湖南大学何清团队Acc. Chem. Res.：超蕃化学—从合成突破到功能分子材料

超分子主体的设计与精准合成是超分子化学的核心研究内容。过去几十年间，从冠醚、环糊精、葫芦脲、杯芳烃、柱芳烃，到近年来快速发展的共价有机笼和金属有机笼，一系列经典与新兴主体体系相继建立，构成了结构多样、功能丰富的分子识别平台，也推动超分子化学不断从主–客体识别走向传感、运输、自组装、催化以及智能分子材料等前沿方向。在这些主体体系中，空腔结构始终是决定分子功能的关键。主体尺寸、形状、刚性、空腔环境和结合位点的精准调控，使研究者能够在分子尺度上控制客体的进入、结合、稳定、释放与转化过程。由此可见，发展结构新颖、功能独特的新型超分子主体，仍是推动超分子化学和功能分子材料发展的关键命题。

超蕃是一类具有独特空间限域特征的三维分子骨架。其典型结构由两个面对面的苯环通过六条侧链连接而成，最早由 Vögtle 提出，并由 Boekelheide 实现合成。早期的超蕃主要用于研究两个超近距离苯环之间的 π–π 相互作用。然而，由于结构高度复杂、合成难度极大，超蕃长期停留在少数分子结构的合成与表征层面，其在主–客体化学、功能调控和材料应用方面的潜力尚未得到开发。

湖南大学何清团队一直致力于超蕃功能分子体系开发，围绕超蕃的精准合成、结构调控与功能拓展开展了系列研究工作。近年来，团队发展了基于动态亚胺缩合的高效构筑策略，突破了超蕃难以制备的合成瓶颈；随后进一步建立一锅法、克级制备及后合成稳定化方法，通过还原或氧化将亚胺键转化为更加稳定的仲胺键或酰胺键，为超蕃骨架的规模化制备、结构稳定化和功能化调控奠定了基础。这些合成方法学上的突破，使超蕃逐渐发展成为一类可规模化制备、可结构编程、可功能拓展的新型功能分子平台。其独特之处在于，超蕃具有（准）封闭的三维空腔和高密度结合位点，能够在单个分子内部构筑高度限域的微环境（分子极端限域环境），从而实现客体封装、结合增强、屏蔽保护和选择性分子识别。随着内腔环境和外围功能基团的持续调控，超蕃的功能边界已不断拓展，从传统主–客体化学延伸至分子运输、催化、分离、环境修复和能源相关应用等多个前沿方向。

近日，湖南大学何清团队受邀在国际化学领域顶级综述期刊 Accounts of Chemical Research 发表题为 “Superphanes: From Synthetic Breakthroughs to Supramolecular Hosts and Functional Molecular Materials” 的 综述文章，系统总结了超蕃化学从合成突破、超分子主体构筑到功能分子材料发展的研究脉络。文章展示了超蕃如何依托分子级极端限域效应，实现从离散分子主体到宏观功能分子材料的跨尺度功能转化，并为新型超分子材料和功能分子平台的设计提供了新的思路。

▊超蕃合成突破

图1. 超蕃的合成路线：（a）无空腔超蕃的传统合成方法；（b）基于动态共价化学的[6+2]合成策略；（c）基于动态共价化学的[1+1]合成策略。

2021年，何清团队通过间苯二甲醛（5a）与六胺基前体（6）的[6+2]亚胺缩合，首次高效构筑灯笼状超蕃-1，产率达32%（图2）。与传统逐步合成相比，该方法基于动态共价化学（DCC），可通过亚胺键的可逆交换实现组装过程中的动态纠错，在热力学控制下优先形成高度对称的十二亚胺超蕃，同时抑制低聚物和聚合物副产物。该策略还具有良好的模块化拓展能力。通过更换不同的二醛单元（5b–5e，图2），可一锅法构筑超蕃-2至超蕃-5，实现对内部空腔、外部表面及骨架结构的调控。

