本文介绍的是一项发表于《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）2020年第59卷的研究工作，题为“sequential chiral induction and regulator-assisted chiral memory of pillar[5]arenes”。该研究由京都大学合成化学与生物化学系的Shixin Fa, Kouichi Egami, Keisuke Adachi, Kenichi Kato以及通讯作者Tomoki Ogoshi教授（同时隶属于金泽大学WPI-NanoLsi研究所）共同完成。

本研究的学术背景在于手性转移与手性记忆领域。手性转移是生命过程中的普遍现象，并在发展手性光学传感器和不对称合成中具有重要作用。传统的手性转移系统多为二元体系，即手性信息直接从手性诱导剂转移至手性受体，并通过空间位阻或配位作用等方式实现手性记忆。然而，自然界中复杂功能的实现往往依赖于多组分系统的协同调控。受此启发，研究者提出构建一个非直接手性转移的三元系统，以更精细、更灵活的方式调控手性的诱导与记忆过程。具体而言，该研究瞄准了柱[5]芳烃这一具有平面手性的柱状大环主体分子。其两个平面手性异构体（pR和pS）可以通过“氧穿环旋转”相互转化，导致其手性记忆能力通常较弱。本研究旨在通过引入第三个组分作为“调节剂”，协同手性诱导剂，实现对柱[5]芳烃平面手性的高效诱导与长期记忆，并探索其顺序依赖性等新行为。

研究的工作流程与实验方法详尽而系统，主要包括以下几个步骤： 首先，研究者进行了基础的二元直接手性转移实验。他们选用边缘差异化的柱[5]芳烃（1a，其上缘为甲基，下缘为丁基）作为手性受体（acceptor）。筛选了不同溶剂和手性胺作为潜在的手性诱导剂（inducer），最终确定氯仿和1-环己基乙胺（2）为最佳组合。通过圆二色光谱（CD）监测，证实了手性胺2（R型或S型）能够与1a通过非共价相互作用形成超分子非对映异构体，从而诱导出明显的平面手性信号（CD信号在308 nm处）。他们定量测定了诱导出的对映体过量值（de）约为11%。通过改变R-2和S-2的比例，发现诱导出的CD信号强度与手性胺的对映体过量（ee）呈近似线性关系，证明了手性诱导的有效性。然而，当使用非手性的异戊胺替换掉与1a结合的手性胺R-2时，诱导出的手性信号衰减极快，半衰期仅约40分钟，表明单纯的二元体系手性记忆能力很差，这归因于丁基取代基空间位阻较小，不足以阻止分子围绕芳环-氧键的自由旋转（即氧穿环旋转）。

其次，为了改善手性记忆能力，研究引入了第三个组分——调节剂（regulator）。他们选择了1,4-二溴丁烷（3）作为客体分子，它能强效地与柱[5]芳烃的空腔结合（结合常数K > 10³ M⁻¹），从而可能通过主客体络合作用限制大环的旋转。由此，研究构建了一个由手性受体1a、手性诱导剂2和调节剂3组成的三元体系。研究的关键创新在于发现了组分添加顺序对最终手性诱导效果的强烈影响，即“顺序效应”。实验设计了两种添加路径：路径A为先加诱导剂（R-2）诱导出手性，再加入调节剂（3）；路径B为先加调节剂（3）形成主客体复合物，再加入诱导剂（R-2）。在路径A中，先加入5当量的R-2成功诱导出1a的平面手性，随后加入850当量的3不仅没有破坏手性，反而增强了CD和紫外-可见吸收信号的强度，de值提升至约13%。而在路径B中，于20°C下先加入3，再加入R-2，则完全无法诱导出手性信号。他们认为，预先加入的3与1a结合，通过客体包结抑制了1a的自由旋转，从而在室温下阻碍了手性胺2对其平面手性的诱导。然而，当将此混合体系加热至50°C维持10分钟后，观察到了强烈的CD信号。研究者推断，加热导致客体分子3从空腔中部分解离，使得1a的旋转自由度暂时恢复，此时体系中的手性胺2得以介入并诱导出手性。进一步的动力学研究通过拟合不同温度下的Eyring曲线，计算出在调节剂3存在下，手性诱导过程的吉布斯自由能活化能（ΔG‡）为95.4 kJ/mol。顺序效应的发现是传统二元体系所未见的，凸显了三元调控的复杂性。

