香港大学突破性研究：可调控机械手性索烃的设计与应用

香港大学突破性研究：可调控机械手性索烃的设计与应用
2025年5月19日，香港大学化学系团队在《自然-合成》发表重要研究成果，首次通过等构去对称化策略成功构建了具有可调控机械手性的超小型索烃，为分子机器和功能材料开发提供了全新思路。以下从核心突破、技术路径、应用潜力及合作网络四方面解析这一里程碑式进展。

一、核心突破：机械手性的精准设计与调控

传统索烃的对称性限制使其难以展现手性特性。港大团队创新性地将两个非手性环（BPBox²⁺）通过机械互锁形成紧凑结构，破坏原有对称面（从C₂v降至C₁对称性），从而诱导出机械手性（图1）。该索烃（BPHC⁴⁺）在固态下以外消旋体形式存在，但在溶液中通过添加手性二磺酸阴离子可选择性诱导单一对映体，实现手性光学活性调控。

关键数据支持：
- 动态核磁共振（¹H NMR）显示外消旋化能垒为16.4 kcal/mol，证实分子稳定性。
- 单晶X射线衍射解析了手性锁定状态下的非对映异构体结构。

二、技术路径：正交自组装与动态调控

研究团队采用多模板协同策略：
1. 同构去对称化：通过替换CBPQT⁴⁺环的联吡啶单元为苯基-吡啶单元，降低对称性并增强互锁选择性。
2. 动态响应机制：溶剂离子强度、pH及金属配位（如亚铜离子）可精准调控索烃的构象切换（图2）。例如，质子化状态下仅外围环可运动，而脱质子化后核心环参与动态重组。

此方法突破了高阶索烃合成的传统模板限制，一步合成效率高达72%，为复杂分子机器构建奠定基础。

三、应用前景：从分子机器到智能材料

该研究为以下领域带来革新潜力：
1. 靶向药物递送：利用手性可调特性开发选择性分子载体，例如识别特定离子（如亚铜/硫酸根）并触发释放。
2. 纳米传感技术：通过光学活性变化实时监测环境离子浓度，适用于生物样本检测。
3. 智能材料开发：动态构象切换可用于设计光响应材料或自修复聚合物。

四、国际合作与学术传承

此项研究由已故诺贝尔奖得主Fraser Stoddart教授领衔，联合香港大学、西北大学及上海科技大学等团队完成。Stoddart教授在分子拓扑学领域的开创性工作（如轮烷和索烃合成）为本次突破提供了理论基石。团队通过跨学科协作，整合超分子化学、计算模拟与晶体学分析，展现了基础研究与技术转化的深度融合。

研究意义与展望
港大团队的工作不仅实现了机械手性的精准控制，更拓展了索烃在分子机器和功能材料中的应用边界。未来研究方向可能聚焦于：
- 多层级机械互锁结构（如环状双[2]索烃）的高效合成；
- 利用AI预测索烃动态行为以优化设计；
- 探索手性索烃在不对称催化中的潜力。

此成果标志着超分子化学从结构设计迈向功能调控的新阶段，相关技术有望在10年内推动分子级智能系统的实际应用。

参考资料
: 支链[8]索烃动力学调控（Angew. Chem. Int. Ed., 2021）
: 机械手性索烃设计（Nature Synthesis, 2025）
: 手性诱导与调控机制（Nature Synthesis评述, 2025）
: 对称性分析与应用前景（Nature Synthesis, 2025）
: 离子响应型索烃开发（Nature Communications, 2024）
: 异[3]索烃合成新策略（Angew. Chem. Int. Ed., 2025）
: 双金属索烃抗菌应用（Angew. Chem. Int. Ed., 2024）

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