图2. 基于动态共价化学的[6+2]超蕃合成策略。

在[6+2]策略基础上，何清团队进一步发展了[1+1]动态共价组装方法，通过预组织的六醛与六胺缩合构筑超蕃（图3）。可逆亚胺键赋予体系动态自纠错能力，使其优先形成热力学稳定的六亚胺超蕃，并有效抑制低聚副产物。相比[6+2]策略，该方法具有更好的几何预组织性和合成可预测性。六胺6与六醛7a缩合可在无需外部模板的条件下，以65%产率获得超蕃-6；进一步引入吡啶基和吡咯单元，分别得到超蕃-7（61%）和超蕃-8（62%）（图3）。

图3. 基于动态共价化学的[1+1]超蕃合成策略。

通过前述两种组装策略，团队获得了一系列亚胺型超蕃。尽管动态共价化学能够实现高效成笼，但其中的亚胺键易发生水解，因此进一步发展了后合成稳定化策略。亚胺中的动态C=N键不仅有利于成笼，也可作为后续结构编辑的反应位点。在温和条件下使用NaBH₄，可选择性还原亚胺键，同时保持超蕃整体拓扑结构。十二亚胺和六亚胺超蕃均可转化为相应还原型超蕃，产率达45%–88%，且无需柱层析（图4）。该过程显著提高了骨架稳定性，并引入多个可进一步修饰的仲胺位点。

图4. 亚胺键超蕃的合成及还原型超蕃的构筑。

进一步将成笼与亚胺还原结合，建立了一锅法组装–还原策略：动态自组装完成后直接加入NaBH₄，无需分离亚胺中间体，即可获得还原型超蕃。例如超蕃-9和超蕃-10的产率分别达到69%和59%。该策略可拓展至多种二醛底物，经原位还原得到超蕃-15至超蕃-19，产率为35%–85%（图5），实现了超蕃的高效成笼与长期稳定化的一体化构筑。

图5. 基于动态共价组装的一锅两步法合成还原型超蕃。

丙基溴进行烷基化反应，可分还原后的超蕃最多含有12个仲胺基团，为后续功能化提供了丰富位点。以超蕃-11为例，通过与碘乙烷、烯丙基溴和炔别得到完全取代的三级胺衍生物超蕃-20至超蕃-22（图6）。

图6. 仲胺型超蕃的后合成功能化及三级胺型超蕃的构筑。

除还原外，亚胺氧化也可用于提升超蕃稳定性。通过[1+1]策略构筑六亚胺超蕃-7后，采用Pinnick氧化体系（NaClO₂、AcOH和H₂O₂），可将6个亚胺键全部转化为酰胺键，以82%产率获得全酰胺超蕃-23（图7）。该转化不仅显著提高了超蕃骨架的化学稳定性，还引入了可参与定向氢键作用的酰胺基团，从而为超蕃内腔微环境的调控及功能化分子设计提供了新的途径。

图7. 通过Pinnick氧化合成全酰胺型超蕃。

▊超蕃的主客体化学

超蕃的主客体化学性质，首先通过超蕃-1对水二聚体（2H₂O）的封装得到证实（图8a），且该复合物可在固态、气相和溶液中稳定存在，表明其近封闭空腔能够通过分子极限限域稳定水簇。引入仲胺后，超蕃-9和超蕃-13分别实现了对氯离子水合簇(2Cl⁻·H₂O)和(2Cl⁻·2H₂O)的封装（图8b、c），进一步拓展了超蕃对离子及其水合结构的识别能力。超蕃-12则表现出对ReO₄⁻的高度选择性结合，形成1:1主客体复合物，并通过最多18个氢键协同稳定客体，Ka达5.62×10³M⁻¹（图8d），体现出优异的阴离子识别能力。Badjić团队发展的相关超蕃体系还表现出对多种阴离子的强结合能力，并可通过调控孔口尺寸实现动力学选择性。在此基础上，何清团队通过缩短桥联链并进一步封闭孔口，构筑了完全封闭的超蕃-14，实现客体真正“囚禁”，形成H₂PO₄⁻@超蕃-14和AsO₄³⁻@超蕃-14分子监狱复合物（图8e、f），其中封装AsO₄³⁻可显著降低其细胞毒性。此外，质子化超蕃-17可深度封装苦味酸根（图8g）；超蕃-5甚至能够封装Au₁₈纳米团簇（图8h、i），赋予其优异的光热转换和太阳能驱动水蒸发性能，展现了超蕃限域在能源与海水淡化中的应用潜力。

