分子笼在新型含能化合物制备中的应用进展

郭松松，丁可伟，卜建华，屈晨曦，刘红利，张 敏，葛忠学

（西安近代化学研究所，陕西 西安 710065）

1 引言

追求能量水平更高、综合性能更优的含能化合物是含能材料研究发展永恒的目标。随着含能材料的发展，颠覆性含能材料［1-6］日益成为这一领域的研究热点。在颠覆性含能化合物中存在不少由高张力键或高能化学键构成的化合物，由于蕴含大量的键能，这类化合物往往存在成键困难、稳定性差等问题，如N4立方烷（TdN4）尽管理论上早已预测其具有优异的性能，但到目前为止TdN4的研究仍局限于探索阶段［7］；五唑环结构是构成全氮结构的重要结构单元，虽已获得样品［8-12］，并初步开展了应用基础研究［13-14］，但存在着成环效率不高［15］、难衍生化［16-17］等问题。因此，亟须开发出新思路、新方法以应对上述挑战。

分子笼是一类具有三维笼状结构的分子，能够容纳其它分子且不会坍塌。它由有机分子单独或者与金属阳离子等通过自组装形成。分子笼的限域空腔结构中往往存在着大量的氢键、离子键、π⁃π 堆积等弱相互作用，使其不仅可以强化物理化学过程，如增浓作用、疏水作用、稳定作用等［18-19］；还可以诱导主⁃客体化学催化反应。在过去30 多年里，分子笼在稳定活性组分、分子识别、催化反应等领域取得了卓越的成就［20-28］，已成为超分子化学领域的重要研究方向，如近期美国印第安纳大学的Flood 课题组［23］设计、合成了富含极化C─H 键的分子笼，实现了对氯离子的高度特异性识别和捕捉，为海水淡化、废水再利用等提供了新思路、新策略。

含能材料科学家也将分子笼引入到了含能材料领域，以期达到“他山之石可以攻玉”的效果［24］。利用分子笼空腔内大量的弱相互作用、“限域效应”、可传输电子等特性，改变了环加成反应路径，提高了唑类化合物的合成效率［25］，制备了N8⁃类化合物［26］。此外，分子笼还可以用于检测传统探测方法难以捕捉的非芳香类爆炸物，实现对其痕量、快速的检测［27］。研究以分子笼在新型含能化合物制备中的功能为主线，对近些年关于分子笼在含能化合物制备中的应用进行了综述，探讨了反应过程中反应物与分子笼间的作用机制，希望能为TdN4等新型含能化合物的合成、稳定化提供一种新的研究思路。

2 分子笼作为“分子容器”

2.1 高张力笼状化合物的“防火墙”

高张力笼状化合物由多个张力环稠合而成，通过键长、键角的形变将内能贮存在分子中，一旦分子中某根化学键被打破，整个分子就很快破碎释放出很大的能量［28］，因此这类化合物具有很高的燃烧热值。四面体白磷分子（P4）就是一种重要的高张力笼状化合物。在P4分子中，P─P 键的夹角为60°，张力较大，使得P─P 键极为脆弱，键能大约200 kJ·mol-1［29］；与此同时，在P4的氧化产物中P⁃O 键很强，其键能为330～650 kJ·mol-1［30］，但白磷在空气中极易猛烈自燃，极大的限制了相应的应用研究。因此，白磷稳定储藏及可控释放是人们关注的一个热点。

2009 年，英国Nitscheke 课题组［31］利用2⁃吡啶甲醛1 与二元胺类化合物2 衍生的席夫碱和FeSO4通过自组装，形成四面体空腔结构3，利用该结构作为分子笼成功实现了空气中白磷分子的稳定化，拉开了这类研究的序幕。当3 的水溶液接触到白磷固体时，会立刻吸收白磷分子形成P4@3 分子笼复合物（Scheme 1），这种P4@3 分子笼复合物不仅具备一定的水溶性，而且可以在空气中稳定暴露4 个月。进一步研究发现白磷的体积小于分子笼3 的内腔体积，白磷氧化物的体积大于分子笼3 的内腔体积，正是凭借这种“尺域效应”分子笼3 抑制了白磷分子的氧化反应。当向P4@3 分子笼复合物溶液中加入苯后，白磷分子会被释放出来，继续与氧气、水反应生成磷酸。

