论文信息

传统的莫比乌斯（Möbius）拓扑分子大多局限于全共轭骨架体系，其合成过程需要精确控制分子扭曲并克服扭曲产生的环张力。本文以氢键芳香酰胺片段的延伸 π 平面作为拓扑边界，将对位连接的芳香单元作为“拓扑反转中心”引入骨架，促使大环产生 180° 扭转。借助分子内氢键的稳定作用，成功构筑了具备单重扭转莫比乌斯拓扑结构的芳香酰胺大环。晶体学分析与 LOL-π 计算证实了其单扭转形貌及贯穿整个骨架的电子离域特性。研究发现，当水分子团簇或氨基酸客体进入大环中心空腔，并竞争性破坏对位连接单元的分子内氢键时，大环能够在单重扭转的莫比乌斯构象与平面的休克尔（Hückel）构象之间发生完全可逆的拓扑切换，晶体结构及圆二色光谱（CD）结果为该过程提供了明确的证据。该工作构建了一个基于全酰胺键的莫比乌斯大环平台，为实现刺激响应性的莫比乌斯-休克尔构象调控提供了新思路。

图1 典型的莫比乌斯大环体系以及莫比乌斯芳酰胺大环。

背景介绍

莫比乌斯分子因其特殊的拓扑结构，受到学术界广泛关注。然而，人工合成的莫比乌斯分子主要是具有全共轭骨架体系的结构，例如莫比乌斯轮烯、碳纳米环、碳纳米带及卟啉等。在构建全共轭芳香莫比乌斯结构时，精确控制骨架扭转并克服扭转产生的环张力，易导致产率相对较低，难以高效制备从而限制了其功能应用探索。此外，在莫比乌斯结构体系中引入功能性结合位点，进而实现由主客体作用诱导的拓扑构象调控，目前仍极具挑战性。氢键芳香酰胺大环具有刚性且近平面的骨架，其空腔内部存在多个可作为客体结合位点的羰基氧原子。这使其成为探索动态拓扑转变、突破现有莫比乌斯分子功能局限性的理想平台。

研究亮点

拓扑结构设计：以对位连接单元（para-linker）作为“反转中心”，结合由氢键预组织的螺旋前体，在大环骨架中引入 180° 扭转，成功构筑了由局部三中心分子内氢键稳定的莫比乌斯芳香酰胺大环。

客体诱导的可逆拓扑切换：水分子团簇等客体进入空腔后，会竞争性破坏对位连接处的分子内氢键，促使该连接单元由反式向顺式重排，进而驱动大环在莫比乌斯构象与平面休克尔构象之间发生可逆切换。

主客体识别与手性光学输出：在以手性苯丙氨酸甲酯盐为客体的体系中，抗衡阴离子显著影响大环空腔内的结合模式与构象。Cl^- 与水分子的共包结倾向于诱导休克尔构象；而体积较大、弱配位的 BArF^- 体系则倾向于维持莫比乌斯构象，并产生显著不同的圆二色（CD）光谱响应。

图文解析

设计合成

大环分子（1a-1d）由氢键芳香酰胺五聚体前体（2）与对位连接的双酰氯片段（3a-3d）经酰胺缩合反应制备而成。成环的关键在于前体（2）在分子内氢键作用下预组织形成“新月形”折叠构象，其反应末端距离缩短至 9.7 Å，该结构有效促进了分子的环化反应。对比实验表明，缺乏有效氢键预组织效应的“S形”前体（4a）其两端距离达 24.1 Å，因几何构型严重不匹配而难以实现大环化。

图2 大环1a和1d的合成路线及其前体化合物分子结构。

晶体结构与莫比乌斯拓扑特性

X射线单晶衍射结果表明，大环 1a-1c 在固态下呈现单重扭转的莫比乌斯构象。其对位连接单元发生了明显的 180° 骨架扭转，并通过与相邻酰胺质子形成分子内氢键稳定了反式取向。此外，LOL-π（定域轨道定位函数）计算结果证实了大环骨架上存在全局的 π 电子离域，从电子结构层面验证了其莫比乌斯特征。

图3 大环1a-1c的莫比乌斯构象晶体结构及其LOL-π计算结果.

水簇介导的莫比乌斯-休克尔拓扑异构

当大环 1b-1d 在混合溶剂中缓慢挥发结晶时，析出了具有休克尔构象的晶体。以复合物 (H₂O)₄⊂1b 为例，晶体结构分析表明，四聚水分子团簇占据了中心空腔，与酰胺 NH 基团竞争结合位点，破坏了原本稳定莫比乌斯构象的分子内氢键。该竞争作用使对位连接单元从反式取向翻转为顺式取向。二维 ROESY 核磁共振谱图进一步证实了水分子与空腔内芳香质子之间存在相互作用（交叉峰）。张力分析（StrainViz）与 DFT 计算结果表明，当分子内氢键被削弱后，大环通过构象翻转释放张力，倾向于形成能量更低的休克尔构象。连续的加水与脱水实验证实，该莫比乌斯-休克尔构象转换过程具有良好的可逆性。

图4 大环1b与水分子作用后的晶体结构及其LOL-π计算结果.

手性客体识别与圆二色(CD)响应

实验进一步考察了该大环对不同手性客体的响应行为。当体系中引入 D/L-Phe-BArF 客体时，由于 BArF^- 阴离子体积庞大且配位能力弱，主客体复合物的主体骨架得以维持莫比乌斯拓扑结构，并检测到明显的诱导 CD 信号。反之，当引入 D/L-Phe-Cl 客体时，Cl^-及其配位水分子与氨基酸客体一起被大环共包结，诱导大环发生拓扑异构化并转变为平面的休克尔构象，此时体系的 CD 信号响应极弱。

图5 大环1b与具有不同阴离子的氨基酸甲酯盐的主客体作用诱导的CD信号响应.

总结与展望

本研究开发了一类基于酰胺键连接的莫比乌斯大环，揭示了局部分子内氢键在稳定莫比乌斯扭转构象、以及调控其与休克尔构象动态平衡中的关键作用。研究表明，水分子团簇或特定手性客体可通过形成分子间氢键，选择性地破坏主体分子内氢键，从而驱动大环在莫比乌斯与休克尔拓扑结构之间发生构象翻转。该工作拓展了人工合成莫比乌斯分子的结构类型，并为利用非共价相互作用实现动态拓扑构象调控提供了新的分子设计策略。

期刊介绍

Angewandte Chemie是全球化学领域最具影响力的顶级期刊之一，由Wiley出版，创刊于1887年，最新影响因子为16.9。