近日，我校化学与化工学院晶态多孔框架材料创新团队单威龙副教授在国际权威期刊《Angewandte Chemie International Edition》上发表机械互锁配位超分子设计合成最新研究进展。《Angewandte Chemie International Edition》是全球化学研究领域最具影响力的学术期刊之一，主要收录在化学、材料和能源等领域原创性的学术研究成果。我校为论文第一完成单位，单威龙副教授为第一作者和通讯作者，复旦大学金国新教授为共同通讯作者。上述研究成果得到了国家自然科学基金和安徽省自然科学基金等项目的支持。

蛋白质和DNA分子中存在的机械互锁分子（MIMs）不仅是自然界的艺术创造，而且在基因的复制和转录过程中同样发挥着重要的生物学作用。这种互锁分子的内在复杂性和功能性激发了化学家利用合成化学的方法创造此类结构的浓厚兴趣。目前，一些具有复杂拓扑结构的MIM分子如索烃、轮烷、互锁笼和分子结等已经成功地通过金属离子模板、阴离子模板、π-π堆叠作用和疏溶剂效应等合成策略制备得到。但是，对于闭合分子链超分子的高效制备仍然是非常困难的。直到2018年，Komiyama等才通过三阶段合成策略合成了首例闭合三环链分子。而对于闭合四环链等更高阶的分子链拓扑结构的合成还存在着巨大的挑战。源于这种复杂的拓扑结构中，四个互锁且首尾相连大环的存在大大提高了结构的复杂性，并对其合成过程中提出了特殊的困难。

为了解决这一合成难题。近日，单威龙副教授在前期研究工作的基础上（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202402198. 高被引论文）与金国新教授课题组合作提出了一种基于配位驱动和芳香堆积作用协同组装的合成新策略。通过双齿有机连接配体的巧妙设计和双核有机金属构筑单元的合理选择，利用该合成策略成功实现了一步法高效制备系列具有复杂拓扑结构的有机金属闭合四环链和Borromean环超分子化合物。

有机金属闭合四环链和Borromean环超分子化合物的设计合成示意图

X-射线单晶衍射分析结果明确的表征了有机金属化合物的分子结构，其呈现出前所未有的闭合四环链拓扑结构。四个相互穿插但不连接的有机金属单环首尾相连形成了一个环状的4-索烃结构，并具有8个交叉点。并且如果其中任意一个单环被破坏，其余三个单环仍保持互锁状态，根据Rolfsen命名规则可将其命名84 1 型。此外，结合独立梯度模型（IGM）分析结果表明此类具有复杂拓扑结构的闭合四环链分子的稳定性源于其分子内丰富的芳香堆积和氢键的协同作用。

闭合四环链超分子的单晶结构和IGM分析图

进一步研究发现有机配体可以根据吡啶基团的不同取代位置选择性地与相同的双核构筑单元结合，从而实现分子Borromean环的形成。同时，我们系统研究了配体的结构和金属离子的种类对有机金属超分子拓扑结构的影响。本项研究不仅展示了一种制备高阶闭合分子链的简单高效合成策略，而且为未来拓扑复杂的高阶机械互锁超分子（MIMs）的设计合成提供了新的视角。

论文信息：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202501965

（撰稿：单威龙 审核：韩新亚)