Blue Box的历史、发展和展望

限域（confinement）是自然界的常见现象。我们体内的各种生物过程，如DNA复制、蛋白质合成和物质运输，都需要在细胞或囊泡的保护作用下进行。许多酶催化反应的专一性也源于酶活性位点对底物的特异性识别和包裹作用。受此启发，化学家一直希望通过人工合成制备形态各异的限域空间，以用于分子识别，中间体稳定，化合物分离和选择性转化等应用。从历史悠久的冠醚（crown ethers）、穴醚（cryptands）、球型大环（spherands）、坚果壳（carcerands）、环糊精（cyclodextrins）和葫芦脲（cucurbiturils），到近年发展的杯芳烃（calixarenes）、柱芳烃（pillararenes）、环蕃（cyclophanes）、碳纳米箍（nanorings）、分子盒（boxes）、分子笼（cages）和分子胶囊（capsules）等丰富的分子基元，分子容器（molecular containers）受关注的程度与日俱增。1987年的诺贝尔化学奖也因这一领域的重要性授予了三位有突出贡献的科学家（Jean-Marie Lehn，Charles Pedersen和Donald Cram）。

图1. Little Blue Box

美国西北大学Fraser Stoddart（2016年诺贝尔化学奖得主）课题组在Angewandte Chemie期刊上发表综述文章，系统总结了紫精对苯撑（cyclobis(paraquat-p-phenylene)）（俗称Little Blue Box）这一著名分子容器35年来的发展历程（图1）。作者借助研究实例，呈现了该分子容器在构建复杂机械互锁分子（Mechanically Interlocked Molecules）、分子器件（Molecular Electronics）和分子机器（Molecular Machines）中的独特优势，并对其未来发展做出了展望。论文的通讯作者为美国西北大学Fraser Stoddart教授、陈潇杨博士和浙江大学陈洪亮研究员。

图2. 将具有氧化还原能力的Blue Box用于构筑机械互锁结构

Blue Box由两个紫精（viologen）单元和两个对二亚甲基苯组成，是一类具有氧化还原能力的分子容器（图2）。在全氧化态下，由于紫精的缺电性，Blue Box对π电子给体有优异的结合能力。而在单电子还原态下，由于紫精自由基之间的吸引力，Blue Box对紫精自由基客体有极强的结合能力。通过对这两种价态的调节，Blue Box可以在这两种结合模式之间来回切换。这不仅是Blue Box能在许多分子器件中穿梭的基础，也是其得以在分子机器中单项运动的重要原因。

图3. Siegfried Hünig教授与Blue Box

提到Blue Box的发展历程，就不得不提及一位有机化学巨匠：Siegfried Hünig （图3）。Hünig教授的学术成就涵盖有机化学的方方面面。除了发明有机合成中常用的Hünig碱（即N,N-二异丙基乙基胺）外，他还深入研究了含紫精大环的合成和氧化还原性质。早在1983年，Hünig团队就率先报道了第一类紫精环蕃——紫精间苯撑（cyclobis(paraquat-m-phenylene)）。这篇开创性工作带给当时在英国Sheffield大学任教的Stoddart教授极大的启发。他设想，如果把连接两个紫精的间二亚甲基苯换成对二亚甲基苯，会不会形成一类全新的分子容器？这类容器中两个紫精的间距（7 Å）是否正好能和π平面小分子形成 [π•••π]堆积作用？这个大胆的猜测造就了1988年Blue Box的发现。

图4. 单电子还原状态的Blue Box

在随后的20年里，Blue Box被广泛应用于机械互锁分子的合成和分子器件的开发。然而当时人们并未意识到，Blue Box的潜力远不止于此。这是因为人们在探索Blue Box主客体化学时只利用了它的全氧化态，而其另一种状态——单电子还原态，却一直无人问津。2010年，Stoddart组的博士后Ali Trabolsi（现NYU Abu Dhabi教授）终于揭开了Blue Box另一半神秘的面纱（图4）。而令人出乎意料的是，Blue Box这一华丽的转身再次受到了Hünig工作的启发。在合成紫精间苯撑不久后，Hünig团队也对另一类间距更短的环蕃——紫精邻苯撑（cyclobis(paraquat-o-phenylene)）进行了深入研究。他们发现，在还原状态下，紫精邻苯撑的两个紫精自由基（间距大约为3.0 Å）具有极强的相互吸引力（图4）。而间距较长（5.0 Å）的紫精间苯撑则没有观察到这样的现象。Trabolsi设想，有没有可能Blue Box在还原态下也能和溶液中游离的紫精自由基形成短程夹心结构？实验结果不仅证实了他的猜想，同时也揭示了第一类由自由基相互作用诱导形成的主客体复合物。

图5. 利用Blue Box的氧化还原性质合成单向运动的分子机器

如今，人们不仅能用Blue Box与紫精自由基的复合物合成新型机械互锁分子，还可以通过调控其氧化还原态合成单向运动的分子机器（图5）。这是因为尽管在还原状态下，Blue Box和紫精自由基有强吸引力，但在氧化状态下，Blue Box却与氧化的紫精有非常强的库伦排斥力。这两种状态切换产生的高势能差为分子机器的运转提供了强大的驱动力。

35年以来，Blue Box已经从一个简单的分子容器演变成许多机械互锁结构、分子器件和分子机器中不可或缺的部件（图6）。这一切的实现都离不开Hünig教授在紫精材料领域革命性的工作。在Hünig教授100岁生日之际，作者谨向这位伟大的有机化学家致敬。

图6. Blue Box 35年发展历程