图 拓扑张力调控嵌套反螺旋三叶结分子的自旋交叉转变行为
在国家自然科学基金项目（批准号：22171232、21971211）等资助下，西湖大学刘志常教授团队在“三叶结”拓扑分子的分子张力工程研究方面取得进展。相关成果以“反螺旋策略合成具有力学调控的自旋交叉转变性质的分子三叶结（Synthesis of contra-helical trefoil knots with mechanically tuneable spin-crossover properties）”为题发表在《自然·合成》（Nature Synthesis）期刊上。论文链接：https://doi.org/10.1038/s44160-022-00173-7。
复杂的分子拓扑结构广泛存在于DNA、蛋白质和一些合成高分子。科学家对于分子拓扑结构的兴趣不仅源于其高度的结构美感和巨大的合成难度，更是因为分子拓扑结构对于物质的理化性质具有至关重要的影响。其中，分子结是一类具有独特结构的拓扑分子，探索这类分子的精准合成、拓扑复杂性和潜在用途一直是相关研究热点，而对分子结的物化性质的调控更是一项艰巨的挑战。
西湖大学刘志常团队近年来发展了分子张力工程的策略用于调控分子结的拓扑结构和性质，实现了通过分子张力调控双壁四面体的组装、对客体中间体分子的选择性捕获、以及分子结的立体电子结构等。在该研究中，团队另辟蹊径，以二价铁离子为模板，通过“一锅自组装”高效构建出了一系列具有不同分子内张力的嵌套反螺旋三叶结分子，其中包括迄今为止合成的最长的三叶结分子，包含由111个原子构成的长达~11 nm的闭环结构。值得提出的是，他们发现每个结中的两个铁(II)离子中心的自旋交叉态可以通过分子内拓扑机械张力的变化向两个相反的方向进行调制（图）。此外，该团队还发现了其中一个分子结在结晶时表现出的手性自分类行为，并成功利用单晶X射线衍射技术确定了还原去金属化的纯有机三叶结的结构。
相比于之前的合成方法，该研究成果中发展的嵌套反螺旋策略能够以相对简化和更加有效的方式构建更复杂的环结和分子链接，而对分子结的拓扑张力的调控可能会导致材料的涌现特性（emergent properties），从而增强其刺激响应性。因此，该成果为合成其他复杂的分子拓扑结构和利用拓扑张力调控分子的性质开辟了新道路，也为深入探索拓扑分子结的性质及应用奠定了基础。