2017 年，浙江大学李昊课题组［32］利用多元胺4、多元醛5 设计、合成了有机分子笼6，首次实现了纯有机电中性分子笼6 对不稳定客体分子P4的包结和稳定化。研究发现在形成P4@6 复合物时，反应溶剂分子会与白磷分子竞争，只有选取本身尺寸大于分子笼空腔体积的溶剂，才能保证白磷分子与分子笼6 形成P4@6复合物（Scheme 1）。这些规律都将为以后设计、合成“分子笼”用于超分子催化和化学反应、不稳定中间体的结构鉴定等奠定基础。

Scheme 1 Synthesis of tetrahedral cage 3，6 and subsequent incorporation of P4［31-32］

同年，西北大学吴彪课题组［33］通过多取代苯7 与磷酸根的诱导自组装形成四面体阴离子分子笼8，并利用这种阴离子型分子笼对P4进行了封装，稳定性测试结果发现经过封装处理后的P4（Scheme 2）在空气中、光照下都可以稳定存在。通过向反应体系中加入酸或碱可使分子笼8 可控的释放P4分子，从而达到对P4参与的反应进行调控。值得一提的是，这一体系也适用于四面体As4分子。进一步结合计算化学研究发现反应动力主要来自两方面：（1）主客体的尺寸匹配效应，计算表明分子笼8 空腔为229 Å3，P4、As4体积计算结果分别为124 Å3和140 Å3；分子笼8 中含有多个芳香环，与P4、As4可形成大量的σ─π 和LP─π 键，从而增强复合物的稳定性。

与四面体P4、As4类似，N4立方烷（TdN4）也是一种高张力笼状化合物，而且量子化学计算预测：TdN4加速金属的能力是HMX 的3 倍，若作为推进剂使用比冲约为430 s，具有优异的应用前景［34］。但是TdN4稳定性很差，到目前为止还没有成功获得稳定的TdN4的报道［35］。正如上文所述，既然分子笼可以稳定四面体P4、As4等高张力笼状化合物，N、P、As 同族，P4、As4与N4结构也类似，都为四面体。于是，西安近代化学研究所刘英哲［36］等以四面体3 为分子笼，开展了分子笼中TdN4稳定性的理论研究。发现TdN4@3 比分子笼3具有更好的动力学稳定性，水做溶剂时有利于分子笼3 封装TdN4。此外，他们还分析了相应过程中的结构变化和主要驱动力，阐明分子笼3 储存及可控释放TdN4的作用机理，这些都将为全氮材料的合成、能量储存及可控释放提供理论基础与依据。

2.2 高活性中间产物的“稳定剂”

分子笼除了利用特定“尺寸效应”稳定高张力化合物外，还可以结合静电作用力捕获、稳定一些特殊结构，例如高活性反应中间体。1995 年，Fujita 课题组［37-38］发现在金属有机分子笼9 的稳定下，极易分解的环状三聚硅醇11 在100 ℃下都可稳定存在（Scheme 3）。近日，郑安民等研究小组［39］利用类似的策略在室温下成功的实现了高活性物种碳正离子的稳定化、表征及动态演变过程的捕捉，为其它高活性物种的表征、监测提供实验和理论指导。

Scheme 2 Illustration of the assembly of tetrahedral anion cages 8 and their encapsulation of white phosphorus（P4）or yellow arsenic（As4）［33］

芳基五唑是目前全氮化合物的研究热点N5离子盐［8-14，40-43］的重要中间体，但是该类化合物稳定性极差，需要在低温下合成、保存，给后续去芳基化研究带来很大不便［44-46］。本研究小组等将分子笼引入到了芳基五唑的稳定化研究中，发现环四磷腈类化合物与Ag+、Co2+、Ni2+等金属离子形成的分子笼对N，N⁃二甲基苯基五唑有稳定作用。