图8. 超蕃的代表性主客体复合物。（a）2H₂O@超蕃-1；（b）(2Cl⁻·2H₂O)@超蕃-9；（c）(2Cl⁻·2H₂O)@超蕃-13；（d）ReO₄⁻@超蕃-12；（e）H₂PO₄⁻@超蕃-14；（f）AsO₄³⁻@超蕃-14的单晶X射线结构；（g）超蕃-17的DFT优化结构；Au₁₈@超蕃-5的（h）正面和（i）顶部视图。

▊超蕃效应

前述研究表明，超蕃的近封闭空腔和密集结合位点可产生独特的高度限域分子微环境，并产生区别于传统分子主体的“超蕃效应”。超蕃骨架能够将功能单元以高密度、高对称性的三维方式组织，从而赋予体系低维结构难以实现的光物理、电化学和催化性能。为验证这一效应，课题组构筑了超蕃-19，将6个吩噻嗪光敏单元对称排列于超蕃骨架周围，并以其他含吩噻嗪基团的结构作为对照（图9a）。与对照体系相比，超蕃-19具有最低电荷转移电阻、最强光电流和最低氧化电位（图9b–d），表明超蕃骨架能够促进功能单元之间的空间电子耦合与电荷分离。在催化反应中，超蕃-19对苄胺氧化偶联和硫醚氧化均实现了99%的转化率和选择性，TON分别达200和500（图9e）。进一步体现出其三维限域与高密度功能单元组织所带来的催化优势。超蕃-19表现出类似“单分子酶”的多重光驱动氧化还原活性；超蕃-18及其衍生物还可作为无金属光催化剂用于太阳能驱动H₂O₂生成，最高生成速率达25,031μmol·h⁻¹·g⁻¹，展现出超蕃限域在光催化和太阳能转化中的潜力。

图9. 吩噻嗪功能化超蕃中的超蕃效应。（a）超蕃-19及低维对照化合物的化学结构；（b）电化学阻抗谱；（c）间歇450nm光照下的瞬态光电流响应；（d）四种化合物的循环伏安曲线；（e）可见光照射下四种化合物在苄胺氧化偶联和硫醚氧化反应中的光催化性能对比。

▊超蕃功能分子材料的应用

超蕃可通过高选择性主–客体识别实现对ReO₄⁻的高效去除，其中ReO₄⁻作为放射性TcO₄⁻的非放射性替代物。何清团队通过[1+1]动态共价组装及原位还原制备超蕃-12，其空腔含12个氢键供体，可1:1选择性封装ReO₄⁻，Ka达5.62×10³M⁻¹（图10a）。在pH 1–10范围内，ReO₄⁻去除率超过99.99%，即使在NO₃⁻或SO₄²⁻ 分别高达12,000倍过量的竞争条件下，仍保持高选择性，并可实现解吸再生。此外，团队构筑了双非超吸附材料超蕃-7和超蕃-13，通过分子识别与限域作用实现对碘物种的快速捕获（图10b-i）。超蕃-7可将碘浓度由5ppm降至11ppb，对I₂和I₃⁻的吸附容量分别达到8.41和9.01g·g⁻¹（图10b-iv–vii），表现出优于多数传统多孔吸附材料的性能，表明无需永久孔隙，仅依靠分子识别与极限限域即可实现高效污染物捕获。

图10. 超蕃基于分子识别的环境修复应用。（a）超蕃-12对ReO₄⁻的选择性提取、动态吸附及再生；（b）超蕃基非孔非晶超吸附材料（NAS）对碘物种的选择性捕获，包括快速吸附动力学、宽pH适用范围、高选择性、深度净化、高碘吸附容量及限域辅助吸附机制。

