JACS：双空腔笼索烃

索烃是一类具有非平面嵌入图结构的互锁分子，其独特的拓扑特性使其在分子机器、催化等领域展现出显著的应用潜力。目前研究者已经成功构筑了由二至六个单环结构组成的多种索烃。然而，已有索烃体系大多基于单空腔单体构筑，而以双空腔笼为构筑单元的相关研究仍相对较少。值得注意的是，此类双空腔单体在互锁过程中可能产生多种拓扑异构体，但由于拓扑异构现象往往被忽视，其选择性形成特定异构体的机制尚不明确。基于此，本研究通过简便的一锅法反应，成功制备出由两个双空腔笼交织而成的新型索烃。为了建立概率模型，作者构建了一个基于双空腔笼状单体的概念验证体系（方案1）。该单体由可方向性堆叠的三连接平面板与几何匹配的连接基自组装而成，形成具有两个空腔的结构。每个空腔均可模板化结合一个平面板，从而生成双联双环索烃（DDC）。

方案1. 一锅法合成双联双环索烃，由一对双空腔笼组成，可形成两类拓扑异构体：交织型与链状型构型。

由于自组装主要由平面板间的堆叠相互作用驱动，连接基的影响可忽略，因此体系可简化为两组三片、片间距离固定为 l 的平面板（图 1）。两组三片平面板的互锁可产生四种构型（1–4），但它们两两互为镜像，最终仅对应两类拓扑异构体：链状型与交织型。

图1. 利用简化模型对双空腔笼索烃的拓扑分析。

作者建立了基于双空腔单体的概率模型（图 2），用于预测两种拓扑异构体的形成概率：交织型与链状型。在模型中，蓝色单体底板固定，红色单体首片平面板位置由x₁描述，可在允许范围内平移以保持特定拓扑。六片平面板的总体概率密度由相邻板间概率乘积得到，积分后得到统计权重φI和φC，从而计算相对形成概率PI和PC（图 2）。为反映组装驱动力，作者将 TFPT 平面板间堆叠作用纳入概率密度ρ(r)，并通过DFT计算不同间距和角度下的相对能量。结果显示，约40°堆叠角度能量最低，最为稳定；拟合广义Lennard–Jones势函数后得到σ≈3.48 Å，ε≈4.12 kJ·mol⁻¹。依据Boltzmann分布，可进一步得到板间堆叠的概率密度函数ρ(r)，其在最强吸引处最大，在强排斥下迅速下降。该模型结合拓扑简化和堆叠能量分析，为预测DDC的拓扑异构体形成提供了量化依据。如图2步骤III所示，将ρ(r)分别代入交织异构体的公式1、2和链状异构体的公式3、4后，概率模型给出了半定量预测：两种结构的形成概率比约为20:1。这一结果表明，交织拓扑构型在DDC形成过程中占据主导地位。

图 2. 概率模型预测双联双环索烃交织型与链状型异构体的相对形成概率。

交织型双联双环索烃的合成与表征。基于概率模型预测的交织构型优势（图2），作者使用TFPT面板与三胺W型连接体L1（图3a）进行一锅法合成，成功获得产率为58%的交织型双联双环索烃（DDC-1）。单晶X射线衍射（图3b）证实其结晶于P2₁/n空间群，两个双空腔笼完全交织，所有空腔均被相邻面板占据，面板间3.3-3.4 Å的层间距进一步证实结构由多重π–π堆叠作用稳定。质谱分析显示m/z 6861.63的强峰，对应[6+6]缩合产物，与理论结构一致。核磁共振谱（图3c）显示三组亚胺质子信号及两组等价甲基信号，溶液结构与晶体结构相符，确证其为单一交织构型。反应监测显示¹H NMR仅存在DDC-1特征信号，未检测到链状异构体。MALDI-TOF MS确认主要产物为DDC-1，并检测到微量四聚体和六聚体信号，但未发现[3+3]笼单体存在。以上结果与概率模型预测交织构型占主导的结论一致。作者未通过循环凝胶渗透色谱分离四聚体与六聚体，浓缩过程中体系迅速向更稳定的DDC-1转化。高灵敏度多维质谱分析证实存在高阶组装体：电喷雾电离质谱检测到[DDC+4H]4+(m/z 1716.18) 与[DDC+3H]3+(m/z 2287.81)的主峰，其同位素分布与理论计算高度吻合。在m/z 2287.81处还识别出可归属为互锁四聚体[C984H888N72+6H]6+的微量信号，进一步证实了高阶互锁结构的存在。

图3. 一锅法合成交织型DDC-1。（a）三胺连接体L1与三醛面板TFPT在TFA催化下于30°C氯仿中反应30分钟，生成DDC-1；（b）DDC-1单晶结构的侧视与俯视图。（c）DDC-1的1H NMR谱图。

对m/z 2287.81处离子进行TWIM-MS分析，进一步确认了四聚体的存在（图4）。离子淌度分离显示两个清晰信号，分别对应四聚体[C984H888N72+6H]6+与DDC-1[DDC+3H]3+。实验测得的碰撞截面积与理论模拟值吻合。综合分析表明：体系中未检测到双空腔单体，因其未占据的空腔会驱动进一步互锁；主要产物为交织型DDC-1，而链状二聚体因热力学不稳定已转化为高阶结构；体系中明确存在链状拓扑四聚体，但仅检测到痕量六聚体，说明面板间相互作用足以驱动四聚体形成，却不足以支撑更高级结构的组装。以上结果共同证实了概率模型的可靠性：该模型虽为半定量，但准确预测了交织构型的主导地位，链状二聚体的缺失也与其向稳定链状四聚体的转化过程相符。

图4. 反应体系的二维ESI-TWIM MS图谱。

作者通过基于Hirshfeld分割的独立梯度模型分析（图5）证实了概率模型的合理性。对DDC-1结构优化后，发现六个TFPT面板间存在五个显著的非共价作用等值面，而连接体间的相互作用可忽略（图5a），表明体系稳定性主要依赖于面板间的π–π堆叠。优化结构同时显示双环单体间的夹角为35°（图5b），与概率模型中DFT计算所得能量最低点（约40°）高度吻合，进一步验证了模型的可靠性。

图5. 优化后的交织型DDC-1结构分析。（a）对优化DDC-1结构进行IGMH分析；（b）优化DDC-1结构的俯视图，显示TFPT面板间夹角为35°。

综上所述，本研究首次通过一锅法合成了由双空腔有机笼交织构成的二聚索烃。该反应以具有定向堆叠能力的三齿平面面板与互补连接体为原料，展现出优异的拓扑选择性，专一性地生成交织型异构体。这一选择性合成得益于作者建立的概率模型，该模型将体系简化为三面板堆叠的空间排位问题，通过π–π相互作用驱动并预测了交织构型的主导形成。该策略大幅降低了计算成本，并可揭示传统方法难以获得的拓扑异构信息，为复杂互锁结构的理性设计与精准构筑提供了新思路。

文献详情

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

（来源：超分子科学版权属原作者 谨致谢意）