分子張力工程（Molecular-Strain Engineering, MSE）—利用幾何尺寸不兼容所導致的結構受迫形變在分子內部施加張力，從而使分子本身產生精確可調的應變構型；這些應變構型有望在調控分子自身物理化學性質和超分子組裝行為、操控化學反應進程和選擇性等方面表現出異于非應變構型的獨特性能。分子張力工程解決的關鍵科學問題是探究張力對分子行為與性質的調控規(guī)律與機制。西湖大學劉志常團隊自成立以來一直致力于分子張力工程領域研究。目前已經在分子張力工程領域做了一系列的工作，包括：（1）張力調控的雙壁四面體的組裝（Chem 2021, 7, 2160–2174.）、（2）利用張力調控手段選擇性捕獲phlorin中間體（CCS Chem. 2022, DOI: 10.31635/ccschem.022.202101679）和porpodimethene中間體（Mater. Today Chem. 2022, 24, 100868），以及（3）合成具有張力的薁單元的稠環(huán)芳烴以利用張力調控分子的立體電子結構（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202205658）。近日，劉志常團隊在分子張力工程基礎上，利用其獨創(chuàng)的嵌套反螺旋策略一鍋自組裝高效構建了具有不同張力的拓撲分子三葉結，并實現了手性自分類現象，同時也實現了分子內的拓撲機械張力調控的熱誘導自旋交叉轉變現象。此策略為合成其他復雜的分子拓撲結構開辟了新道路，也為更深一步的探索分子拓撲結廣泛的性質及應用奠定了基礎。這一成果近期發(fā)表在Nature出版集團旗下的國際著名學術期刊《自然?合成》（Nature Synthesis 2022, DOI: 10.1038/s44160-022-00173-7），西湖大學為唯一通訊單位，劉志常教授為通訊作者，第一作者是西湖大學化學系第一期博士研究生吳林。在過去的40多年里，化學家們致力于復雜拓撲分子結的合成及其潛在的應用研究。自1989 年 Sauvage 等人利用線性雙核金屬螺旋合成三葉結以來，大量合成方法比如金屬模板亞組分自組裝、螺硅烷模板、非共價模板作用以及疏水效應等已被用來合成分子結。目前合成分子三葉結比較成熟的方法主要有Sauvage開發(fā)的線性雙螺旋策略和Leigh發(fā)展的圓形螺旋策略。本文中作者另辟蹊徑，開發(fā)了一種新穎的基于多股（>2）線性螺旋的嵌套反螺旋策略來構建通常的環(huán)結分子。該策略如下：沿C3對稱軸拉長環(huán)面右手螺旋(Δ)三葉結會形成管狀右手螺旋三葉結（如圖1），外層則用更大的左手螺旋手性(Λ)同軸嵌套連接起來。同理，環(huán)面 Δ-Solomon link可以由雙嵌套Δ?Λ-四重螺旋管連接實現。因此，這種基于嵌套反螺旋的普適性策略可以利用連接體在內核和外核之間通過適當的同軸嵌套一步實現，或者通過預組織先形成內核多股螺旋，然后使用相反螺旋手性的連接體將每條鏈的外側頂端與另一條不相鄰鏈的底端連接起來即可?？紤]到金屬模板已被證實在合成多鏈螺旋中的通用性，因此，金屬模板多股螺旋可以作為構建模塊有效地實現該策略。本文中作者介紹的“嵌套反螺旋”方法中，僅通過兩個金屬模板離子即可構建多股金屬螺旋。
