前言与背景
索烃是由两个或多个环机械互锁形成的独特分子结构，类似于锁链，在不打断环内共价键的前提下，无法将两个环分开。此时环之间通过其拓扑结构连接在一起，这种连接方式被称为机械键，相对共价键来说是一种非常新颖的连接分子片段的方式。
分子的手性是指特定结构的分子与其镜像无法重合的属性，这种属性对分子的性质和功能有显著影响，是生物、化学和材料研究的重要基础。构建手性分子的经典策略是通过在分子中引入共价手性元素，如手性中心、手性轴、手性面等。相较于共价手性元素，机械键本身同样能够产生分子手性，即机械手性。机械手性可以在没有任何共价手性元素的参与下产生，为手性研究提供了广阔的前景，但如何引入并实现机械手性的精准调控依然极具挑战。
研究内容
在这项研究中，研究团队展示了两种具有特定对称特征的非手性环可以通过“等电去对称化策略”产生具有机械手性的索烃。这使得索烃能够采用类似于其非手性母体索烃分子的紧凑构象。当以这种紧凑形式互锁时，环分子失去其自身的对称性，并形成无法与其镜像重叠的结构，从而产生明确且动态的机械手性（具体分析见下文）。
图1.将非手性烃类转化为手性结构策略的图示表达
研究团队设计了一种新型索烃分子（BPHC4+），由两个非手性的环（BPBox2+）通过机械互锁形成。BPBox2+环通过替换原有环（CBPQT4+）中的双阳离子双吡啶单元为单阳离子苯基-吡啶单元，降低了分子对称性（从D2h降至C2v），从而失去一个对称平面（xOz）。这种等结构去对称化策略使得两个BPBox2+环在互锁后形成紧凑的构象，失去所有对称平面，仅保留一个C2对称轴，从而产生手性（图1b）。相比之下，基于CBPQT4+的母体索烃分子（HC8+）因保留两个对称平面而保持非手性（图1a）。
BPHC4+的机械手性源于其紧凑构象中两个环的特定相对取向，从而产生一对对映异构体（Rco-mp和Sco-mp）。图2a的变温NMR实验显示，两个环之间的“旋转”运动（pirouetting，图2b）导致对映异构体之间的互变，即外消旋化。具体而言，质子信号H-1/1’和H-16/16’在低温时分化为两组，反映了对映异构体的不同化学环境；随着温度升高，旋转运动加速，信号合并，表明对映异构体快速互变，产生外消旋化（图2）。通过对NMR谱峰形状的拟合（图2a右侧），研究团队获得了不同温度下的互变速率常数（k），并利用Eyring方程（图2c）拟合得到外消旋化的吉布斯自由能垒（ΔG）为16.4 kcal mol–1。这一能垒表明BPHC4+在室温下表现出双稳态的构象分布，手性状态可在一定条件下保持，并可实现对映异构体的相互转换能力，从而实现机械手性的调控。这种动态行为是可调控的唯构象依赖机械手性的核心特征。
图2.索烃分子的动态构象
手性诱导实验（图3）进一步展示了BPHC4+手性的可调性。在外消旋状态下，BPHC4+无光学活性。加入手性二磺酸盐（如(R)-BINSA或(R)-SPISA）后，圆二色谱（CD）信号出现，表明诱导手性的产生。例如，添加(R)-BINSA后，CD信号在332 nm和354 nm处分别显示负和正Cotton效应，饱和非对映异构体过量（d.e.）达18%（图3c）。与(R)-SPISA的实验显示11%的d.e.（图3e）。1H NMR（图3g）确认了两种非对映异构体（(Sco-mp)-BPHC-(R)-BINSA和(Rco-mp)-BPHC-(R)-BINSA）的形成。固态中，BPHC4+与(R)-BINSA共结晶仅生成单一非对映异构体（(Rco-mp)-BPHC-(R)-BINSA，图3h），归因于范德瓦尔斯和静电相互作用（图3i,j）。同时研究团队也发现，索烃分子相较于其环状拓扑异构体具有显著增强的细胞穿透能力，表明分子拓扑效应在应用方面具有广阔的前景。
图3.索烃分子的手性诱导
总结
这项研究通过等结构去对称化策略，成功设计并合成了具有机械手性的紧凑型索烃分子，利用非手性环分子形成互锁结构，产生了唯构象依赖的手性，并通过手性二磺酸盐实现手性诱导和调控。动态NMR和光物理研究揭示了其构象动态和独特的光学性质，而固态共晶策略能够实现单一非对映异构体的选择性结晶。这项工作不仅深化了对机械手性的理解，还为设计具有动态手性调控能力的分子机器和功能材料提供了新思路。未来，基于类似策略的机械互锁分子的设计可能在纳米技术、传感和催化领域展现更广泛的应用前景。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s44160-025-00781-z
作者信息：
唐淳
π-Lab 2020届博士
毕业去向：Postdoctoral researcher 博士后
Northwestern University 西北大学
The University of Hong Kong 香港大学
Fraser Stoddart 组
研究方向：supramolecular chemistry 超分子化学
