9.2.1 大环与主客体体系
1.超分子主体的结构及识别性能
大环化学的发展奠定了现代超分子化学的根基，大环与主客体体系的研究依然是当今超分子化学与组装的重要方向。自20世纪60年代美国化学家Charles John Pederson偶然发现第一代超分子主体——冠醚以来[2]，种类繁多、功能丰富的超分子大环化合物及主客体体系被陆续报道出来。化学家对这些人工合成的超分子大环化合物的结构特点与主客体化学展开了研究，由此催生出超分子化学学科。一般认为，超分子大环化合物的发展大致经历了三个阶段，其标志分别是以冠醚为代表的第一代超分子主体、以环糊精为代表的第二代超分子主体及以杯芳烃为代表的第三代超分子主体的构建。新型超分子大环化合物的开发不仅极大地推动了超分子化学的发展，而且为构筑更复杂的超分子系统（如分子机器等）提供了重要载体和驱动力。2016年，在将主客体体系应用于超分子拓扑结构中做出开拓性贡献的让-皮埃尔·索瓦（Jean-Pierre Sauvage）、詹姆斯·弗雷泽·司徒塔特（James Fraser Stoddart）和伯纳德·费林加（Bernard L.Feringa）被授予了诺贝尔化学奖。
第一代超分子主体——冠醚是一种含有多个氧原子或硫、氮等原子的大环化合物，由于形似皇冠而得名。Charles John Pedersen在制备得到冠醚后发现，这种环状分子可以与钾、钠等金属离子形成稳定配合物。在此基础上，Jean-Marie Lehn进一步合成了具有三维空腔结构的穴醚，并且在总结了冠醚、穴醚等超分子主体与客体作用的规律后，为了对主客体化学及分子识别化学进行界定与融合，提出了“超分子化学”的概念，将其定义为基于分子组装体和分子间作用力的化学。
各种冠醚环因其空腔大小的差异性而对不同的金属离子具有不同的选择性，并且能在配合后将金属离子带入有机溶剂体系中，因此可以用作相转移催化剂。除了金属离子，冠醚环上的氧原子还可以通过多重氢键与有机阳离子客体（如各级铵盐、吡啶盐、联吡啶盐等）发生作用。
第二代超分子主体——环糊精（CD）是一种水溶性的环状低聚糖，常见的同系物α-环糊精、β-环糊精、γ-环糊精分别含有6个、7个、8个D-（+）-吡喃葡萄糖单元及依次增大的空腔。环糊精有亲水的表面和疏水的锥形空腔，可以在水溶液中通过强疏水作用配合多种中性客体。这种主体分子易于修饰、构象固定、毒性低，且其空腔具有手性。关于利用环糊精的各种特性并将其应用于功能体系的研究工作，下文会详细介绍。
第三代超分子主体——杯芳烃是由若干个苯酚单元通过亚甲基或杂原子（氮、氧、硫等）在羟基的邻位桥连形成的一种环状寡聚物，较常见的是（杂）杯[4]芳烃和（杂）杯[6]芳烃。相对于同样具有三维锥形空腔结构的环糊精，杯芳烃合成方便、空腔大小可调、易于在上下沿分别衍生，不仅可以在有机溶剂中识别离子，还能高效识别包括富勒烯在内的多种中性分子。
杯芳烃具有独特而丰富的构象，当缺乏对构象进行固定的结构或环境因素时，一般会通过苯环的翻转在锥式、部分锥式、1，3-交替式、1，2-交替式等几种构象之间快速转变。杯芳烃柔性的结构为其空腔的开发利用增加了一定的难度，因此人们发展了多种方法来克服这种构象不固定性，例如以具有足够位阻的基团来修饰上下沿，或者将刚性片段引入主体骨架中。但在一些例子中，这一特点反而会带来新的机会，例如与线性不对称的铵盐配合，由于客体上电荷中心两侧的基团对于杯芳烃的锥式构象具有不同程度的稳定作用，主客体配合时会产生高度的方位选择性，形成单方向准轮烷[12]。
葫芦脲（CB[n]，n为分子中甘脲片段的个数）由若干个甘脲片段与甲醛在酸性条件下缩合成环得到，具有相当刚性的结构，其衍生化相对于其他几种超分子主体较为困难。在其一系列化合物中，较受关注的是内径在6～9Å内的CB[6]、CB[7]和CB[8]。葫芦脲是一种三维对称的水溶性大环化合物，其结构上的特殊之处在于除疏水空腔以外，还具有由多个羰基环绕形成的两个极性端口，可以作为潜在的氢键或者离子-偶极相互作用位点，因此能在水溶液中与多种有机客体发生非常强的配合作用，尤其是兼具正电荷中心和疏水性芳环的客体。其中，CB[8]由于具有足够大的空腔，可以同时包结两个客体，特别是可以与CB[8]配合形成三元电荷转移复合物的分子，例如紫精与2，6-二羟基萘组成的客体对，这一特点使得CB[8]在构建超分子聚合物方面具有突出的优势。