通過精心設計，作者將3當量的3,3'-聯吡啶-6,6'-二甲醛（化合物1）與3當量具有不同烷基鏈長度（C3,C4,C6）的聯苯二胺（2a,2b,2c）在3當量Fe(OTf)2模板的誘導下利用動態(tài)共價化學于乙腈中反應24小時即可以分別得到TK3（深藍色）、TK4（深紅色）、TK6（橘紅色）。為了進一步驗證該策略的通用性，作者又利用對亞苯基間隔的二吡啶二甲醛（化合物11）與具有C7烷基鏈的聯苯二胺（2d）反應，同樣以高產率得到TK7（如圖2），它也是迄今為止合成的最長的三葉結（111個原子長度構成的長約11 nm的閉環(huán)結構）。
圖2.合成具有不同長度碳鏈的三葉結及還原去金屬化的三葉結TK4D通過將異丙醚緩慢擴散至TK3、TK4和TK6的乙腈溶液和TK7的硝基甲烷溶液中，作者獲得了TK3、TK4、TK6和TK7的晶體結構（如圖3a）。這四種晶體結構呈現出D3對稱的拉伸紡錘狀三葉結拓撲結構與起初設計思路相吻合。TK3、TK4、TK7的晶胞單元中存在一對拓撲手性相反的對映異構體。于是，作者利用手性HPLC成功將TK4的對映異構體拆分開，并用CD光譜證明其光學純度（如圖3c）。作者進一步發(fā)現，TK6發(fā)生了手性自分類現象（如圖3b）。于是，借助單晶X-射線衍射技術成功將TK6的兩種光學純的單晶進行了手動分離，其光學純度用CD光譜得以證明（如圖3c），進而證明TK6的絕對構型分別為Δ-(?)-TK6和Λ-(+)-TK6。
圖3. (a) 不同三葉結的晶體結構；(b) TK6的手性自分類；(c) TK4手性拆分的CD光譜和TK6的手性自分類CD光譜然后，作者將TK4進行還原脫金屬化后經過分離提純，以75%的產率得到純有機的三葉結TK4D。通過高分辨質譜和1H NMR以及單晶結構確認其拓撲分子結構（如圖4），TK4D通過分子內六重氫鍵以及三重[p???p]相互作用很好地穩(wěn)定了該結構。
作者通過變溫核磁實驗發(fā)現: TK3和TK4隨著溫度升高，亞胺質子向低場移動，而TK6的亞胺質子則向低場位移（如圖5a），初步說明TK3和TK4二價鐵中心發(fā)生了熱誘導的低自旋到高自旋的交叉轉變現象（SCO）。同時，通過肉眼觀察到TK3、TK4和TK6的溶液在室溫下呈不同顏色，代表了他們不同的自旋態(tài)（如圖5b）。作者通過進一步測量三種具有不同張力的三葉結的變溫磁化率得知，張力較大的TK3和TK4隨著溫度的升高，高自旋的比例逐漸增加，張力較小的TK6在溫度測量范圍內始終處于高自旋狀態(tài)（如圖5c）。最后，測量TK3、TK4和TK6的變溫單晶中Fe?N鍵鍵長及八面體畸變角的變化進一步佐證了張力可調控的自旋交叉轉變現象（如圖5d）。這是利用機械張力調控拓撲分子結的自旋交叉轉變現象的首個例子。
圖5.(a)變溫核磁；(b)晶體溶液的顏色；(c)變溫磁化率曲線；(d)變溫單晶的鍵長和鍵角參數變化以上研究表明研究者設計的嵌套反螺旋策略可高效構建具有不同張力的拓撲分子三葉結并實現了手性自分類現象，同時也實現了分子內的拓撲機械張力調控的熱誘導自旋交叉轉變現象。此策略為合成其他復雜的分子拓撲結構提供了新思路，也為更深一步的探索分子拓撲結更廣泛的性質及應用奠定了基礎。
這一成果近期發(fā)表在Nature出版集團旗下的國際著名學術期刊《自然?合成》（Nature Synthesis 2022, DOI: 10.1038/s44160-022-00173-7），西湖大學為唯一通訊單位，劉志常教授為通訊作者，第一作者是西湖大學化學系第一期博士研究生吳林。該工作得到了國家自然科學基金（22171232、21971211）浙江省自然科學基金（2022XHSJJ007）和浙江省錢江人才計劃（QJD1902029）的支持。
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