本文介绍的研究发表于Angewandte Chemie International Edition期刊，将于2026年正式出版（目前在线发表，DOI: 10.1002/anie.6232425）。该研究由来自中国科学院化学研究所胶体、界面与化学热力学重点实验室的刘明华研究员团队与延边大学化学学院的金龙义教授团队合作完成。主要作者包括卢杰、王润佳、刘鹏、金敬俊、陆文胜、金龙义、张丽和刘明华。
此项研究的核心科学领域是超分子化学，具体聚焦于机械互锁分子领域中的轮烷的立体选择性合成与功能开发。研究旨在解决一个长期存在的瓶颈问题：如何大规模、高立体选择性地合成具有固有平面手性的柱[5]芳烃基轮烷，并探索其动态响应与圆偏振发光性能。
学术背景与研究目标 机械互锁分子因其独特的拓扑结构和组件间可控的相对运动，已成为构筑智能超分子材料和分子机器的理想平台。其中，轮烷作为这类分子的原型，在研究分子尺度的刺激响应行为和功能机制方面展现出独特优势。在众多轮烷体系中，基于柱[5]芳烃的手性轮烷尤为引人关注。它们将MIMs的动态机械特性与柱[5]芳烃明确的主客体识别能力相结合。同时，大环固有的平面手性和其取代基的点手性可以协同扩展其手性光学和立体化学功能，形成“机械-手性”耦合，为开发多模式分子机器和自适应手性材料提供了一个多功能平台。
然而，尽管手性轮烷的构建取得了显著进展，其可规模化合成仍是一个关键瓶颈。首先，柱[5]芳烃的平面手性在构象上不稳定且高度依赖溶剂，这使得其立体化学固定极具挑战性。其次，目前的合成路线主要依赖手性固定相高效液相色谱（CSP-HPLC）进行对映体或非对映体的拆分，这种方法操作成本高、可扩展性差且通量低（通常为毫克级）。尽管已有模板导向策略避免了CSP-HPLC的使用并取得了进展，但它们通常只能提供痕量至毫克级的产物，产率限制是该领域的核心制约因素。
因此，本研究的核心目标是开发一种高效、立体可控、可规模化合成手性柱[5]芳烃[2]轮烷的方法，并深入探究其立体化学构型与功能（如刺激响应行为和圆偏振发光）之间的内在联系，为未来开发先进的手性光学材料奠定基础。
详细研究流程 研究流程主要包括以下几个步骤：
分子设计与合成：研究者设计并合成了一系列基于柱[5]芳烃的[2]轮烷。具体设计策略是：使用具有构象依赖性平面手性的P5-10CH3作为“轮子”，不同长度（n = 6, 8, 10个亚甲基）的烷基二胺作为“轴”，并在轴的两端引入体积庞大且具有点手性的R-或S-1-(1-萘基)乙基异氰酸酯作为封端基团（“塞子”）。其设计考量在于：a) 庞大的萘基提供足够的空间位阻以防止“轮子”脱出；b) 萘基作为荧光团，为研究轮烷的圆偏振发光性质提供基础；c) 两个同手性的脲基封端基团可通过协同诱导效应，实现对不同平面手性构型的轮烷分子的选择性结晶；d) 脲键既是柱[5]芳烃的高亲和力氢键结合位点，也是驱动“轮子”动态穿梭的刺激响应触发点。这些轮烷通过一步封端反应合成，合成了6个结构不同的手性[2]轮烷，记为nRR或nSS (n = 6, 8, 10)。产率随轴长增加而降低（从n=6的85.9%到n=10的52.6%），归因于较长的烷基链预组织效率降低，阻碍了柱[5]芳烃的有效穿线。所有轮烷结构均通过核磁共振氢谱（¹H NMR）、碳谱（¹³C NMR）和高分辨质谱（HRMS）进行了充分表征，并通过二维COSY、NOESY/ROESY谱验证了其互锁拓扑结构。
结晶驱动的手性拆分与高纯度轮烷的制备：研究团队发现，利用溶剂依赖的结晶过程可以实现高效、可规模化的手性拆分。将合成的nRR/nSS轮烷（为平面手性外消旋混合物）溶解在甲醇或乙醇中，通过简单的重结晶操作，可以高选择性地析出一种非对映体。将析出的晶体与母液分离后，再分别对晶体和母液浓缩物进行循环结晶，最终可以分离得到所有12种立体化学纯的非对映体产物（从6种外消旋前体得到12种纯产物），分别命名为nRPRR、nRPSR、nSPSS和nSPRS。该过程无需任何色谱分离手段。采用这一迭代结晶方案，最终产物的分离产率超过90%，非对映体比例（d.r.）高于99.5:0.5（部分高达99.97:0.03），实现了克级规模的高立体纯度手性轮烷制备。
拆分机理的深入研究：为了理解为何不同轴长（n=6, 8, 10）会影响特定非对映体（如nRPRR vs. nRPSR）的优先结晶顺序，研究者结合单晶X射线衍射、赫什菲尔德表面分析和密度泛函理论计算进行了深入探究。研究揭示了拆分机理的层次性：选择性并非仅由传统的“手性匹配”模型决定，而是由尺寸相容性和立体排斥之间的动态耦合所控制。当“轮子”（柱[5]芳烃）的平面手性（PR或PS）与“轴”末端的点手性（R或S）组合能够实现尺寸匹配且立体排斥最小时，分子倾向于形成单一、无应变的稳定构象。这种稳定的分子内构象进一步促进了分子间有序、协同的相互作用（如π-π堆积、C─H⋯π相互作用、氢键网络），从而在晶体中展现出更优越的热力学稳定性（更低的结合能），因此优先从溶液中结晶析出。对于不同轴长，满足上述条件的优势构象不同，因此优先结晶的非对映体也不同。例如，对于n=6，R-封端与PR-“轮子”的组合（即6RPRR）是优势构象；而对于n=8，R-封端与PS-“轮子”的组合（即8RPSR）成为优势构象。
