影响。
此外，事实证明，MUJ 的手性也受温度动态控制。如图所示 ， 氯仿中的MUJ1 -f1 在 0 °C 时表现出负 CD信号，其强度随着温度降低而降低，最终 CD 信号发生反转以给出正 CD信号。这些结果表明在低温下手性发生了从in -( S p ) 到out - ( R p )的反转。MUJ1 -f1的冠醚环在固态或极性较小而尺寸较大的溶剂中自包含在 P[5] 空腔中。然而，由于溶剂包含在空腔中以及对从空腔中排除的稠环单元的溶剂化效应，该环在极性更大而尺寸较小溶剂中翻出空腔，这两种行为都在低温下得到促进。
一般而言，诱导分子机器发生改变，通常会使用化学刺激，包括电刺激， PH刺激或光照刺激等，有针对性的对分子机器中某一个结构产生响应；而温度作为一种普适性的刺激方式，不仅影响分子本身的热运动，对分子所处的环境（溶剂）也具有一定影响。与大部分机械互锁的分子机器不同，本工作中采用共价连接的方式设计的柱[5]芳烃基分子万向节，通过温度刺激使其结构改变并产生明显的光谱变化，从而提供了一个简洁有趣的智能分子机器模型，其翻转机理在于通过改变温度以引起不同构象熵的巨大变化，从而控制构象平衡的移动。
基于上一工作的经验，我们在柱[6]芳烃的侧链上导入了具有氧化还原变化的二茂铁， 得到了基于柱[6]芳烃的分子万向节EMUJ1，并成功拆分了其两种手性构型 EMUJ1-f1和 EMUJ1-f2，同时对单晶结构的解析证明，柱[6]芳烃与柱[5]芳烃的手性绝对构型具有一致性。
实验表明，二茂铁单元的翻进翻出可以通过氧化还原来实现，由于富电子柱[6]芳烃空腔对于缺电单元的强包结，在氧化状态下即可对二茂铁进行自包结，还原状态下又可以实现从柱[6]芳烃空腔中翻出,这一过程通过圆二色光谱得到了证明。基于这一性质，我们将客体分子固定于石英微晶天平上，通过氧化还原控制二茂铁单元的翻进翻出从而间接控制柱[6]芳烃与客体分子的包结，并且该过程可以重复数次，具有良好的循环稳定性。
上一部分内容证明，温度是对整个体系产生共同影响的因素，而能够对溶剂甚至整个内部分子产生影响的另一个重要因素就是压力。然而，此前暂无文献证明压力能够诱导分子机器的运动，因此，改变压力以控制冠醚单元的翻进翻出引起了我们的注意。实验结果表明，通过增加压力，MUJ2分子的圆二色光谱发生了逆转并不断增强，同样说明压力的改变引起了分子构象的变化。同时，我们还考察了不同溶剂中压力变化对分子万向节手性构象的影响，结果显示在乙腈溶剂中产生最大的逆转。循环实验证明，受压力调控的构象改变具有完全可逆的特征，在进行多次加压/释压循环后，圆二色信号与初始值没有明显差异。以上实验证明，in-( R p )/out-( S p )这两种构象的改变受压力和溶剂因素的双重调控，在与MUJ分子具有较低亲和力的溶剂中，增加压力后，分子倾向于向体积更小、更稳定的结构存在，从而产生自包结的构象以适应压力增强这一改变。
除上述通过改变温度、压力、氧化还原状态以调控手性逆转外，我们还考虑通过光来对手性构象进行调控。因此，我们在柱[6]芳烃的侧链上引入了能够进行光异构化的偶氮苯单元，同样拆分得到了具有不同构象的分子万向节。受紫外光照后，偶氮苯单元发生光异构导致分子体积变大，无法维持自包结构象而形成cis-MUJ1构象，而受可见光照射后，偶氮苯单元结构变小重新恢复自包结的trans-MUJ1构象，这一改变通过紫外可见光谱中吸收峰的变化以及核磁共振氢谱中特征氢质子的位移变化得到证实。同时，对于一系列MUJ分子，通过循环使用不同波长的光进行照射，同样实现了圆二色信号的正负变化，说明该光控手性分子开关具有良好的可重复性。
