史炳锋课题组：对映选择性C-H活化构建兼具机械和大环面手性的手性轮烷

机械互锁分子（如轮烷和索烃）因其独特的拓扑结构和在分子机器领域的应用前景而备受关注。其中，手性机械互锁分子，特别是具有机械手性的轮烷，不仅为理解分子层次上的手性传递与调控提供了理想模型，更在手性催化、传感及先进功能材料领域展现出巨大潜力。然而，由于需要同时精准控制共价键与机械键的立体化学，其高效、高对映选择性的催化不对称合成一直是超分子化学与合成化学交叉领域的一项长期挑战。尤其是同时兼具大环面手性（Macrocyclic Planar Chirality）与机械面手性（Mechanical Planar Chirality）的复杂[2]轮烷体系，其异构体数量多、合成难度更大，至今仅有零星报道。

浙江大学化学系史炳锋教授课题组长期致力于惰性碳氢键精准催化转化研究（Personal Account: Acc. Chem. Res.2021, 54, 2750; Acc. Chem. Res.2025, 58, 971; Acc. Chem. Res.2025, 58, 1562; Reviews: Chem. Rev. 2026, 126, 768; Chem. Rev.2021, 121, 14957;Chem. Soc. Rev.2025, 54, 10856; Chem. Soc. Rev. 2019, 48, 4921; Trends Chem. 2022, 4, 220; Chem2022, 8, 384），近年来，课题组在丰产金属催化不对称碳氢键活化领域取得了系列进展 (Acc. Chem. Res.2025, 58, 971; Chem. Rev. 2026, 126, 768; Chem. Commun.2026, 62, 1745)。2022年，基于对金属钴配位模式的理解，课题组发展了新型Co(II)/Salox（salicyloxazoline，水杨基噁唑啉）催化体系，该新型催化体系采用廉价易得的二价钴盐作为催化剂和合成简便且方便改造的Salox手性配体，在体系中原位氧化生成八面体手性Co(III)催化剂，高效地实现了不对称碳氢键活化/环化反应，并成功地分离和表征了相应的八面体型Co(III)关键反应中间体，阐明了反应机理和立体选择性控制规律（Angew. Chem. Int. Ed.2022, 61, e202202892）。基于机理上的认知，团队在钴/Salox催化不对称碳氢键活化领域取得系列进展（Acc. Chem. Res.2025, 58, 971–990; Angew. Chem. Int. Ed.2022, 61, e202202892; Angew. Chem. Int. Ed.2022, 61, e202208912; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202210106; Angew. Chem. Int. Ed.2023, 62, e202218533;Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202302964;Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202304706;Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202310004;J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 24499; Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202318803; J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 15576J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 15576; Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202407640Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202407640; Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202412459; CCS Chem.2024, 6, 2783-2793; J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 10791; Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202506465; J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 45785; Angew. Chem. Int. Ed. 2026, 65, e9100826）。在以上研究基础上，团队近期报道了一种钴催化对映选择性C-H/N-H环化构建兼具机械和大环面手性的手性[2]轮烷的新策略。该工作以结构简单的手性Salox配体为手性源，通过C-H键活化直接在前手性轮烷的大环上构建面手性。同时，机械键作为“立体化学锁（stereochemical lock）”阻止了大环的消旋化，从而高效构建了一系列同时具有大环面手性和机械面手性的拓扑手性轮烷。该方法普适性好，可以适用多种底物类型、耐受多种官能团（40例，高达85%分离产率和99%对映选择性过量 [ee]）。研究团队通过脱保护去除大环面手性以及系统的圆二色谱（CD）分析，成功区分了轮烷分子中“大环面手性”与“机械面手性”的双重手性。此外，他们还与日本东京大学的Fujita（藤田）团队合作，创新性地采用第二代晶态海绵法（Crystalline Sponge Method）构建了“笼内轮烷”（Rotaxane-in-Cage）的新型多层次超分子拓扑结构，并且确定了该类复杂手性轮烷的绝对构型。

综上所述，该策略操作简便、立体选择性控制精准，为复杂拓扑手性分子的催化不对称合成开辟了全新的路径，有望推动机械互锁分子在手性功能材料与不对称催化领域的应用。该工作的另一亮点是构建了“笼内轮烷”的新型拓扑结构。这一研究不仅丰富了超分子拓扑化学的内涵，也为未来设计功能化的分子器件提供了新思路。

相关研究成果以“Constructing Chiral Rotaxanes with Both Mechanical and Macrocyclic Planar Chirality by Enantioselective C–H Activation”为题于近期发表在《Chem》期刊上。论文第一作者为浙江大学王炳捷博士；东京大学于毅宽博士与和玮博士负责“笼内轮烷”相关实验；姚启钧研究员、竹澤浩気副教授、藤田誠教授和史炳锋教授为共同通讯作者，浙江大学为第一署名单位。该研究得到了国家自然科学基金（22525011, U25A20547, U22A20388, 92256302）；教育部学科突破先导项目（JYB2025XDXM407）；日本AMED AIMGAIN（JP24zf0227103）；日本学术振兴会科研费（JP24H00054, JP23H01783, JPMJSP2108）等资助。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.chempr.2026.103211

供稿：史炳锋课题组

编辑：夏琦、邹尔纯

审核：陆展

终审：张曼华