理化所在共軛有機分子籠的主客體化學領域取得新進展

含有連續對苯撐單元的有機分子籠因其具有獨特的徑向共軛體系而備受關注，然而中空的共軛骨架導致分子張力增加，成為制約相關研究的合成瓶頸。同時由于高張力共軛體系的存在大幅提升了分子籠骨架的剛性，造成空腔形變能力弱，從而降低了此類分子籠結合客體分子的能力。為克服這一短板，中國科學院理化技術研究所叢歡課題組與肖紅艷副研究員等多個團隊合作，將剛性的共軛對苯撐單元與柔性的杯[6]芳烴結構進行創新性融合，成功開發了一種具有優秀的自適應形變性質的共軛有機分子籠。其空腔可容納不同尺寸的富勒烯客體分子，而且在結合客體分子后，分子籠空腔體積可膨脹達85%。

具有優秀的自適應形變性質的共軛有機分子籠

科研人員采用匯聚式的構筑策略，將對稱性匹配的大環片段與分枝形片段一步連接成為分子籠骨架，實現了快速簡潔的合成。在“剛柔相濟”的結構單元協同聯動作用下，分子籠可以發生顯著的構象變化，從而有效封裝C60、C70等不同尺寸的富勒烯分子。尤其是通過X射線單晶衍射分別確定了無客體的空籠與包含C70客體的分子籠的結構，為客體自適應性的可變形空腔提供了最直觀的實驗證據。

通過實驗結果與理論計算互相印證，科研人員分別從熱力學和動力學兩方面進一步揭示了分子籠空腔的自適應形變性質，以及主客體的相互作用機制。計算結果表明，分子籠的形變特性有助于使其空腔的內表面與富勒烯的外表面形狀匹配而促進非共價相互作用。此外，借助分子動力學模擬使得客體進入分子籠伴隨著空腔劇烈形變的過程得以可視化呈現。

該研究工作不僅拓展了對苯撐衍生的共軛有機分子籠的主客體性質，還為設計合成新穎共軛超分子結構提供了思路，以A Conjugated Phenylene Nanocage with a Guest-Adaptive Deformable Cavity為題在Angewandte Chemie International Edition期刊上發表。論文的共同第一作者是理化所博士生楊靜譞和助理研究員毛亮亮，通訊作者是叢歡研究員和肖紅艷副研究員。理化所康雷研究員、林哲帥研究員和清華大學張韶光副教授團隊在計算模擬和晶體解析方面提供了大力幫助，研究工作得到了理化所吳驪珠院士與佟振合院士的悉心指導。