JACS：雙空腔籠索烴

索烴是一類具有非平面嵌入圖結構的互鎖分子，其獨特的拓撲特性使其在分子機器、催化等領域展現出顯著的應用潛力。目前研究者已經成功構筑了由二至六個單環結構組成的多種索烴。然而，已有索烴體系大多基于單空腔單體構筑，而以雙空腔籠為構筑單元的相關研究仍相對較少。值得注意的是，此類雙空腔單體在互鎖過程中可能產生多種拓撲異構體，但由于拓撲異構現象往往被忽視，其選擇性形成特定異構體的機制尚不明確?；诖?，本研究通過簡便的一鍋法反應，成功制備出由兩個雙空腔籠交織而成的新型索烴。為了建立概率模型，作者構建了一個基于雙空腔籠狀單體的概念驗證體系（方案1）。該單體由可方向性堆疊的三連接平面板與幾何匹配的連接基自組裝而成，形成具有兩個空腔的結構。每個空腔均可模板化結合一個平面板，從而生成雙聯雙環索烴（DDC）。

方案1. 一鍋法合成雙聯雙環索烴，由一對雙空腔籠組成，可形成兩類拓撲異構體：交織型與鏈狀型構型。

由于自組裝主要由平面板間的堆疊相互作用驅動，連接基的影響可忽略，因此體系可簡化為兩組三片、片間距離固定為 l 的平面板（圖 1）。兩組三片平面板的互鎖可產生四種構型（1–4），但它們兩兩互為鏡像，最終僅對應兩類拓撲異構體：鏈狀型與交織型。

圖1. 利用簡化模型對雙空腔籠索烴的拓撲分析。

作者建立了基于雙空腔單體的概率模型（圖 2），用于預測兩種拓撲異構體的形成概率：交織型與鏈狀型。在模型中，藍色單體底板固定，紅色單體首片平面板位置由x?描述，可在允許范圍內平移以保持特定拓撲。六片平面板的總體概率密度由相鄰板間概率乘積得到，積分后得到統計權重φI和φC，從而計算相對形成概率PI和PC（圖 2）。為反映組裝驅動力，作者將 TFPT 平面板間堆疊作用納入概率密度ρ(r)，并通過DFT計算不同間距和角度下的相對能量。結果顯示，約40°堆疊角度能量最低，最為穩定；擬合廣義Lennard–Jones勢函數后得到σ≈3.48 ?，ε≈4.12 kJ·mol?1。依據Boltzmann分布，可進一步得到板間堆疊的概率密度函數ρ(r)，其在最強吸引處最大，在強排斥下迅速下降。該模型結合拓撲簡化和堆疊能量分析，為預測DDC的拓撲異構體形成提供了量化依據。如圖2步驟III所示，將ρ(r)分別代入交織異構體的公式1、2和鏈狀異構體的公式3、4后，概率模型給出了半定量預測：兩種結構的形成概率比約為20:1。這一結果表明，交織拓撲構型在DDC形成過程中占據主導地位。