超蕃还可利用独特的配位环境调控配位平衡，实现高价值资源回收。以超蕃-12为例，其内部空腔可封装Br⁻·2H₂O簇，而线性AuBr₂⁻则通过多重C/N–H···Br氢键稳定于外部，形成特殊的第二球配位结构（图11a、b）。这种限域配位环境能够稳定传统吸附剂难以获得的Au(I)二卤化物。超蕃-12因此表现出极高的金吸附容量，对AuCl₄⁻和AuBr₄⁻分别达到2687.76和2750.73mg·g⁻¹（图11c），并具有优异选择性（图11d）。其机制在于超蕃选择性稳定AuX₂⁻，推动AuX₄⁻⇌AuX₂⁻+X₂平衡，并进一步发生歧化生成Au(0)，从而实现持续金回收。在实际样品中，超蕃-12可将催化废水中的Au从121.4ppm降至813.5ppb，去除率达99.3%（图11e）；对AMD CPU和手机PCB的王水浸出液，分别实现99%级别的金去除效率（图11f、g）；即使面对含大量竞争金属的金矿浸出液，Au去除率仍达到91.7%（图11h）。

图11. 基于分子识别的超蕃非孔非晶超吸附材料金回收。（a、b）通过第二配位层作用及AuBr₂⁻物种稳定实现选择性捕金的结构基础；（c、d）在竞争金属离子存在下对金表现出的超高吸附容量和选择性；（e–h）从催化废水、电子废弃物浸出液及金矿浸出液中实现实际金回收。

超蕃还可将分子识别进一步转化为动态离子运输功能。何清团队构筑了全酰胺超蕃-23，其骨架周围排列有12个酰胺基团，形成高度预组织的NO₃⁻结合空腔（图12a）。单晶结构显示其可封装NO₃⁻·H₂O簇（图12b），¹H NMR测得NO₃⁻结合常数Ka为1.99×10³M⁻¹。在U型管液膜体系中，超蕃-23可介导NO₃⁻跨有机相运输。即使两侧初始NO₃⁻浓度相同，由离子水合状态差异所产生的化学势梯度仍可驱动NO₃⁻逆浓度梯度迁移（图12c–f）。其机制类似生物膜中的二级主动运输：高水合离子体系提供驱动离子跨膜迁移的能量梯度，而超蕃-23负责选择性提取、转运和释放NO₃⁻，实现能量梯度与离子运输的耦合（图12g）。

图12. 超蕃-23介导的仿生次级主动离子运输。（a）超蕃-23的结构；（b）NO₃⁻·H₂O@超蕃-23复合物的晶体结构；（c、d）分别由饱和钠盐和1.0M钠盐驱动的硝酸根运输；（e）反离子对运输效率的影响；（f）源相（IN）和接收相（OUT）中硝酸根浓度随时间的变化，体现逆浓度梯度运输；（g）电化学梯度驱动液膜中硝酸根次级主动运输的可能机制。

超蕃还展现出碳捕集与能源存储方面的潜力。富氮超蕃-11可用于低能耗CO₂捕集与浓缩。通入CO₂后，其氯仿溶液可迅速由澄清溶液转变为不溶性笼–CO₂加合物悬浊液（图13a、b）；与传统需要加热再生的吸附剂不同，捕获的CO₂仅需在室温下机械搅拌即可释放并同步恢复超蕃结构，从而实现机械能驱动的低能耗再生。该循环适用于纯CO₂、模拟烟气、呼出气体乃至空气，CO₂吸附量最高达6.4mol·mol⁻¹，并可将稀CO₂浓缩至最高83%（图13c、d），展示了超蕃分子识别与动态可逆结合在低能耗碳捕集中的独特优势。除气体捕集外，超蕃的分子限域能力还可用于稳定电化学体系中的活性物种。通过构筑分子型多碘储库，超蕃被进一步应用于水系锌–碘电池。随着氮位点密度由宏环M-1、笼C-2增加至超蕃S-3，多碘化物的结合与限域作用逐渐增强（图13e、f）。S-3@I₃⁻电极在高碘负载量58.9wt%下，5C循环1100次后仍保持97.9%容量，明显优于M-1@I₃⁻（65.6%）和C-2@I₃⁻（71.8%）（图13g）。这一结果表明，超蕃高密度结合位点与三维限域空腔能够有效固定多碘化物，抑制其穿梭与流失，从而显著提升高负载锌–碘电池的循环稳定性。

