作为兼具结构复杂性与美学艺术性特点的拓扑，分子Borromean链因其由三个环相互穿插形成，但是任意两个环之间不存在互锁的结构特点，吸引着来自于不同学科的研究学者。其中，在合成化学的领域中，研究人员通常利用分子环作为构筑分子Borromean链的基本单元，但是利用分子笼作为基本单元来构筑这一拓扑结构的报道却很少。

2025年1月14日，复旦大学金国新教授研究团队基于配位超分子自组装提出了一种“从下而上”的构筑策略，通过巧妙地设计与合成含有冠醚基元的四齿吡啶配体，结合具有特定尺寸的双金属构筑单元，成功实现了由三个配位超分子笼穿插互锁形成的分子Borromean链。

相关研究成果“Synthesis of molecular Borromean links featuring trimeric metallocages”发表在Nature Synthesis期刊上。论文通讯作者是金国新教授，第一作者是张海宁博士。

图1：分子环（A）以及分子笼（B）为基本单元的分子Borromean链。

在拓扑学中，Borromean链一般指由三个相对独立但相互交错的环组成的拓扑结构，其中任何两个环之间都没有互锁（图1）。这一结构特征意味着其中一个环的断开会导致剩余两个环的完全分离。一直以来，在分子水平上构建具有结构复杂性和美学艺术性的拓扑结构被视为合成化学领域的一项挑战。1997年，Seeman教授课题组用DNA合成分子Borromean链的开创性工作则启发了化学家们思考如何利用化学手段合理地构建这类拓扑结构（Nature 1997， 386, 137-138）。2004年，Stoddart教授课题组巧妙地利用过渡金属离子ZnII作为模板来实现非DNA分子组分分子Borromean链的合理设计与构筑（Science, 2004, 304, 1308-1312）。不同于上述纯有机骨架类型的分子Borromean链，2013年，金国新教授研究团队通过利用配位和非共价相互作用的共同驱动自组装，以配位超分子大环作为基本单元，实现了具有有机金属骨架类型分子Borromean链的可控合成，并总结了适用于构建此类拓扑结构的设计策略（J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 8125-8128; Chem. Rev., 2020, 120, 6288-6325）。

然而，在当前的研究领域内，研究人员虽然目前已经成功利用分子环作为基本单元来构筑分子Borromean链，但是如何利用分子笼作为基本单元来构筑这种拓扑结构的科学问题并未得到有效的解决。为此，金国新教授研究团队期望从该类拓扑结构的特点入手，结合配位超分子化学的研究基础，开发用于实现利用分子笼构筑分子Borromean链的合成策略。

图2：（A、B、C）分子Borromean链的结构分析。（D、E）构筑单元的选择以及分子笼的设计。（F）分子Borromean链的合成路线。

从目标结构分析出发，作者发现用于构筑这种分子Borromean链的分子笼的尺寸方面需要满足一定的要求，具体来讲，就是分子笼的长，宽与高之间具有一定的尺寸匹配关系（图 2）。基于此，作者在选择双金属单元的基础上，设计与合成了尺寸符合要求的四齿吡啶配体，其中冠醚基元的引入是为了给该配体引入一定的柔性，充分发挥自组装过程中构筑组分在自我纠错方面的优势。结合晶体学分析的结果，作者发现上述构筑组分确实可以实现由三个分子笼互锁而成的分子Borromean链（图3）。根据独立梯度模型分析的结果，作者发现存在与构筑组分之间的芳环堆积以及弱氢键作用是该结构形成并能稳定存在的重要原因（图4）。

图3：分子Borromean链的晶体学结构分析。

图4：分子Borromean链的独立梯度模型分析。

这项工作中使用配位超分子笼构建的分子Borromean链不仅丰富了分子Borromean链家族的种类，而且作者所提出的这种“自下而上”合成策略为设计和合成更复杂的架构提供了FC碰碰胡老虎机法典-提高赢钱机率的下注技巧的启示。

该工作得到国家自然科学基金委（22031003，21720102004，22301040）、中国博士后基金会（BX20220092）、上海市科学技术委员会以及上海市人力资源和社会保障局（2022736）的项目支持，金国新教授感谢德国洪堡基金会所授予洪堡研究奖的鼓励与认可。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s44160-024-00720-4