北京理工大学张汝波教授［47］等将葫芦脲、碳纳米管、环糊精等有机分子笼引入到了芳基五唑稳定化研究中，在弱作用力下，N，N⁃二甲基苯基五唑13与β⁃环糊精等分子笼形成主客体复合物14（Scheme 4）。通过NMR、差示扫描量热仪（DSC）等对N，N⁃二甲基苯基五唑@β⁃环糊精等复合物进行表征、测试，发现N，N⁃二甲基苯基五唑13芳环上氢的化学位移向高场移动；分子笼对N，N⁃二甲基苯基五唑13 有稳定作用，其中β⁃环糊精效果最佳，热分解温度由56℃增长到89 ℃［47-48］（如图1）。进一步理论计算表明：促使芳基五唑进入β⁃环糊精的主要动力是氢键、CH─π 和特殊的Csp2─H…H─Csp3等弱作用力；芳基五唑进入分子笼后，分解能垒变高，芳基五唑变得更加稳定（如图2）。虽然该工作仅研究了分子笼对N，N⁃二甲基苯基五唑稳定化及作用机制，但作者同时从理论和实验两方面证明了分子笼可以稳定芳基五唑，将为苯基五唑［49］、4⁃羟基苯基五唑［50］、3，5⁃二甲基⁃4⁃羟基苯基五唑［8］等N5阴离子盐前体的芳基五唑的稳定化提供重要指导。

图1 （a）芳基五唑13 的DSC 谱图；（b）芳基五唑@β⁃CD 14的DSC 谱图［47-48］Fig.1 （a）DSC plots of the aryl pentazole 13；（b）DSC plots of the aryl pentazole@β⁃CD 14［47-48］

图2 在游离态（黑色）和B3 束缚态（蓝色）的初步分解能量谱研究［47］Fig.2 The selected energetic profiles for the primary decom⁃position of the aryl pentazole in the isolated（in black）and B3 bound states（in blue）［47］

Scheme 3 Stabilization of trialkoxysilanes within molecular cage 9 in water

Scheme 4The synthesis and stabilization of pentazo⁃late@β⁃CD

2.3 痕量含能化合物的“检测器”

分子识别是超分子化学研究的基础内容，也是分子笼的重要特性。通过在分子笼内腔引入氨基、羟基等官能团，可实现分子笼对特定分子的高效识别与检测［23，51］。2012 年，崔勇课题组［52］利用吡啶修饰的Salan手性配体15 与ZnCl2一锅法组装形成具有多孔结构的螺旋体分子笼16（Scheme 5）。这种螺旋分子笼16 在溶液中可以对D/L⁃丙氨酸进行手性识别，选择性因子可达3.69（如图3）；进一步研究表明这种高度识别作用来源于分子笼16上裸露的氨基及其本身的刚性。

图3 （a）用D⁃Ala（1 X 10⁃3 M）滴定（R）⁃16（1.0 X10⁃5 M in THF）的荧光增强；（b）用L⁃Ala（1 X 10⁃3 M）滴定（R）⁃16（1.0 X10⁃5 M in THF）的荧光增强；（c）（R）⁃16 与D⁃Ala、L⁃Ala 的Benesi⁃Hildebrand 图［52］Fig.3 （a）Fluorescence enhancement of（R）⁃16 upon titration with D⁃Ala；（b）Fluorescence enhancement of（R）⁃16（1.0 X10⁃5 M in THF）upon titration with L⁃Ala（1 X 10⁃3 M）；（c）The Benesi⁃Hildebrand plot［52］

含能材料科学家也将分子笼的这一特性应用到了含能化合物的检测中了。2015 年，李广涛教授课题组［27］将金属分子笼（Cu⁃MOP）与离子体基板进行结合，在溶液相中实现了对痕量的RDX、HMX 等脂肪族硝基爆炸物的高灵敏探测，机理如图4 所示。基于实验和密度泛函理论，作者认为在传感器对爆炸物识别过程中，分子笼不仅可以依靠尺寸效应赋予传感器较好的选择性，还可以利用其空腔中存在的氨基和铜离子簇同时赋予分子笼电荷转移和布朗斯特酸⁃碱相互作用，进而大大增强主⁃客体之间的相互作用，提高该传感器的灵敏度。这种策略为未来爆炸物的检测提供了新思路和发展方向，具有重要的意义。