此外，该手性分子开关除了受光调控外，同样受温度的调控，因此我们有望构建受光和温度双重响应的分子手性开关。通过溶剂、温度与光照的正交实验证明，在不同溶剂中，该分子手性开关具有其特定的构象改变临界温度。在该温度以下，通过光照可对偶氮苯单元进行光异构化，通过改变该单元的体积大小可控制分子万向节的构象，而当温度高于该临界温度后，偶氮苯单元仅能够在空腔外发生光异构而不再翻进柱芳烃空腔而保持其S构象。这一结果证明，我们成功构建了具有过温保护功能的智能光控分子手性开关模型，为柱芳烃的应用开拓了一条新的道路，机理如图所示。
由于柱芳烃固有的面手性，在柱芳烃中存在着一对对映异构的构象，并且这两种构象之间存在消旋平衡。如果使用手性客体进行诱导，将会导致平衡发生移动，光谱行为表现出包结更强的一方的特征。
基于此，我们设计了具有不同链长同系物取代的柱芳烃衍生物，并使用不同的手性氨基酸对柱芳烃衍生物进行了手性诱导。随着某一手性客体分子的不断加入，柱芳烃的圆二色信号得到增强，而使用相反手性的客体分子进行诱导，圆二色信号产生相反趋势的变化。
然而，当在柱芳烃的其中一个单元上引入较大的基团时，柱芳烃的翻转速率将变慢。如图所示，当引入的基团是苯环时（P1），使用客体进行诱导，诱导过程很快发生并快速平衡，并在数小时内不再发生变化；而当引入较长链连接的环己基作为取代基时（P2），将发生两阶段的手性诱导，加入之初诱导出的手性信号会随着时间推移而不断向另一手性发生变化，并且6小时后不再发生改变；当进一步缩短环己基的链长后(P3），翻转过程进一步变慢，100多个小时后才能达到最终的构象平衡。
更有趣的是，使用具有中等诱导速率的柱芳烃（P2）进行手性诱导时，初始阶段随着诱导剂量的加入，圆二色信号增加速率较快，当诱导剂的计量高于柱芳烃的2倍当量后，诱导过程明显变慢。通过对包结过程的进行拟合，我们得到包结速率常数（107）与解离速率常数（102）。R构型跟S构型速率常数的这种差别，正是导致平衡的移动原因所在。
以上实验结果证明，主客体包结过程存在自抑制现象，随着诱导剂的过量加入，将导致诱导过程的持续变慢。 产生这种现象的原因在于，主体分子由包结和消旋两个平衡构成，加入的客体分子越多，未发生包结的自由可消旋的主体分子越少，此时主客体络合物已经达成初步平衡，若持续加入客体分子，需要由已包结的主客体发生解离，而形成自由的主体分子重新进行包结才能达到最终平衡。这种由络合和消旋组成的多步串联平衡对于超分子过程提供了更丰富的动力学行为和控制可能性。
除诱导过程具有自抑制外，擦除过程同样表现出自抑制的特征，对于已经达到诱导平衡的体系，加入少量相反手性的氨基酸作为擦除剂时，体系表现出快速的擦除动力学，相反，加入的擦除剂越多，擦除过程就越慢。
总而言之，我们在这项研究中发现了首例超分子体系自抑制现象，由于手性客体与主体络合过程存在多个过程相互掣肘。手性诱导导致构象异构体的对映体偏向络合，络合降低了游离宿主的浓度并减慢了外消旋过程。手性诱导剂既起驱动作用，又起抑制作用。手性诱导、擦除和反转可以通过温度、浓度和化学修饰来控制。这项工作通过操纵反应过程动力学建立了一个新的手性记忆系统，为控制超分子系统的动力学打开了一扇新的大门。
Edited by Pengyue Jin
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