莫比乌斯带或莫比乌斯环是一种有趣的拓扑学结构，具有只有一个表面和一条边的独特性质。这种奇特的单侧性使得沿其表面移动的物体可以在不跨越边缘的情况下遍历整个表面。莫比乌斯带不仅在数学中有重要意义，在艺术、工程和科学领域也广受关注。形如莫比乌斯带的共轭分子，也称为莫比乌斯纳米带，它们具有独特的电子结构与性质，也是极具挑战性的合成目标。最近，香港中文大学缪谦教授（点击查看介绍）研究组设计、合成了一种新的莫比乌斯带，并与香港大学杨军教授（点击查看介绍）研究组合作在《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc.）报道了这一分子合成、结构与性质。该文的第一作者是叶力萍博士，现在海德堡大学从事博士后研究。
叶力萍博士与校园中的莫比乌斯环雕塑的合影。图片来源：论文作者
得到一个莫比乌斯带的最常见方法是把一个长条形的纸带扭曲180度后再将两端相接。有机化学家近年来也通过类似的方法在纳米尺度上构造了莫比乌斯带。缪谦教授研究组则采用了另一种方法来构造莫比乌斯带，即将一个螺旋的两端用半个普通的环带相连。如下图所示，通过扭曲180度后再首尾相接形成的是扭曲（twisted）的莫比乌斯带，而通过将螺旋的两端相连形成的是拧转（writhed）的莫比乌斯带。
这个拧转的莫比乌斯纳米带通过融合[7]螺烯与含氮、氧原子的环状并苯而成，其合成路线如下图所示。合成所用到的关键结构单元是[7]螺烯衍生的螺旋单元（化合物3）和由芘衍生的“C”构型单元（化合物4）。通过亲核芳香取代反应连接这两个结构单元即形成含氧杂降冰片烯的大环前体（化合物2），其后的还原芳构化反应脱去氧原子形成了过度还原的化合物5。最后，化合物5经氧化即得到该莫比乌斯纳米带（化合物1），其结构通过X射线晶体学得以证实。莫比乌斯纳米带是手性的分子。从手性纯的化合物3出发，通过以上合成路线就可以得到手性纯的莫比乌斯纳米带。其对映体在圆二色光谱中呈现镜像关系，在263 nm处的吸收不对称因子为4×10-3。
通过密度泛函理论计算，杨军教授研究组详细地研究了的该莫比乌斯纳米带的分子构型与电子结构，发现其未表现出全局环电流，仅存在局域的芳香环电流，并解释了为什么化合物1、2在核磁共振谱图上表现出不同的对称性。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
A Writhed Möbius Nanobelt Derived from [7]Helicene
Liping Ye, Chenyu Hu, Daiyue Yang, Li Zhang, Xiao Chen, Lulin Qiao, Zhifeng Huang, Jun Yang*, Qian Miao*
J. Am. Chem. Soc., 2025, DOI: 10.1021/jacs.5c01323
导师介绍
缪谦
https://www.x-mol.com/university/faculty/330410
杨军
https://www.x-mol.com/university/faculty/287480