圖 2. 概率模型預測雙聯雙環索烴交織型與鏈狀型異構體的相對形成概率。

交織型雙聯雙環索烴的合成與表征。基于概率模型預測的交織構型優勢（圖2），作者使用TFPT面板與三胺W型連接體L1（圖3a）進行一鍋法合成，成功獲得產率為58%的交織型雙聯雙環索烴（DDC-1）。單晶X射線衍射（圖3b）證實其結晶于P2?/n空間群，兩個雙空腔籠完全交織，所有空腔均被相鄰面板占據，面板間3.3-3.4 ?的層間距進一步證實結構由多重π–π堆疊作用穩定。質譜分析顯示m/z 6861.63的強峰，對應[6+6]縮合產物，與理論結構一致。核磁共振譜（圖3c）顯示三組亞胺質子信號及兩組等價甲基信號，溶液結構與晶體結構相符，確證其為單一交織構型。反應監測顯示1H NMR僅存在DDC-1特征信號，未檢測到鏈狀異構體。MALDI-TOF MS確認主要產物為DDC-1，并檢測到微量四聚體和六聚體信號，但未發現[3+3]籠單體存在。以上結果與概率模型預測交織構型占主導的結論一致。作者未通過循環凝膠滲透色譜分離四聚體與六聚體，濃縮過程中體系迅速向更穩定的DDC-1轉化。高靈敏度多維質譜分析證實存在高階組裝體：電噴霧電離質譜檢測到[DDC+4H]4+(m/z 1716.18) 與[DDC+3H]3+(m/z 2287.81)的主峰，其同位素分布與理論計算高度吻合。在m/z 2287.81處還識別出可歸屬為互鎖四聚體[C984H888N72+6H]6+的微量信號，進一步證實了高階互鎖結構的存在。

圖3. 一鍋法合成交織型DDC-1。（a）三胺連接體L1與三醛面板TFPT在TFA催化下于30°C氯仿中反應30分鐘，生成DDC-1；（b）DDC-1單晶結構的側視與俯視圖。（c）DDC-1的1H NMR譜圖。

對m/z 2287.81處離子進行TWIM-MS分析，進一步確認了四聚體的存在（圖4）。離子淌度分離顯示兩個清晰信號，分別對應四聚體[C984H888N72+6H]6+與DDC-1[DDC+3H]3+。實驗測得的碰撞截面積與理論模擬值吻合。綜合分析表明：體系中未檢測到雙空腔單體，因其未占據的空腔會驅動進一步互鎖；主要產物為交織型DDC-1，而鏈狀二聚體因熱力學不穩定已轉化為高階結構；體系中明確存在鏈狀拓撲四聚體，但僅檢測到痕量六聚體，說明面板間相互作用足以驅動四聚體形成，卻不足以支撐更高級結構的組裝。以上結果共同證實了概率模型的可靠性：該模型雖為半定量，但準確預測了交織構型的主導地位，鏈狀二聚體的缺失也與其向穩定鏈狀四聚體的轉化過程相符。

圖4. 反應體系的二維ESI-TWIM MS圖譜。

作者通過基于Hirshfeld分割的獨立梯度模型分析（圖5）證實了概率模型的合理性。對DDC-1結構優化后，發現六個TFPT面板間存在五個顯著的非共價作用等值面，而連接體間的相互作用可忽略（圖5a），表明體系穩定性主要依賴于面板間的π–π堆疊。優化結構同時顯示雙環單體間的夾角為35°（圖5b），與概率模型中DFT計算所得能量最低點（約40°）高度吻合，進一步驗證了模型的可靠性。

圖5. 優化后的交織型DDC-1結構分析。（a）對優化DDC-1結構進行IGMH分析；（b）優化DDC-1結構的俯視圖，顯示TFPT面板間夾角為35°。

綜上所述，本研究首次通過一鍋法合成了由雙空腔有機籠交織構成的二聚索烴。該反應以具有定向堆疊能力的三齒平面面板與互補連接體為原料，展現出優異的拓撲選擇性，專一性地生成交織型異構體。這一選擇性合成得益于作者建立的概率模型，該模型將體系簡化為三面板堆疊的空間排位問題，通過π–π相互作用驅動并預測了交織構型的主導形成。該策略大幅降低了計算成本，并可揭示傳統方法難以獲得的拓撲異構信息，為復雜互鎖結構的理性設計與精準構筑提供了新思路。

文獻詳情

Title: Catenanes of Twin-Cavity Cages

Authors: Ze-Ming Xu, Weihao Wang, Bin Su, Yonghang Xin, Chenfei Li, Yingchao Liu, Heng Wang, Xiaopeng Li, and Shaodong Zhang*

To be cited as: J. Am. Chem. Soc.2025, just published.

DOI: 10.1021/jacs.5c18401

（來源：超分子科學版權屬原作者 謹致謝意）