多组分、多作用的超分子自组装及组装动态过程研究对于揭示物质多层次构筑的内在规律和在分子水平上加深对生命体的认识具有重要意义。但如何通过多层次、多级分子协同自组装的方法构筑具有复杂拓扑结构的功能超分子体系是一项具有挑战性的工作。

利用分子间弱相互作用的加合性、协同性和选择性进行巧妙设计可以克服这一挑战。杭州师范大学李世军教授的课题组近年来致力于多组分协同自组装研究，通过系统深入探究，实现了一系列复杂有序分子组装体的精准构建，在新型卟啉类大环主体合成与主客体识别、机械互锁结构高效组装制备与手性自组装等方面取得了系列创新成果。

环状多卟啉化合物因模拟自然界中环状排列的叶绿素光捕获系统而具有良好的光电转换等应用前景，但其合成难度非常大。该课题组通过金属卟啉与吡啶基团的轴向配位作用为模板形成多组分预组织结构，再利用烯烃复分解反应高效地合成了由柔性链连接的具有复杂拓扑结构和三维空腔的笼状和环状多卟啉化合物 (图1)，并通过微量热滴定、紫外、荧光等研究发现环状三卟啉和六卟啉化合物对C₆₀和C₇₀具有高效的络合能力，络合常数最高达到3.3 × 10⁶ M⁻¹。相关成果发表在国际顶尖化学期刊J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 15126上；并应邀为ChemCommun “Host–guest chemistry” web themed collection撰写该领域综述发表在Chem. Commun. 2016, 52, 10205上。

图1. 笼状与环状多卟啉分子的模板导向合成示意图

机械互锁结构是一类结构和性质独特的超分子实体，由两个或两个以上组分在没有任何共价键连接的情况下互锁而组成的，在分子机器等领域具有重要应用。在该研究领域中的一个重要焦点问题是如何能实现它们的高效制备。李世军课题组与美国犹他大学Peter J Stang教授课题组合作，采用冠醚主客体化学和金属配位驱动自组装的正交组合策略，在多种非共价键作用的协同下，采用4种不同的化合物共10个组分自组装高效制备了一系列动态[3]索烃（图2），由多达18个组分高效地制备了具有复杂拓扑结构的分子项链，为机械互锁结构制备提供了一种高效的新方法，并实现了[3]索烃的酸碱调控可逆分子机器运动。该课题组还开展了多组分手性自组装研究，以具有可变配位角度的手性BINOL二羧酸衍生物为配体进行配位驱动自组装，选择性地得到了一系列二维、三维离散型手性组装体（图3）。相关成果发表在J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 2084; J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 5908; J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 11896; Org. Lett. 2015, 17, 2804; Macromol. Rap. Commun. 2016, 37, 1540; Chem. Sci. 2016, 7, 4594上。

上述系列工作得到浙江省自然科学基金重点项目（LZ16B020002）和国家自然科学基金（21072039和21572042）的资助。

图2. 多组分自组装[3]索烃示意图及其单晶X衍生结构

图3. 基于BINOL的多组分选择性手性自组装