通过配体的不对称调节来控制金属超分子笼的构象

  • 569
  • A+

为了模拟自然界中的自组装行为,超分子化学家通过利用非共价相互作用进行了大量研究(如氢键、金属配位作用、 π π堆积、偶极相互作用等)。在这些相互作用中,金属配位作用具有很高的方向性和适当的结合强度,特别是在三维金属有机笼(MOCs)中备受关注;由于金属有机笼具有大空腔和功能性配体,因而在生物医学、催化、分子传感、气体吸收等领域具有广泛应用。如何构建三维结构呢?最常用的策略是设计高度对称的配体,可效避免自组装过程中异构体的形成。

在自然界中,对称和不对称的存在是一种典型的现象。改变配体的对称性会极大地影响最终组装的结构和性质,使用不对称配体可更好地模拟自然界中的自组装行为。然而,在超分子自组装中,只有极少数基于不对称配体的MOCs。主要原因有二:(1)不对称配体的设计将增加合成过程的复杂性;(2)加强构象控制,以获得精确的组装行为0

基于Pd(II)和双齿有机配体组装的PdnL2n组装笼是MOCs的经典研究领域。基于以上研究背景,作者使用简单的吡啶和苯作为构筑基元,设计并高效合成了四种不对称配体L1-L4,与Pd(II)配位分别形成笼Pd2(L1)4Pd2(L2)4Pd2(L3)4Pd3(L4)6(图1)。结果表明,通过增加长度或角度的不对称性,可精确控制组装体的构象,形成离散的顺式笼PdnL2n

Pd2(L1)4是根据之前报道的方法制备的,并在该组装过程中至少存在两种异构体(图1a)。为了进一步控制自组装过程,作者增加不对称配体的长度比以增强不对称性(L2)。L2Pd(CH3CN)4(BF4)2DMSO-d6中按2:1混合可构建笼Pd2(L2)4。通过电喷雾电离质谱(ESI-MS)测定了配合物Pd2(L2)4的分子组成。在进一步的NMR表征中,仅观察到一组主要产物峰(图2b),表明增加不对称性确实可改善构象控制。然而,在NMR光谱中仍观察到一些意外异构体和副产物的微弱信号(图2b),这表明配体L2的长度不能提供充分的几何约束。

为了进一步精确控制不对称配体的组装行为并获得单一构型组装,作者进一步增加不对称配体的单侧长度(L3)。通过相同的组装方法,成功地获得了笼Pd2(L3)4。通过ESI-MS可知,Pd2(L3)41888.3 Da)与配合物Pd2(L2)4具有相同的化学成分。与笼Pd2(L2)4相比,笼Pd2(L3)41H NMR谱中只有一组峰(图2c),表明进一步增加长度可提高自组装的几何约束。此外,通过2D COSY NMR2D NOESY获得Pd2(L2)4Pd2(L3)4的质子信号可知,交叉峰(Ha···HnHb···Hm)体现出配体L2L3中两个吡啶的分子内空间相互作用,表明顺反式异构体是在自组装过程中形成的。