图4 （a）带有可捕捉单分子炸药所需的内环境的MOP 笼的合成；（b）MOP 修饰的离子体基板的炸药传感器构建［27］Fig.4 （a）The synthesis of the MOP cage with desired inner environment for single⁃explosive molecule capture，and（b）the construction of the MOP⁃decorated plasmonic substrate for explosive sensing［27］

3 分子笼作为纳米反应器

3.1 分子笼作为反应速率的“加速器”

当分子笼加入到反应体系时，反应物可以进入分子笼的空腔中形成复合物。这种复合物的寿命可达数毫秒至数秒，足够完成绝大多数的反应，从而使得反应物在分子笼中的浓度高于均相溶液中的浓度，进而极大的提高反应速率［22］。

1997 年麻省理工学院的Rebek 课题组［53］报道了利用分子笼加速Diels⁃Alder 反应。对苯醌18 和环己二烯19 反应一周，利用NMR 表征反应体系发现无明显产物生成。当加入分子笼17［54］（Scheme 6）后，反应速率提高200 倍。分子笼的空腔尺寸、反应物浓度等动力学计算表明分子笼对反应物的富集作用促使了反应速率的提升。

Scheme 5 Assembly of helicate cage 16

分子笼除了通过上述富集作用提高反应速率外，还可以利用其腔体中大量非共价作用对活性中间体起到稳定作用，进而提高反应速率。2010 年Raymond课题组［55］合成了Ga4L6阴离子型（带12 个负电荷）分子笼21，在分子笼21 的催化下成功的实现了叔醇22的Nazarov 环化反应（Scheme 7）。与不加分子笼21相比，反应速率提高了二百多万倍。研究表明这种高的催化活性是由于叔醇分子22 在负电荷的包围下更容易质子化，且质子化反应后的阳离子中间体23 受到阴离子分子笼21 的稳定，寿命延长从而促进下一步环化反应的进行，最终大幅度提高反应速率。

2013 印度北马哈拉施特拉大学Dalal 课题组［56］将分子笼引入到四唑类化合物的合成中。发现在β⁃环糊精（β⁃CD）的催化下，腈25 与叠氮化钠26 间的［3+2］环加成反应时间可以由8 h 缩短至0.75 h（Scheme 8），而且分子笼β⁃CD 可以被多次重复利用催化效果不受影响，从而使得四唑类化合物27 的合成变得更加高效、绿色。利用核磁等手段对该反应机理研究发现：β⁃CD 的加入不仅可以对腈25 与叠氮化钠26 有富集效应，还可以通过与腈类化合物25 间的氢键作用使其更加极化，更利于叠氮化钠的进攻，从而提高反应速率，完成四唑化合物的高效构建。

Scheme 6 The Diels⁃Alder reaction catalyzed by the 17［53］

Scheme 7 The mechanism of the Nazarov cyclization catalyzed by the Ga4L6

Scheme 8 The［3+2］dipolar cycloaddition of azide and ni⁃trile catalyzed by β⁃CD［56］

3.2 分子笼作为反应路径的“搬道工”

分子笼不仅可以利用其纳米尺寸化学空间强化增浓作用、稳定作用、协同作用等物理化学过程以提高反应速率，还可以改变反应中间体的结构，从而改变反应路径，获得新结构。

2006 年，日本Fujita 教授［57］发现在M6L4分子笼9的催化下，蒽28 和马来酰亚胺29 在进行D─A 反应时，主要发生在末端1，4⁃位而不是通常的9，10⁃位［58］，并且反应速率得到了提高（Scheme 9）。通过深入研究发现：出现这种新奇现象是因为分子笼通过“笼效应［22］”拉近了双烯体蒽28 和亲双烯体马来酰亚胺29的1，4 位间的距离（约为0.38 nm 左右，与范德华半径之和相当），疏远了马来酰亚胺29 与蒽28 的9，10 位间的距离（约0.47 nm）。因此，反应所得产物以1，4⁃加成产物30 为主。

由于分子笼具有上述改变反应选择性的功能，而在构建唑类多氮化合物时经常会遇到反应选择性不高等问题，因此含能材料科学家也将分子笼的这一特性引用到唑类化合物的合成中了。