第三，研究系统评估了三元体系的手性记忆能力。他们首先研究了手性反转实验：在已通过路径A形成的手性三元体系（1a + R-2 + 3）中，加入过量的相反手性诱导剂S-2。与二元体系手性信号迅速衰减并反转不同，三元体系的手性信号强度仅发生极轻微的下降，表明诱导出的手性被成功“记忆”住了。通过监测CD信号随时间的变化，他们测得该三元体系（含850当量3）在手性反转剂S-2存在下的半衰期长达6.8小时。为了更真实地评估手性记忆的持久性，他们用100当量的非手性异戊胺完全替换掉体系中的手性胺R-2。结果显示，随着调节剂3的用量从850当量增加至4250当量，1a手性信号的半衰期从数小时显著延长至5天，与二元体系仅40分钟的昙花一现形成鲜明对比。此外，研究还使用了具有更长烷基链（庚基）的类似物1b作为受体。由于其旋转能垒更高，其在三元体系中表现出了更优的手性记忆能力，在最佳条件下（含4250当量3），其手性半衰期可达23天。这些实验充分证明了调节剂3与手性诱导剂2的协同作用，能够极大地增强柱[5]芳烃的手性记忆能力。

第四，基于上述动力学捕获特性，研究者演示了温度依赖的手性诱导与反转的可控操作。在20°C下，预先与大量3结合的1a无法被R-2或S-2诱导出手性。然而，将体系加热至40°C后，旋转能垒被克服，分别加入R-2或S-2可诱导出正或负的CD信号。随后将体系冷却回20°C，CD信号被“冻结”在诱导后的状态，实现了手性记忆。在另一个演示中，他们先在20°C下向含有3的1a溶液中加入少量R-2诱导出正CD信号，然后加入过量的S-2。在20°C下，初始的正信号因动力学限制得以保持；加热至40°C后，由于过量S-2的存在，CD信号开始衰减并向负值反转；再次冷却至20°C，信号变化被暂停。通过交替加热与冷却，研究者可以分步、可控地实现手性的诱导、保持和反转，如同一个多步的逻辑开关。

本研究的主要结论是，成功开发了一种基于柱[5]芳烃的非直接手性转移三元系统。该系统通过手性诱导剂（2）和调节剂（客体分子3）的协同输入，实现了对主体分子（1）平面手性的高效诱导和长期记忆。其核心创新在于：1）引入了“调节剂”这一第三组分，构建了受控的“非直接”手性转移路径；2）发现了手性诱导过程具有强烈的顺序依赖性，这是多组分协同调控的直接证据；3）通过调节剂的种类和用量，可以灵活地调控手性记忆的持续时间，从小时级延长至天级；4）利用动力学控制原理，实现了通过温度变化对体系手性状态（诱导、记忆、反转）进行分步、可逆的精准操控。这不仅是首个报道的基于大环分子的具有顺序效应的手性记忆系统，也为构建更复杂、更智能的仿生手性功能材料提供了新思路。其科学价值在于将生命体系中多组分协同调控的理念引入超分子手性领域，丰富了手性转移与记忆的机制和调控维度。在应用层面，这种可调控的手性记忆系统可能在信息存储、手性开关、传感和不对称催化等领域展现出潜力。

本研究的亮点突出体现在以下几个方面：首先是研究策略的创新性，将“调节剂”概念引入传统的手性转移二元模型，构建了更接近生物调控逻辑的三元系统。其次是发现了前所未有的“顺序效应”，为理解多组分超分子系统中的动态过程与协同机制提供了关键实验证据。再者是显著提升了性能，通过主客体化学的简单策略，将柱[5]芳烃的手性记忆时间从分钟级提升至数天甚至数周，是一个重大突破。最后是展示了出色的可操控性，利用温度这一外部刺激，实现了对手性状态的逐步、可逆编程控制，演示了该系统作为分子逻辑器件的潜力。此外，研究所用的柱[5]芳烃、手性胺和线性烷烃客体均为相对易得或可设计的分子，使得该策略具有较好的普适性和可扩展性。