轮烷的刺激响应行为研究：利用轮烷中脲基的双重角色（结合位点和触发器），研究者系统地研究了其对外部刺激（阴离子和溶剂）的响应行为。通过核磁共振氢谱和圆二色光谱的跟踪监测，揭示了两种独立的调控路径：
圆偏振发光性能研究：研究者系统考察了手性轮烷在溶液态和固态（晶体）下的圆偏振发光性能。在溶液（CHCl₃）中，无论浓度高低或温度降低（至-10°C），所有轮烷均未检测到明显的CPL信号，这归因于“轮子”在溶液中的快速穿梭运动抑制了手性诱导。然而，在晶体状态下，CPL性能展现出对立体构型的严格依赖性：
主要研究结果 1. 成功开发了一种高效、可规模化、立体可控的手性轮烷合成与拆分新策略。通过引入空间位阻大的手性封端基团和简单的重结晶操作，实现了对柱[5]芳烃平面手性的高效固定和分离，获得了12种d.r. > 99.5:0.5、产率>90%的纯非对映体轮烷，克服了传统色谱方法成本高、规模小的瓶颈。 2. 深入阐明了结晶拆分的选择性机理。研究超越了简单的“手性匹配”概念，提出了一个由“尺寸相容性”和“点-平面手性立体排斥最小化”共同决定的层次性热力学选择模型。该模型通过SCXRD、HS分析和DFT计算得到了验证，为设计其他大环基手性机械互锁分子的拆分策略提供了理论框架。 3. 实现了对轮烷结构的独立双刺激响应调控。首次在同一手性轮烷体系中，实现了基于特异性竞争结合（阴离子）和溶剂极性调制（溶剂）两种互不干扰的独立路径，来可逆、精确地调控“轮子”的穿梭运动。这为构建可执行复杂逻辑操作的人工分子机器奠定了基础。 4. 揭示了手性协同与CPL活性之间的构效关系。首次明确证实，在基于柱[5]芳烃的手性轮烷中，只有当平面手性和点手性方向协同一致时，才能在固态（晶体）下产生强烈的CPL信号；而手性错配则导致CPL淬灭。此外，轴长作为调节构象刚性的参数，可以微调CPL的强度。这一发现为理性设计基于机械互锁分子的高性能CPL材料提供了关键设计原则。
研究结论与价值 本项研究建立了一个涵盖高效合成、结构解析、动态功能调控的完整研究框架。其核心创新在于分子设计和基于结晶的拆分策略。该结晶方案解决了手性轮烷合成中长期存在的规模化瓶颈，无需色谱操作即可实现克级制备，在效率和规模上超越了现有的不对称诱导和手性HPLC方法。
研究揭示了直接的手性匹配拆分机制，其选择性由“大环与轴的尺寸相容性”和“平面手性与点手性匹配导致的立体排斥最小化”这两个关键因素的热力学偏好所决定。这一框架为设计其他大环基手性机械互锁分子的可规模化拆分策略提供了预测性工具。
特别值得注意的是，该研究在单一手性轮烷体系中实现了独立的双重刺激动态调节，其阴离子和溶剂诱导的穿梭运动通过互不干扰的不同路径进行。阴离子通过脲基的特异性竞争结合实现精确滑动与重置，而溶剂则通过改变极性非破坏性地调制氢键强度，驱动“轮子”连续滑动。这种独特的双重路径调控为人工分子机器的独立多刺激控制奠定了基础。
此外，该体系拓展了手性轮烷的功能调控范围。CPL研究证实，其发光性质由平面手性和点手性的协同作用决定：手性一致导致强CPL信号，手性错配则发射微弱。同时，轴长可调节CPL强度。这项工作在超分子手性与光物理性质之间架起了桥梁，为基于机械互锁分子的CPL材料设计奠定了坚实的基础。
研究亮点 1. 方法学创新：首次报道了通过简单重结晶实现手性柱[5]芳烃[2]轮烷克级规模、超高立体选择性（d.r. > 99.5:0.5）拆分的方法，彻底摆脱了对昂贵、低通量色谱技术的依赖，具有重大的合成方法学突破意义。 2. 机理洞察深刻：对拆分选择性机理的研究深入、系统，综合运用多种表征和计算手段，提出了一个层次性、可预测的热力学模型，为相关领域提供了新的理论认知。 3. 功能调控精巧：在同一分子平台上实现了基于不同作用机理（竞争结合 vs. 溶剂化效应）的、独立且可逆的双重刺激响应，展示了构建复杂动态超分子系统的强大潜力。 4. 构效关系明确：首次在手性轮烷体系中，明确建立了“点-平面手性协同”与“固态圆偏振发光活性”之间的直接、决定性构效关系，并量化了结构参数（轴长）对性能的影响，对指导未来手性光学材料的设计具有重要价值。 5. 研究体系完整：从分子设计、合成、拆分、结构表征，到机理研究、刺激响应行为探索，再到高级功能（CPL）开发，形成了一个逻辑严密、内容丰富的完整研究闭环，充分展示了超分子化学从基础研究到功能应用的强大魅力。