JACS: 大尺寸多孔有机笼的系统合成与拓扑新突破

大尺寸多孔有机笼（>3 nm）因能增强气体吸附能力、包裹纳米颗粒和生物分子等 bulky 客体而极具应用潜力，但其合成长期面临挑战：熵效应更易驱动形成小尺寸笼或互锁副产物，且现有合成依赖复杂前驱体（如三蝶烯、杯芳烃），缺乏可预测的系统策略。此前报道的少数大尺寸笼多为偶然合成，结构稳定性差，难以纯化，限制了其在吸附、催化等领域的应用。因此，开发一种基于设计的策略，通过调控自组装过程克服熵障，构建稳定、可预测的大尺寸有机笼，成为该领域的关键需求。

浙江大学刘明团队用空间位阻的 “精妙调控”，让大尺寸多孔有机笼的合成立竿见影！从 3.4 nm 到 3.6 nm，从截角四面体到首例 J₂₇拓扑，不仅破解了熵效应的阻碍，更赋予材料优异的气体吸附能力。从设计策略到实际性能，它为多孔有机笼的系统合成与应用开辟了全新路径，是超分子化学领域的里程碑成果！相关研究成果发表于国际顶级期刊《Journal of the American Chemical Society》。

研究者提出空间位阻驱动策略，通过在四齿醛构筑块（Tet）中系统引入 bulky 取代基（蒽、吩嗪、苯并吩嗪、二苯并吩嗪等），与反式 - 1,2 - 环己二胺（trans-1,2-CHDA，二齿，Di）经亚胺缩合反应，成功构建系列稳定的 [6+12] 型大尺寸有机笼，并揭示了位阻效应对组装拓扑的调控机制。

首先，以无 bulky 取代基的四齿醛 P0 为基准，其与 trans-1,2-CHDA 反应优先形成 [3+6] 笼（P0-[3+6]），印证了熵效应对小尺寸笼的偏好。为增强位阻，研究者用萘基取代苯环得到 P1，但其反应仍生成 [3+6] 笼（P1-[3+6]），因萘基向外突出减弱了内部位阻。进一步将取代基扩展为蒽基（P2，宽度相当于 3 个苯环），与 trans-1,2-CHDA 在二氯甲烷 / 三氯甲烷中反应，粗产物经循环凝胶渗透色谱（r-GPC）分离，得到 [6+12] 笼（P2-[6+12]，产率 70%）及两种 [4+8] 异构体（P2-[4+8]-a、P2-[4+8]-b）。单晶 XRD 显示 P2-[6+12] 为截角四面体结构（阿基米德固体），外径 3.40 nm，最小内腔直径 0.48 nm，蒽基间 2.94 Å 的 van der Waals 距离通过空间位阻稳定结构；¹H NMR 中蒽基质子的化学位移变化及 DOSY 测得的 1.42 nm 溶剂动力学半径，证实笼结构的对称性与尺寸。

为验证位阻策略的普适性，研究者采用吩嗪取代的四齿醛 PN2（与 P2 位阻相当），反应优先生成 PN2-[6+12]（产率 76%），单晶 XRD 显示其两种晶型（PN2-[6+12]-α、PN2-[6+12]-β），其中 β 型通过 “三角窗口对三角窗口” 堆积形成 2.2 nm 介孔通道。变温 ¹H NMR 与 AIMD 模拟表明，吩嗪基在 PN2-[6+12] 中可旋转（低温时旋转冻结，峰分裂），而在 [4+8] 笼中因空间拥挤旋转受限，体现尺寸对动态行为的调控。

进一步增加位阻，用苯并吩嗪（PN3）和二苯并吩嗪（PN4）作为取代基：PN3 反应生成 [4+8] 和 [6+12] 笼，与 PN2 类似；PN4 因位阻最大（5 个苯环宽度），反应仅生成两种 [6+12] 异构体（PN4-[6+12]-a、PN4-[6+12]-b）。单晶 XRD 证实 PN4-[6+12]-b 为三角正交双杯结构（Johnson 固体 J₂₇），这是有机笼中首次报道该拓扑，外径 3.6 nm，通过分子内 C-H…π 作用（2.70 Å）和分子间 π…π 作用（3.62 Å）稳定。

DFT 计算显示，随位阻增大，[6+12] 笼的相对能量逐渐低于小尺寸笼：P0/P1 中 [3+6] 能量最低，P2/PN2/PN3 中 [6+12] 能量最低，PN4 中 [6+12] 与 [4+8] 能量差达 70 kJ/mol，印证位阻对热力学偏好的调控。

堆积结构与多孔性方面，P2-[6+12] 和 PN2-[6+12]-α 形成交替的超微孔 - 介孔三维网络，溶剂可及体积达 61.8%-69.4%，密度低至 0.460 g/cm³
。气体吸附测试显示，PN2-[4+8]-a 对 CO₂和 C₂H₆存在 “门控效应”，PN2-[4+8]-b 在 65 bar 下甲烷吸附量达 189.5 cm³/g，超过基准材料 CC3。

本研究通过空间位阻驱动策略，成功合成系列稳定的 [6+12] 大尺寸多孔有机笼，包括首个具有 J₂₇拓扑的有机笼（PN4-[6+12]-b）。位阻效应通过抑制熵驱动的小尺寸笼形成，热力学上优先稳定 [6+12] 拓扑，且 bulky 取代基赋予笼动态柔性与分级多孔结构。该策略突破了大尺寸有机笼合成的随机性，实现从简单构筑块到复杂拓扑的可预测组装，其高孔隙率与气体吸附性能为储存、分离等应用奠定基础，同时为设计非常规拓扑的超分子结构提供了普适方法。

Systematic Synthesis of Large Porous Organic Cages Driven by Steric Hindrance. J. Am. Chem. Soc. 2025. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c09357

(来源：Funchem 版权属原作者 谨致谢意）