图13. 超蕃在能源与可持续发展领域的应用。（a）超蕃-11的结构；（b）超蕃-11通过相变实现CO₂的可逆捕获与释放；（c）CO₂捕获、机械搅拌释放及浓缩过程示意图；（d）稀释CO₂气流的富集；（e）用于多碘化物主体的宏环M-1、笼C-2和超蕃-11（S-3）的结构；（f）M-1@I₃⁻、C-2@I₃⁻和S-3@I₃⁻的电化学阻抗谱；（g）以M-1@I₃⁻、C-2@I₃⁻和S-3@I₃⁻为正极的锌-碘电池循环性能。

▊结论与展望

过去六年，超蕃化学经历了从“合成挑战”到“功能平台”的重要转变，已经发展为一类具有明确空腔、高密度结合位点和良好结构可调性的功能分子平台。动态共价组装和后合成稳定化策略的建立，使超蕃能够实现高效构筑、克级制备和功能拓展。超蕃的核心科学内涵在于“分子极端限域”。其近封闭三维空腔能够在单个离散分子内部构筑高度受限微环境，使客体分子的识别、稳定、传输与转化行为受到主体拓扑结构、孔口几何、空腔尺寸和多重结合位点的协同调控。不同于依赖永久孔道和高比表面积的传统多孔材料，超蕃通过独特的识别空腔和多价相互作用实现精准识别与功能输出，已在阴离子识别、环境修复、贵金属回收、仿生离子转运、CO₂ 捕集和电化学储能等方面展现出重要潜力。尽管如此，超蕃化学仍处于发展初期。目前合成方法主要依赖动态亚胺缩合，结构类型和构筑基元仍受限制，非亚胺/胺键超蕃的高效构筑仍具挑战。未来，发展更加通用、模块化和可预测的合成方法，将有助于精确调控超蕃的空腔结构、限域强度和识别环境。

总体来看，超蕃不仅为理解分子限域环境下的识别、稳定、传输和转化行为提供了独特模型，也为发展新一代超分子体系和功能分子材料提供了重要平台。随着合成方法学和分子极端限域工程的持续进步，超蕃有望在主动离子传输、同位素分离、分子催化、智能药物递送和能量转化等前沿方向发挥更大作用，并进一步推动超分子化学从分子识别走向分子行为精准调控和功能材料创新。

▊文献详情

Title：Superphanes: From Synthetic Breakthroughs to Supramolecular

Hosts and Functional Molecular Materials

Authors:Wei Zhou, Aimin Li, and Qing He*

To be cited as:Acc. Chem. Res. 2026, Just publish

DOI:10.1021/acs.accounts.6c00466

▊导师简介

何清，湖南大学教授、博士生导师、国家海外高层次青年人才。2010年7月于湖南师范大学制药工程系获学士学位；2015年7月于中国科学院化学研究所获得理学博士学位；2015年7月–2019年3月在（美国）德克萨斯大学奥斯汀分校化学系从事博士后研究（合作导师为Jonathan L. Sessler教授）；2019年入选国家海外高层次人才青年项目回国工作，任湖南大学化学系教授。主持/承担国家自然科学基金面上项目、青年项目及国家重点研发计划子课题等多项课题。主要研究方向为超分子化学和新型功能材料，包括分子笼化学（超蕃化学与塔笼化学）、新型非共价相互作用力、先进超分子材料（非多孔非晶态超吸附材料、超分子离子传导膜）和超分子分离技术。在Sci. Adv.、Nat. Commun.、Chem、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Sci.、Adv. Energy Mater.、Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、Acc. Chem. Res.、Coordin. Chem. Rev.、CCS Chem.等国际著名期刊上发表学术论文60余篇，申请/授权专利8项。荣获2025年度“Thieme Chemistry Journals Award”、“2025 The Sessler Early Career Researcher Prize”等奖项。目前担任《四面体》（Tetrahedron）和《四面体快报》（Tetrahedron Letters）青年编委、《Tetrahedron Chem》客座编辑。