三氮唑类化合物，作为一种重要的多氮化合物，不仅在含能化合物中有着重要的地位［59-60］，还广泛应用于药物化学中［61］。合成三唑类化合物最直接高效的方法就是利用炔32 和叠氮试剂33 进行Huisgen⁃偶极环加成反应，但是该反应的选择性低，几乎会得到1∶1的Z/E 两种构型的三氮唑类化合物（Scheme 10）［62］。为了解决这一问题，Mock 小组等［63⁃64］在1989 年就将“分子笼”的概念引入到了炔36 与叠氮试剂37 间的1，3⁃偶极环加成反应中，以葫芦［6］脲（CB［6］）作为分子笼，成功的实现了单一构型的三唑类化合物的合成。通过对炔36、叠氮试剂37 和CB［6］的尺寸研究，作者发现：产物的专一性正是由于葫芦［6］脲的腔体空间限制作用选择的；反应效率的提高不仅因为葫芦［6］脲对反应物36、37 的富集作用，更因为葫芦［6］脲的腔体作用克服了反应的熵约束，活化了底物。2008 年Maseras 小组等［65］利用计算化学方法研究葫芦［6］脲内叠氮化物与炔之间的1，3⁃偶极环加成反应时，也证实了这一结论。2002 年，J. Chen 和J. Rebek 等［25，54］利用圆柱形氢键键合的分子笼作为“纳米反应器”，可以提高苯乙炔与苯基叠氮反应速率3000 倍。

Scheme 9 （1）9⁃hydroxy⁃methylanthrancene（28）and N⁃cyclohexylphthalimide（29），within cage 9 and the subsequent Diels⁃Alder reaction leading to syn isomer of 1，4⁃adduct 30 within the cavity of 9；（2）The Diels⁃Alder reaction of 9⁃hy⁃droxy⁃methylanthrancene（28）and N⁃cyclohexylphthalimide（29）without the cage 9

Scheme 10 The［3+2］dipolar cycloaddition of azide and acetylene catalyzed by the molecular cage［62，65］

氨基五唑作为构建全氮化合物的重要结构基元，通过简单的衍生化就可以合成具有特殊性质的全氮含能物种［40］。2010 年长春应化所廖伍平课题组［16］报道了叠氮化钠的环加成反应，首次实现了氨基五唑结构的稳定合成。以叔丁基⁃硫杂杯［4］芳烃（H4TC4A）、叠氮化钠、醋酸钴为原料，通过溶剂热一锅法可制得了三种不同结构的超分子笼晶体结构（如图5），其中结构1（［Co4（TC4A）（N3）4（N6H2）⁃（CH3OH）］（CH3OH）2）和结构2（［Co8（TC4A）2（N3）2（N6H2）2（CH3COO）4（CH3OH）4］⁃（OH）2（CH3OH）4）中都含有氨基五唑环结构；结构3（［Co10（TC4A）4（N3）4］（CH3OH）4）是叠氮离子与钴离子形成桥式配位结构。随后西安近代化学研究所卜建华［66］等以杯芳烃类化合物为分子笼，开始了溶剂热法合成氨基五唑类化合物的研究，得到了类似的结果。经过进一步研究他们还发现［67］在该溶剂热反应过程中，氨基五唑结构单元是动力学控制产物，叠氮结构单元是热力学稳定产物。并且通过调控分子笼上活性金属离子与叠氮化物的摩尔比及反应时间，实现了结构3［Co10（TC4A）4（N3）4］⁃（CH3OH）4的纯相超分子晶体合成。

图5 不同反应时间下合成的产物的XRD 谱图与单晶模拟的结构1～3 的XRD 谱图对比［67］Fig.5 XRD patterns of samples obtained in different time in comparison with the simulated XRD pattern of structure 1-3［67］

由于合成芳基五唑的中间体存在空间选择性，导致其目前的合成效率不高。因此，西安近代化学研究所郭松松等［68］也将分子笼引入到芳基五唑的合成中。利用环糊精、葫芦脲等分子笼的特殊空腔改变重氮盐与叠氮间环加成反应中间体的Z/E 比，进而实现芳基五唑的高效合成。经过初步对分子笼的筛选，发现环糊精、葫芦脲等作为分子笼与芳基五唑有较强的相互作用，紫外光谱表现“红移”［68］，可以改变芳基五唑的收率。

