研究背景
富勒烯是一類具有碳原子高度對稱的分子，因其獨特的結構和物理化學特性，在材料科學、光電子學、生物醫學等領域展現出廣泛的應用前景。特別是C60富勒烯的發現，標志著三維碳材料研究的重要突破。隨著研究的深入，高階富勒烯的同分異構體（如C70、C76等）逐漸引起了科學家的關注。然而，隨著碳原子數目的增加，富勒烯同分異構體的數量呈指數增長，帶來了分離與識別的挑戰。特別是高階富勒烯同分異構體在物理化學性質上的細微差異，如電子傳輸特性和催化活性，決定了它們在光電子材料和催化劑中的潛力。傳統的富勒烯識別方法，如基于尺寸的選擇性識別，已難以應對這些復雜的同分異構體。因此，如何在分子水平上精確識別和分離高階富勒烯同分異構體，成為了當前富勒烯研究中的一大挑戰。為突破這一局限，中科院福建物構所孫慶福團隊以及華中科技大學盧興合作在“Nature Synthesis”期刊上發表了題為“Low-symmetry coordination cages enable recognition specificity and selective enrichment of higher fullerene isomers”的最新論文。該團隊設計并合成了兩種具有不同對稱性的金屬有機籠子（MOCs），分別具有T和S4對稱性，展示了對高階富勒烯同分異構體的選擇性識別能力。通過降低金屬有機籠的對稱性，他們成功實現了對富勒烯同分異構體的精確識別和分離。尤其是在低對稱性S4籠子中，當捕獲橢球形的D2-C76富勒烯客體時，發生了由S4到C2的對稱性轉變，這一現象表明，通過精確的形狀匹配，可以有效限制客體的旋轉，從而提高識別的精度。 此外，S4籠子對一對高度相似的C2v對稱C78同分異構體表現出極高的識別敏感性，通過化學位移的變化成功區分了這對異構體。這一研究不僅展示了低對稱性金屬有機籠在富勒烯同分異構體識別中的優勢，還為未來富勒烯同分異構體的分離提供了新的思路和方法。
研究亮點
（1）實驗首次合成了基于三苯三氮烯（TBTQ）的偽立方金屬有機籠子T和S4，分別具有T和S4對稱性，展示了其在識別高階富勒烯同分異構體中的潛力。
（2）實驗通過設計低對稱性MOCs，成功減少了宿主的對稱性，進而實現了更精確的形狀匹配，限制了客體的旋轉。例如，在S4-4籠子中封裝橢球形D2-C76富勒烯時，觀察到從S4對稱到C2對稱的轉變，這表明形狀匹配對富勒烯識別具有重要作用。
（3）實驗進一步探索了T-和S4對稱性籠子對高度相似的C2v對稱C78同分異構體的選擇性識別。S4-4籠子對這對C78同分異構體的識別敏感性顯著高于T-3籠子，表明低對稱性籠子在區分富勒烯同分異構體方面具有更高的敏感性。
（4）實驗結果表明，低對稱性籠子的精巧空腔結構和形狀互補性使其在識別富勒烯同分異構體，特別是在分離難以分辨的C2v對稱C78同分異構體方面，具有巨大的潛力。
圖文解讀
圖1：超分子宿主對不同富勒烯同分異構體的宿主-客體識別。圖6：T-和S4對稱性籠子對C2v對稱C78同分異構體的識別。
結論展望
本文通過降低金屬有機籠子的對稱性，能夠有效提高其對富勒烯異構體的識別靈敏度。這一策略突破了傳統高對稱性籠子對富勒烯同分異構體識別的局限性，尤其是對于結構相似、難以分離的富勒烯同分異構體，如C2v對稱C78同分異構體。其次，低對稱性金屬有機籠子能夠通過與富勒烯客體的結構互補性，精確限制客體的旋轉，進一步增強了識別的準確性。此外，本文還展示了調節溶劑效應與氫鍵相互作用的策略，以實現特定異構體的高選擇性富集。這些發現不僅為富勒烯同分異構體的分離提供了新的思路，也為未來手性富勒烯的分辨與分離開辟了潛在的研究方向。總的來說，金屬有機籠子在低對稱性設計上的創新應用，展示了其在分子識別、催化以及材料分離等領域的廣泛前景。Guo, XQ., Yu, P., Zhou, LP. et al. Low-symmetry coordination cages enable recognition specificity and selective enrichment of higher fullerene isomers. Nat. Synth (2025).https://doi.org/10.1038/s44160-024-00697-0
