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基于构象自适应成功构筑Pd2L4型超分子金属配位笼 |
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近日，华东师范大学杨海波教授团队在阴离子超分子化学方面取得了重要进展。团队利用具有构象自适应特性的二氢吩嗪配体与二价钯离子成功构筑了一类对卤素离子以及BF4-和NO3-等阴离子具有极强结合能力的Pd2L4型超分子金属配位笼，并实现了配位笼对碳卤键的活化断裂。2023年7月25日，相关工作以“Strong Halide Anion Binding within the Cavity of a Conformation-Adaptive Phenazine-Based Pd2L4 Cage”为题，发表在Chem期刊上。该工作的通讯作者是华东师范大学杨海波教授与史学亮教授，第一作者是华东师范大学姜卫玲博士与黄斌博士。
阴离子超分子化学在化合物提取、催化、传感、运输、阴离子模板合成以及超分子自组装等多个领域存在广泛应用。特别地，卤素离子在化学、生物、工业、环境等方面扮演重要角色。目前该领域已成功发展出各种有效的卤素离子受体，包括小分子以及超分子大环、分子笼、分子结以及分子链。尽管如此，对于超分子化学家而言，探索设计新型高亲和力的卤素离子受体并深入理解其独特的主-客体化学机制一直是本领域非常重要的课题。相较于其他卤素离子受体，配位笼与卤素离子之间的主客体化学鲜少被报道。研究团队推测，超分子配位笼满足以下条件可以作为卤素离子的有效受体：（a）合理设计的配位笼空腔可与特定的客体物种，如卤素离子紧密结合；（b）配位笼与卤素离子通过多重非共价相互作用进一步提高主-客体复合物的稳定性；（c）结合的卤素离子对平衡配位笼的总电荷起关键作用（图1）。
图1：二氢吩嗪配位笼的设计策略。
基于此，在这项工作中，研究团队设计合成了一类基于构象自适应二氢吩嗪配体的Pd2L4型配位笼。该配位笼具有“灯笼状”构象，四个二氢吩嗪配体以高度扭曲的构象组成了配位笼的“空腔壁”，其尺寸较小的受限空腔为卤素离子与配位笼的紧密结合提供了可能（图1和图2）。研究发现，该二氢吩嗪配位笼能够结合包括Cl-、Br-、I-、BF4-和NO3-在内的诸多阴离子，且主客体之间均具有极强的结合作用。其中，配位笼与Cl-之间的结合常数高于1014 M-1，其甚至能够从AgCl固体中提取Cl-（图2）。随后，对配位笼与卤素离子之间的主客体化学研究结果表明，配位笼对卤素离子极强的结合能力主要归因于其合适的空腔环境、独特的构象自适应性和多重非共价相互作用的协同。在此基础上，配位笼被成功应用于促进C(sp3)-Cl（烷基氯）键的断裂研究中。
图2：基于二氢吩嗪配位笼的新型卤素离子受体。
图3：二氢吩嗪配位笼的合成与结构表征。
在配位键导向自组装研究中，配位笼的成功构筑与合理的配体设计密不可分。多数PdnL2n型配位笼，特别是被广泛报道的Pd2L4型配位笼，多基于“V”型配体。研究团队近期关于二氢吩嗪衍生物的研究工作（Chem. Asian J. 2021, 16, 3985; Cryst. Growth Des. 2022, 22, 3587）发现二氢吩嗪衍生物具有构象自适应的特性。因此，本工作中研究团队以二氢吩嗪为原料，通过Buchwald-Hartwig偶联合成了直线型的双吡啶二氢吩嗪衍生物。随后，通过配位键导向自组装成功构筑了Pd2L4型的超分子配位笼，其结构通过核磁、质谱与单晶得到了确认（图3）。值得注意的是，配位笼单晶结构中的二氢吩嗪配体高度扭曲，证实了二氢吩嗪衍生物独特的构象自适应特点（图3）。
图4：二氢吩嗪配位笼与阴离子的主客体化学。
配位笼的单晶结构显示其空腔内包裹了一个BF4-（图3），进一步的研究表明该二氢吩嗪配位笼还与Cl-、Br-、I-等卤素离子以及NO3-等阴离子存在极强的主客体相互作用。单晶结构显示，二氢吩嗪配位笼与阴离子之间均形成1:1的主客体复合物。值得注意的是，配位笼中两个钯离子之间的距离取决于空腔内阴离子的尺寸大小，阴离子尺寸越大则钯离子之间的距离也随之增大，反之亦然。但是，其构象的变化并不引起二氢吩嗪配位笼体积的改变，这一现象体现了二氢吩嗪配位笼同样具有构象自适应性（图4）。通过对主客体复合物的单晶结构进行分析，研究者证明二氢吩嗪配位笼与阴离子之间的极强结合能力主要源于钯离子与阴离子之间的静电相互作用以及阴离子与配位笼空腔内壁上八个质子的多重氢键相互作用的协同作用（图4）。
图5：碳卤键活化断裂研究。
随后，研究团队将二氢吩嗪配位笼对卤素离子的极强结合能力用于碳卤键的活化断裂。研究结果表明，该配位笼对三级卤代烃具有优异的脱卤效果，且证实其脱卤产物为相应的醇类化合物（图5）。随后，通过对映体纯的溴代二芳基甲烷的脱卤实验证实了基于二氢吩嗪配位笼的脱卤反应以SN1的机理进行（产物为消旋体）。在上述研究基础上，进一步结合二氢吩嗪配体所具有的光氧化还原性质，研究团队发现光照能够进一步提升配位笼活化断裂碳卤键的能力，即极大缩短反应时间并提高反应产率。这主要是由于光照下的反应过程既包括SN1机制同时兼具自由基机制，由此协同促进了碳卤键的活化断裂（图5）。
综上所述，本项工作利用二氢吩嗪配体的构象自适应特性成功构筑了对卤素离子具有极强结合能力的超分子配位笼，为卤素离子受体的设计与结合机制研究提供了新的思路与方案，并对超分子阴离子结合光催化研究具有一定启发意义。该工作得到了国家重点研发计划（2021YFA1501600）、国家自然科学基金（22071061）和上海市自然科学基金（22ZR1420600）的支持。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.chempr.2023.06.020
