朱克龙教授课题组：基于分子泵原理精准合成“分子项链”

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生命体内存在大量的生物分子机器，例如核糖体，它是生物体内蛋白质的“合成工厂”，能高效且精准地控制氨基酸按特定的序列连接成具有生理活性的肽链及蛋白质。师法自然，设计、合成及操控具有类似功能的人工分子机器是目前合成化学领域最前沿研究方向之一。近日，中山大学化学学院朱克龙教授课题组报道了首例基于人工分子泵原理精准合成辐射型索烃——“分子项链”的研究成果，该工作以通讯论文发表于美国化学会会志J. Am. Chem. Soc.。一直以来，通过分子聚集、穿环及打结等形成的特殊拓扑结构深深地吸引了众多合成及材料化学研究者，而如何精准地控制多个大环分子同轴套环形成类似于项链结构的辐射型索烃是其中的难点。在前期研究工作中，该课题组利用夹套合成法（clipping）不仅成功实现了异环[3]轮烷分子梭的构筑（Nat. Chem. 2018, 10, 625–630），并发展了可用于敏感分子保护的新策略（Chem. Sci. 2017, 8, 7718–7723; Chem. Commun. 2021, 57, 3239–3242）。在此基础上，结合具有酸碱响应性的苯并咪唑模板分子，进一步发现了一种可用于定向输送大环的新型分子泵工作原理（pumping）。通过巧妙组合，先利用夹套合成法捕获原料生成产品（大环），再利用酸碱反应产生的能量驱动分子泵将产品定向输送至货物收集端，通过连续的“生产-输送”（clipping-followed-by-pumping, CFP）操作，最终实现了辐射型索烃即“分子项链”的可控合成。

        当采用[24]冠-6-醚为起始原料时，通过 CFP合成策略，成功获得了7个组成基元相同，但结构各异的辐射型[n]索烃（n=2‒5），并实现在无识别位点的烷基链（20个碳原子）上成功套锁3个大环分子。除此之外，通过控制两个不同的大环——[24]冠-6-醚与苯并[24]冠-6-醚的引入顺序，精准地获得了一对组分相同，但序列相反的拓扑异构[3]索烃，实现了具有不同套环序列多环索烃的可控构筑。该研究工作所发展的基于分子泵原理可控合成辐射型索烃的新方法不仅为复杂拓扑分子的构筑提供了新的思路，也为人工分子机器的应用发展提供了新方向。
        相关研究成果以“Precise Control of Radial Catenane Synthesis via Clipping and Pumping”为题发表于Journal of the American Chemical Society（https://doi.org/10.1021/jacs.1c12303）。化学学院2019级博士生李安全为第一作者，中国科学院大连化学物理研究所张江威博士提供了晶体结构解析的帮助。该研究工作得到了国家自然科学基金、广东省珠江人才计划创新创业团队项目及浙江大学上海高等研究院繁星科学基金的大力支持。


         文章来源：中山大学
      朱克龙，博士，中山大学教授。中山大学“百人计划”入选者。2009年在浙江大学化学系获得博士学位，2009年起在加拿大温莎大学从事博士后研究工作，于2016年加入中山大学，现为化学学院教授，博导。朱博士长期从事于超分子化学领域研究，至今已在Nature Chem. (2)、J. Am. Chem. Soc. (2)、Angew. Chem. Int. Ed. (3)、Chem. Sci. (2)等国际顶级化学期刊杂志上发表了学术论文30多篇，参与撰写英文专著2章，研究成果被多次亮点评述于Nature，C&EN，ChemistryWorld等。