3.3 分子笼作为反应的“电子传递员”

分子笼除了利用其空腔效应、氢键等活化客体分子，改变反应路径外，还可以通过其结构上的特殊位点向客体分子传递电子，引发客体分子间发生反应。

2016 年，苏成勇课题组［69］利用金属Pd 和Ru 为连接点与N 杂原子配体配位自组装构筑金属八面体笼MOC16 作为催化剂，成功的催化了水分子的光解。在反应过程中，金属Ru 作为光敏剂，在光照条件下，诱导面上配体电子转移给顶点金属Pd，Pd 将电子转移给水分子，此时Pd 作为催化剂，加速水光解产氢。紧接着，他们又利用类似的原理实现了萘酚及其衍生物的光催化偶联反应［70］（如图6）。

图6 （a）分子笼MOC⁃16 中水分子的光解反应示意图；（b）分子笼MOC⁃16 中高区域选择性和对映选择性的光引发的二聚反应研究示意图Fig.6 （a）The photocatalytic hydrogen production with the cage MOC⁃16；（b）Regio⁃ and enantioselective photodimerization within the confined space of a homochiral ruthenium/palladium heterometallic coordination cage MOC⁃16

Abou⁃Rachid 等将此类多孔材料的概念引入到全氮化合物的研究中，通过理论计算发现在室温下N8分子可以在碳纳米管中稳定存在［71］。随后美国Zafar Iqbal 小组第一次在实验上实现N8全氮结构的合成［72］。他们以叠氮化钠为原料，利用电化学的方法成功的合成了N8⁃全氮化合物，并且稳定存在于多层壁碳纳米管中（Scheme 11）。利用红外光谱、拉曼光谱、程序升温脱附等对该N8结构进行了表征和性能研究，发现该全氮结构在400 ℃依然能够稳定存在。2016 年，Liu 课题组［73］通过计算表明：多层壁碳纳米管之所以可以稳定N8分子的原因在于多层壁碳纳米管与N8分子间存在电荷转移，进而稳定了N8结构。随后Zafar Iqbal 课题组［26］也成功的合成、稳定了N8结构。值得一提的是，他们以硼掺杂的石墨烯为主体材料，相比与之前纯石墨烯而言，硼的加入增强了主客体分子间的电荷转移能力，从而提高了N8分子的收率，该方法为全氮材料的温和制备提供了新思路。

Scheme 11 The synthesis of N8 catalyzed by the MWNTs

4 展望

综上所述，在近十几年里分子笼已在含能化合物的催化合成、稳定化、检测等领域取得了不少成果，不仅可以被当作分子容器，稳定、捕捉、富集含能化合物；还可以用来充当纳米反应器，提升反应速率，改变反应路径。但是要想利用分子笼的“限域效应”等特性有效合成、稳定TdN4、芳基五唑等新型高能化合物及前体，就需要加强以下方向的研究。

（1）目前用于含能化合物的分子笼依然较少，主要为葫芦脲、环糊精、杯芳烃及其衍生物等，新的、具有高催化活性的分子笼及其合成方法较为缺乏。因此，设计、合成新型高效的分子笼的将是该领域的一个重要研究方向。

（2）目前主要是利用1H、13C NMR 来研究客体含能化合物及其前体与分子笼间的作用机制，较为单一，很难明晰分子笼与含能化合物的作用机制和反应历程。此外，对于C、H 含量很低的含能化合物，如全氮类化合物，1H、13C NMR 显然已不适用；而目前积累的15N 全氮类物质的合成方法和15N NMR 数据较少，这些将极大制约分子笼在高能含能化合物尤其是全氮类化合物的合成研究，亟须加大开发新的表征手段的研究力度。

（3）已报道的关于分子笼在含能化合物应用中的功能主要是分子容器、纳米反应器。事实上，分子笼还有很多功能，如“化合物缓释器”，已在多响应材料、药物靶向治疗等领域大放异彩［74-76］。如果能将分子笼的这些应用特性引入到含能化合物的应用中，将可利用pH、光、热、磁等环境因素实现新型含能化合物能量的可控释放。因此，这也将是该领域未来的一个研究重点。