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分子帶的精準(zhǔn)合成及其性質(zhì)研究是目前有機及超分子化學(xué)研究領(lǐng)域最活躍的方向之一。作為碳納米管及富勒烯的構(gòu)筑片段，共軛的碳氫大環(huán)及分子帶展示出獨特的化學(xué)與物理性質(zhì)，使其在新型光電材料、吸附分離及超分子識別與組裝等方面具有重要應(yīng)用價值。大環(huán)分子的合成極具挑戰(zhàn)性，特別是高張力的帶狀大環(huán)，存在合成產(chǎn)率低、分離難、不易衍生化等問題，限制了進一步的應(yīng)用與發(fā)展。雜原子（N，O，S等）的加入不僅可以實現(xiàn)大環(huán)結(jié)構(gòu)單元的等電子替換，而且可以改變電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)，進而影響其功能應(yīng)用。盡管目前已有大量的理論計算研究，而通過雜原子雙橋連接的方式構(gòu)筑分子帶卻鮮有報導(dǎo)?；诖?，中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院朱克龍教授和姜隆副教授合作，設(shè)計并合成了氧、硫原子雙橋連的新型分子帶[8]cyclophenoxathiin，利用氧硫雜蒽結(jié)構(gòu)單元的動態(tài)可彎折性克服分子帶合成的高張力問題；同時，通過氧、硫雜原子對大環(huán)分子帶的電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控，實現(xiàn)其作為分子“容器”的功能應(yīng)用。

為了精準(zhǔn)地獲得具有不同連接順序和空腔性質(zhì)的氧硫雜分子帶，研究者采用了分步成環(huán)的控制合成策略，通過先成單橋大環(huán)，再橋連并環(huán)的方法，以較高的產(chǎn)率選擇性地獲得具有“碗狀”和“筒狀”的兩種分子帶。進一步研究表明碗狀的分子帶可通過多重C?H···S氫鍵的作用，分子間二聚形成膠囊型的分子“容器”。該二聚體不僅可以包合硝基苯等溶劑分子，而且對C60等富勒烯分子具有極強的選擇性絡(luò)合能力，結(jié)合常數(shù)高達3.6×109 M?2，展現(xiàn)出在富勒烯材料的提純與分離方面的應(yīng)用潛力。而筒狀的分子帶可與環(huán)型結(jié)構(gòu)的[2,2]環(huán)蕃分子相結(jié)合，形成獨特的“環(huán)套環(huán)”的超分子包合物。氧硫雜雙橋聯(lián)分子帶的可控合成、多樣結(jié)構(gòu)及其豐富的主客體化學(xué)充分展示了雜原子摻雜分子帶的魅力，也為分子帶的設(shè)計和構(gòu)筑提供了新的思路。

上述研究成果發(fā)表于Nature Communications雜志。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、廣東省珠江人才計劃以及中山大學(xué)百人計劃項目的大力支持。

Jialin Xie, Xia Li Shenghua Wang, Anquan Li, Long Jiang，Kelong Zhu, Nature communications, 2020, DOI:10.1038/s41467-020-17134-3.

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-17134-3