基于吡啶N-氧化物的超分子组装及其机械互锁结构的合成

轮烷，索烃等机械互锁型分子是一种非常有潜力的新材料，可望在生物、医学、信息存储以及纳米器件等领域得到广泛应用。根据氢键作用、pai-pai堆积作用等非共价键相互作用的原理，首次将吡啶氮氧化物设计为主客体化学的线形客体分子。本项目将在以下三个方面开展研究工作：（1）系统研究吡啶氮氧化物线形分子与大环二酰胺主体的超分子组装与结构的关系；（2）探索吡啶氮氧化物与其他大环主体的相互作用及分子开关的研究；（3）以吡啶氮氧化物线形分子和大环二酰胺制备新型轮烷和索烃等机械互锁结构。该研究将为新型主客体分子及新材料的设计合成开辟一条新的途径。

主客体化学与分子自组装是当今化学学科的前沿研究领域之一。本课题根据分子识别和分子自组装原理，设计合成了一系列结构新颖的大环主体分子，系统地研究了他们的超分子组装行为及其超分子组装体的结构与性质。在主客体相互作用和可控分子开关研究方面取得了可喜的成果和新的重要进展。（1）合成了基于二酰胺的单环主体、阳离子型单环主体和三维结构的穴醚主体等7个新型大环化合物；（2）系统地研究了这些大环主体与5种类型20多个客体的络合作用与超分子组装行为，得到了8个络合物的单晶结构；（3）通过对比研究，探讨了单环二酰胺主体化合物的结构与络合能力的关系,结果表明阳离子型单环主体对吡啶氮氧化物客体有更强的络合能力；（4）具有三维结构的二酰胺穴醚主体化合物在氯仿中对菲啰啉类中性客体表现出优良的络合能力，其络合常数高达105，通过多重氢键协同作用和π-π叠加作用形成稳定的准轮烷结构；（5）通过溶液酸碱性的改变，可以调控二酰胺穴醚与菲啰啉/联吡啶络合物的络合与解离过程，建立了pH调控的新型分子开关；（6）通过系统的研究证实：二酰胺穴醚具有广谱的络合能力，除中性客体菲啰啉/联吡啶外，还能与阳离子客体（联吡啶盐）、阴离子客体（卤素离子、酸根离子）、吡啶氮氧化物以及溶剂分子（丙酮、乙腈和乙酸乙酯）形成包结络合物；（7）在机械互锁结构的合成方面也进行了探索，已合成2个索烃化合物，轮烷的合成也取得了一定的进展。. 这些研究成果丰富和发展了超分子化学的内涵，拓展了超分子组装的应用范畴， 对分子识别、新型轮烷和索烃的合成及相关分子机器的开发具有较好的参考价值。.本项目研究的部分结果已在国内外学术刊物发表研究论文10篇，申请发明专利1项；尚有6篇以上的论文正在整理撰写中。