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較高的原子的經(jīng)濟(jì)性是有機(jī)化學(xué)合成的終極目標(biāo)之一。對(duì)于合成過(guò)程中需引發(fā)多根共價(jià)鍵（如N>10）的分子來(lái)說(shuō)，采用分步合成法，步驟繁瑣，效率低下。而在可逆合成反應(yīng)中，體系能夠發(fā)生“自糾錯(cuò)”，一旦目標(biāo)產(chǎn)物代表體系的熱力學(xué)最穩(wěn)態(tài)，就可以通過(guò)多組分“一鍋法”合成。倘若目標(biāo)產(chǎn)物的吉布斯自由能足夠低，甚至可以極高甚至定量的產(chǎn)率得到，從而避免繁瑣的多步合成以及副產(chǎn)物的分離純化過(guò)程，最終實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性。

基于上述原理，浙江大學(xué)李昊、黃飛鶴和王林軍課題組展開(kāi)合作，完成了一系列三維籠狀分子的設(shè)計(jì)和一鍋法高效合成。通過(guò)在分子內(nèi)引入氫鍵對(duì)自組裝原料的構(gòu)象進(jìn)行預(yù)組織，使得原料的構(gòu)象接近產(chǎn)物構(gòu)象以降低自組裝熵的損失，從而提高產(chǎn)物的熱力學(xué)穩(wěn)定性，使之成為唯一產(chǎn)物。同時(shí)通過(guò)取代基產(chǎn)生的氫鍵模式不同，進(jìn)而精準(zhǔn)調(diào)控產(chǎn)物結(jié)構(gòu)。

首先，作者將前體1與(S,S)-CHDA（環(huán)己烷二胺）在CDCl₃中以1:2的比例縮合，體系選擇性地獲得了[3+6]共價(jià)籠，即由3個(gè)當(dāng)量的1和6個(gè)當(dāng)量的(S,S)-CHDA組成。產(chǎn)物的選擇性來(lái)源于分子內(nèi)氫鍵的驅(qū)動(dòng)力：空間位阻的存在使得亞胺質(zhì)子盡可能的與環(huán)己烷橋頭的質(zhì)子成順式構(gòu)象，而(S,S)-CHDA的兩個(gè)橋頭質(zhì)子為反式構(gòu)象，這就要求同一個(gè)環(huán)己烷二胺連接的兩個(gè)亞胺質(zhì)子為反式構(gòu)象。而前體1中含有一個(gè)羥基，后者的氧原子和質(zhì)子分別與兩邊的亞胺質(zhì)子和亞胺氮原子形成氫鍵，使得同一個(gè)苯環(huán)上的兩個(gè)亞胺鍵成endo-exo（內(nèi)-外）構(gòu)象，這一構(gòu)象剛好可以使同一環(huán)己烷相連的亞胺質(zhì)子處于反式，這種情況下的[3+6]共價(jià)籠是最穩(wěn)定的。

對(duì)于前體2而言，情況則完全不同。前體2含有丁氧基側(cè)鏈—后者不具有酸性質(zhì)子。因此在2的殘基苯環(huán)上，兩個(gè)亞胺分別和丁氧基氧原子形成氫鍵，構(gòu)象只能是exo-exo，這種更加對(duì)稱(chēng)的構(gòu)象使得前體2只能與外消旋的反式環(huán)己烷二胺形成內(nèi)消旋的[2+4]共價(jià)籠。

而如果將上述丁氧基換成酯基，自組裝結(jié)果又將發(fā)生變化。酯基看似和丁氧基一樣，不具有類(lèi)似羥基中的酸性質(zhì)子，那么在其與外消旋的反式環(huán)己烷二胺組裝時(shí)，產(chǎn)物應(yīng)當(dāng)和丁氧基的構(gòu)筑基元類(lèi)似。但值得注意的是，酯基具有較強(qiáng)的拉電子誘導(dǎo)效應(yīng)，與其相連的亞甲基具有中等酸性，因此，當(dāng)含有酯基的前體與純手性的環(huán)己烷二胺組裝時(shí)，得到的產(chǎn)物和含有羥基的類(lèi)似。

本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金( No. 22273082 )、浙江省科技廳創(chuàng)新領(lǐng)軍團(tuán)隊(duì) ( 2022R01005 )、浙江大學(xué)上海高等研究院繁星科學(xué)基金（SN-ZJU-SIAS-006）和浙江大學(xué)化學(xué)系高性能計(jì)算中心的資助和支持。

論文信息：

Title: The sharp structural switch of covalent cages mediated by subtle variation of directing groups

Authors: Qiong Chen, Zhaoyong Li, Ye Lei, Yixin Chen, Hua Tang, Guangcheng Wu, Bin Sun, Yuxi Wei, Tianyu Jiao, Songna Zhang, Feihe Huang, Linjun Wang and Hao Li

To be cite as:  Nat. Commun., 2023, 14, 4627

DOI: 10.1038/s41467-023-40255-4