2008年，Ogoshi等首次通过对苯二甲醚和多聚甲醛在Lewis酸催化下的反应合成了一种全新的超分子主体[13]。由于其具有对称的三维柱状空腔结构，因此被命名为柱芳烃，目前应用较广泛的是柱[5]芳烃和柱[6]芳烃。柱芳烃具有方便合成、易于修饰、识别性能丰富等特点，对铵盐、联吡啶盐等多种阳离子客体及烷基链都有很强的配合能力。通过向主体中引入羧酸盐基团等亲水基团，可以得到水溶性柱芳烃，其能在水溶液中包结多种阳离子客体。从结构上来看，柱芳烃具有平面手性，但是当主体两端取代基的位阻较小时，两种手性构象pS和pR会通过苯环的翻转在常温下互相转化，因此柱芳烃不表现出单一手性，通过在上下沿引入位阻因素则可以制动苯环的翻转，从而固定两种手性构象并进行拆分。
几种重要超分子主体的化学结构如图9-4所示。
近几年，很多特点鲜明的新型超分子主体陆续得到了开发，例如具有固定构象和拓展手性空腔的螺芳烃、具有冠状结构且识别性能丰富的冠芳烃、被用于构建耗散自组装水凝胶体系的分子管等。
图9-4 几种重要超分子主体的化学结构
2.超分子拓扑结构
由于各种非共价相互作用（尤其是主客体相互作用）的协同可以提供高度可控的预组织，研究者以此为基础尝试构建了多种具有不同拓扑结构的机械互锁体系，主要可以分为轮烷、索烃、分子结等（图9-5）。这些结构中都含有机械键，即利用机械力来限制不同组分的相对位置。严格来说，一旦两个或两个以上分子在非共价相互作用下组装成机械互锁体系的前体，继而被机械键锁在一起，它们共同构成的体系只能称作分子而不是超分子，但这类机械互锁分子（mechanical interlocked molecules，MIMs）仍然具有超分子体系的优势，即对于外界刺激的动态可逆响应，因此经常被应用于构建分子机器。
轮烷包含两个主要的组成部分，即大环和穿过大环空腔的轴，轴由于两端包含大位阻封端基而呈现哑铃状。轮烷的合成方法可以分为穿线-封端法、剪裁法、滑入法及活性模板法（图9-6）。
在简单轮烷的基础上，人们进一步构建了更复杂的结构，例如分子电梯、分子缆车、分子滑轮等。菊花链[图9-7（a）]也是一种特殊的轮烷，最早由Stoddart等设计合成。菊花链结构的特殊之处在于，当整个分子在外界刺激下发生各部分之间的相对位移时，会以伸缩运动的形式表现出来，可以看作简易的分子肌肉。将多个菊花链分子通过强非共价作用（如配位作用）连接起来，就可以实现伸缩量的放大[图9-7（b）][15]。
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图9-5 代表性的超分子拓扑结构示意图
图9-6 轮烷的合成方法示意图[14]
图9-7 利用菊花链分子构筑分子肌肉
（a）单个菊花链分子的伸缩运动；（b）借助强非共价作用连接多个菊花链分子
如果轮烷的两端不是以大位阻基团封端而是连接成环，得到的则是索烃。首例索烃是通过统计法来合成的（图9-8）[16]，两个组分之间不存在明显的非共价作用，仅依靠统计学概率随机缠绕并随着成环而互锁。这一事件发生的概率非常小，导致该索烃的收率不到1%。
图9-8 Wasserman等通过统计法首次合成索烃
为了增大两个组分相互缠绕的概率，Sauvage等设计了索烃的模板合成法（图9-9）。他们利用铜离子的配位作用将环状分子和线性分子组装到一起，成功将索烃的收率提高到27%[17]。
图9-9 Sauvage等通过金属离子模板法合成索烃
之后研究者发现，利用非共价相互作用，尤其是主客体相互作用，同样可以达到增大缠绕概率的效果。索烃的收率除了受到两个组分相互作用强度及关环反应效率的影响，还取决于线性分子的构象，待成环分子预组织的程度越高，合成索烃的效率也会越高。
人们在索烃的基本骨架上构建了具有更高级拓扑结构的体系，例如博罗梅安环、奥林匹克烷、大卫六角星索烃、所罗门结等，呈现出丰富的美感和结构复杂性。
在纽结理论中，结被定义为嵌入三维空间的圆圈，符合这一定义的分子体系（即分子结）最早在环状DNA和蛋白质中被发现，这些结构被证明与生命体内的细胞增殖、基因表达等活动密切相关。
与索烃类似，交叉点的存在代表了分子结的非平凡性，是其结构的本质特征所在。分子结的合成一般采用模板合成法，包括以金属离子为模板和以非共价相互作用为模板。最简单的非平凡性分子结是Sauvage等首次制备的三叶结（图9-10），具有三个交叉点[18]。这种结构无论如何拆解都不能与自身的镜像重合，因此具有拓扑手性。基于这一点，2012年，Sanders等利用疏水作用从手性构筑基元出发立体选择性地合成了右手性三叶结[19]。借助类似的合成策略，研究者还陆续合成了具有5个、6个、7个、8个、9个交叉点的分子结，甚至以金属离子为模板合成了共包含16个交叉点的分子结。
图9-10 三叶结中一对对映异构体结构示意图
这些拓扑结构除了在有机合成及仿生学领域具有重要意义，还可以应用于分子机器、发光材料、手性识别及不对称催化等多个领域。
