近日，华体会体育化学与化工学院吴彪教授和赵伟研究员在国际知名化学期刊《Angewandte Chemie International Edition》上发表题目为“Quantitative Formation of Octa-substituted Cyclobutanes by the [2+2] Photocycloaddition of Stiff-stilbenes”的研究论文。该论文的第一作者为华体会体育博士研究生孙小文。此项研究得到了国家自然科学基金，北京市自然科学基金和华体会体育青年教师学术启动计划等项目的资助及华体会体育分析测试中心的支持。

环丁烷，即四元环状化合物，兼具特殊的折叠型几何构象和较大的环张力，在天然产物、药物分子和高分子结构中广泛存在。因此，环丁烷衍生物的合成备受化学家的青睐；其中，光驱动的[2+2]环加成反应是合成环丁烷分子最直接、最常用的方法。当前的研究方法普遍侧重于四取代、六取代环丁烷衍生物的合成，相比之下，由于八个取代基存在而引入的大空间位阻限制，使得八取代（即全取代）环丁烷衍生物的合成充满了挑战。

为解决上述问题，在前期建立的阴离子配位驱动组装合成策略（ Acc. Chem. Res. 2022,  55 , 3218-3229;  Angew. Chem. Int. Ed . 2023,  62 , e202314510;  Angew. Chem. Int. Ed . 2024,  6  3 , e202406946）研究基础之上，吴彪教授团队首次利用刚性二苯乙烯（stiff-stilbene）的[2+2]环加成反应实现了一系列八取代环丁烷衍生物的高效合成。刚性二苯乙烯是一类明星光开关分子，得益于其差异性的几何结构、高效的异构化行为、合成易修饰的特点，在离子识别与传输、分子马达和超分子聚合物等领域应用广泛。然而，尚未有研究报道其能够发生[2+2]环加成反应。

图1 多氢键网络的阴离子配位驱动的刚性二苯乙烯[2+2]环加成。

为了“激活”刚性二苯乙烯单元之间的环加成反应，设计了一类末端为多脲基元或者氨基官能团修饰的刚性二苯乙烯类分子，硫酸根离子或草酸根离子能够诱导其形成2:2的复式配合物。在365nm紫外灯照射下，一分钟即可实现刚性二苯乙烯的定量环加成。单晶衍射证实其产物为八取代的环丁烷结构（CBSS），并通过紫外光谱、核磁、质谱等对环加成产物进行了系统表征。DFT理论计算证实，该类环丁烷具有较高的环张力（~20.1 kcal/mol）；热重分析和差式扫描量热实验发现其能够在180摄氏度下发现环裂解，伴随局部产物分解。然而，在313nm光照下，环加成产物能够可逆地转化为刚性二苯乙烯前体，没有产物分解。可逆的环加成和开环过程有望为设计响应型储能材料提供设计思路。

图2 刚性二苯乙烯双二脲配合物的[2+2]光环化反应历程。

通过研究其环加成机理发现：反式刚性二苯乙烯的硫酸根配合物可以在365nm的灯照射下，实现一步定量的[2+2]环加成。相比之下，顺式刚性二苯乙烯双二脲硫酸根配合物需要经历两步转化。顺式刚性二苯乙烯双二脲配体和硫酸根形成了1：1的配合物，在365nm紫外光照射下，顺式1：1的单螺旋配合物转变为2：2的复式配合物，随后进一步发生[2+2]环加成反应（图2）。硫酸盐离子可以形成具有4、6、8或12个氢键的柔性氢键网络，在此基础上，具有较少氢键给体单元的配体分子2和3同样能够在硫酸根离子配位作用模板下发生[2+2]环加成反应。

氨基官能团修饰的刚性二苯乙烯配体4则可以在草酸根阴离子模板下高效转化为四氨基取代的环丁烷分子（图3），通过单晶结构、紫外光谱、核磁和质谱进行了系统的表征。氨基官能团修饰的刚性二苯乙烯配体制备简单且易于合成后修饰。

图3 草酸配位驱动的氨基刚性二苯乙烯的固相[2+2]环加成反应。

综上所述，以上研究建立了一种以多氢键网络的阴离子配位作用为模板的八取代环丁烷的合成新方法，可逆的环加成和开环过程不仅为设计响应型储能材料提供了设计思路，其环丁烷分子能够作为分子骨架构建具有特殊功能的新分子和新材料。

原文链接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202421472

附通讯作者简介：

吴彪，北理工化学与化工学院教授，博士生导师，国家级领军人才。现任医药分子科学与制剂工程工信部重点实验室主任。原创性地发展了“阴离子配位超分子组装化学”学科方向，在JACS，ACIE等国际知名高水平期刊发表学术论文200余篇，科研成果获陕西省科学技术一等奖。研究方向为通过设计和合成阴离子配体、研究其配位性质，发展和完善阴离子配位化学理论，指导高级有序组装结构的精准构筑和功能控制。

赵伟，特别研究员，博士生导师。2020年7月加入北理工化学与化工学院，从事阴离子配位作用相关的超分子化学研究，包括配体分子的理性设计、结构调控及其在离子分离纯化等领域的应用。主持国家自然科学基金、北京市自然科学基金和北理工青年教师学术启动计划。近年来，授权国家发明专利2项，在国内外学术刊物上发表学术论文40余篇，包括 Science, Chem, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., CCS Chemistry 等。