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柱[5]芳烃平面手性准[1]索烃的手性调控：机制、挑战与前沿应用

一、引言

1.1研究背景与意义

超分子化学作为化学科学与生命科学、材料科学、分子电子学、传感器等多学科交叉融合的前沿领域，自20世纪80年代以来取得了迅猛发展，成为化学领域的研究热点之一。超分子体系通过分子间非共价键相互作用，如氢键、范德华力、静电作用、π-π堆积作用和疏水作用等，组装形成具有特定结构和功能的复杂体系，极大地拓展了传统化学的研究范畴。这一领域的发展不仅为深入理解分子间相互作用的本质提供了新的视角，还为设计和制备具有独特性能的新型材料和分子器件开辟了新的途径。

轮烷与索烃作为超分子化学中极具代表性的机械互锁分子，因其独特的拓扑结构和动态性能，在分子机器、智能材料、药物传递、传感器等多个领域展现出巨大的应用潜力，成为超分子化学研究的核心对象之一。轮烷由一个环状分子套在一个哑铃状的线型分子上组成，其特殊的结构赋予了分子沿轴方向的长距离可逆滑动能力，这种分子运动特性在宏观材料性能上的放大和积累，使得基于轮烷的机械互锁聚合物（MIPs）兼具超分子聚合物的动态特性和共价聚合物的稳定性，在机械吸附、传感材料、3D打印材料以及药物传递等领域有着广泛应用前景。索烃则是由两个或多个互锁的大环分子组成，这些大环之间虽无共价键连接，但相互套锁形成稳定结构。索烃最引人注目的性质是其内部的环可以相互转动，若其中一个位置能由外界控制，即可形成分子开关。例如，通过大环金属配位生成的索烃，移除和再加入金属离子就能够控制环的自由移动。合成的索烃常引入氧化还原识别基团（如紫精和四硫富瓦烯）、光敏异构化基团（如偶氮苯）、荧光基团和手性基团等，这些基团的引入为控制分子开关、制作分子电子设备以及分子传感器等提供了可能。

柱[5]芳烃作为一类新型的多环芳香烃大环主体分子，具有由五个苯环连接而成的独特环状结构，其内部的空腔结构使其能够作为主体与多种客体分子通过主客体相互作用形成稳定的包合物。与其他传统大环主体分子，如冠醚、环糊精、杯芳烃等相比，柱[5]芳烃具有显著的结构和性质优势。首先，其合成方法相对简单，产率较高，有利于大规模制备和应用；其次，柱[5]芳烃对客体分子具有良好的选择性和结合能力，能够通过主客体相互作用精确识别和固定特定的分子；此外，柱[5]芳烃的化学修饰性强，可以通过对其苯环上的取代基进行修饰，引入各种功能性基团，从而实现对其性能的精准调控，以满足不同领域的多样化应用需求。

在超分子化学的研究体系中，柱[5]芳烃平面手性准[1]索烃是一类极具特色的化合物。准[1]索烃是一种特殊的索烃结构，其中一个大环分子部分穿过另一个大环分子，形成类似索烃的拓扑结构，但又不完全等同于传统的索烃。当柱[5]芳烃参与形成准[1]索烃结构时，由于其本身的结构特点以及分子间相互作用的复杂性，可能会诱导产生平面手性。平面手性是指分子在平面内由于原子或基团的不对称排列而具有手性的现象，这种手性特性赋予了柱[5]芳烃平面手性准[1]索烃独特的物理和化学性质，使其在超分子领域中占据重要地位。

手性在自然界和科学技术领域中广泛存在且具有至关重要的意义。在生命体系中，手性分子参与了众多生物过程，如蛋白质的合成、酶的催化作用、药物与受体的相互作用等，生物体内的手性环境对分子的活性和功能有着严格的选择性。在材料科学领域，手性材料具有独特的光学、电学和磁学性质，在圆偏振发光材料、手性分离材料、不对称催化材料等方面展现出潜在的应用价值。对于柱[5]芳烃平面手性准[1]索烃而言，深入研究其手性调控具有重要的科学意义和应用价值。通过手性调控，可以精确地调节其分子结构和性能，进一步拓展其在分子识别、手性分离、不对称催化、分子器件等领域的应用。例如，在分子识别方面，手性的柱[5]芳烃平面手性准[1]索烃能够利用其手性结构与手性客体分子进行特异性识别和结合，实现对手性异构体的高效分离和分析；在不对称催化领域，手性的柱[5]芳烃平面手性准[1]索烃可作为新型的手性催化剂或催化剂载体，为不对称合成反应提供独特的反应环境，提高反应的选择性和催化效率；在分子器件方面，手性调控后的柱[5]芳烃平面手性准[1]索烃有望应用于构建具有手性响应特性的分子开关、分子马达等分子器件，为分子电子学的发展提供新的材料和技术支撑。

1.2柱[5]芳烃平面手性准[1]索烃概述

1.2.1结构特征

柱[5]芳烃由五个对苯二酚醚单元通过亚甲基在苯环的对位连接而成，形成高度对称的环状结构，其苯环平面相互平行，呈现出规整的柱状形状，内部存在一个尺寸和形状较为固定的空腔，这种独特的空腔结构使其能够作为主体与多种尺寸匹配、形状互补的客体分子发生主客体相互作用，通