1  aPd2(L1)4,(bPd2(L2)4,(cPd2(L3)4Pd3(L3)6的自组装。



aPd2(L1)4,(bPd2(L2)4和(cPd2(L3)41H NMR光谱(400 MHz300 K[D6]DMSO)。


由于可能存在异构体,NMR和质谱不能完全证明Pd2(L2)4Pd2(L3)4的特定构型。作者进一步通过X射线衍射来表征。结果表明,Pd2(L2)4Pd2(L3)4属于三斜晶系,具有P1空间群。Pd2(L2)4的晶体结构为顺式构型,配体的长边和短边互补连接。一个平面上的两个配体明显扭曲(图3b),而另一平面上的两个配体几乎没有扭曲(图3a),进一步表明配体L2的不对称性不足以在组装过程中带来完全的几何约束。Pd2(L3)4的单晶结构显示(图3c,d),Pd2(L3)4存在两种结构,分别定义为Pd2(L3)4-APd2(L3)4-B,这两种结构表现出高度相似的顺式构型。Pd2(L3)4-A四个配体的乙炔键仅轻微扭曲,具有稳定的构象(图3e,f);Pd2(L3)4-B一个平面上两个配体的炔键几乎没有弯曲(图3g),另一平面上两个配体的炔键明显朝相反方向弯曲(图3h)。低温1H NMR显示,仅有一组加宽的峰,表明溶液状态只有一种异构体(图S15)。晶体数据得到的两个Pd2(L3)4构型可归因于分子堆积和乙炔键的适度柔性。研究还表明,L3不对称性的几何约束可有效控制顺式构型的存在,而无其他异构体。通过对Pd2(L2)4Pd2(L3)4晶体结构的分析,可以充分证实,通过配体不对称性的增加可控制自组装过程。

单晶结构:(a,bPd2(L2)4、(c,dPd2(L3)4Pd2(L3)4-Ae,f)以及Pd2(L3)4-Bg,h)。


为了进一步了解配体不对称性对组装结果的影响,采用DFT计算异构体的能量(图4)。对于[Pd2(L2)4]4+,两个异构体之间的能量差为0.1 kJ mol-1。对于[Pd2(L2)4]4+,四种异构体的计算相对能量的顺序为C<d<b<a< span="">(异构体C为顺式构型)。同分异构体CD之间的能量差为1.74 kJ mol-11H NMR谱也显示了意外异构体的微弱信号,这表明在室温(<2.51 kJ mol-1)下可能存在同分异构体CD[Pd2(L3)4]4+异构体的计算相对能量为C<b<d<a< span="">。其中,异构体BC之间的能量差极高(15.02 kJ mol-1),这在能量上利于形成高纯度的顺式构型笼[Pd2(L3)4]4+DFT模拟结果均与实验得到的稳定结构一致。

4 [Pd2(L2)4]4+[Pd2(L3)4]4+异构体能量相对于异构体C的计算结构(B3LYP/6-31G(d)/SDD)。


此外,作者尝试改变配体L1的配位夹角以增加配体不对称性(L4)。配体L4具有对位吡啶和间位吡啶。作者推测可形成三金属六聚体结构,可能具有9种异构体(图S38)。而Pd3(L4)61H NMR(图5a)和13C NMR(图S20)光谱显示,仅存在一组产物峰,表明形成了单一产物。X射线衍射数据表明(图5c),Pd3(L4)6延伸至三斜晶系,具有P1空间群;其为单一顺式构型,配体的长侧和短侧互补连接,并且每个Pd(II)均与两个间位吡啶和两个对位吡啶配位。9种异构体的优化几何结构和计算相对能量显示,顺式- Pd3(L4)6是能量最有利的结构,这与上述晶体结构一致。表明合理设计不对称配体的配位位置可在组装中提供适当的几何约束,从而形成单一构型的组装。

Pd3(L4)6的(a1H NMR谱(400 MHz300 K),(bESI-MS,(c,d)晶体结构的主视图和俯视图。


总而言之,作者合成了四种不对称配体L1–L4。与配体L1相比,L2L3的长度逐渐增加,L4一侧的配位位置由间位变为对位。与基于配体L1的不同异构体相比,L2L3L4的自组装随着长度或角度不对称性的增加显示出极好的构象控制,尤其是在Pd2(L3)4Pd3(L4)6中,仅存在单一顺式构型。结果表明,通过增加不对称性,精确控制组装体的构象,形成离散的顺式PdnL2n分子笼。这为设计基于不对称配体的具有高度可控性的复杂超分子结构提供了一条新的途径。









Conformational Control of a Metallo-Supramolecular Cage via the Dissymmetrical Modulation of Ligands

Hao Yu, Jiaqi Li, Chuan Shan, Tong Lu, Xin Jiang, Junjuan Shi, Lukasz Wojtas, Houyu Zhang,* and Ming Wang*

DOI: 10.1002/anie.202111430

Angew. Chem. Int. Ed.2021,60, 1–6


weinxin
我的微信
关注我了解更多内容

发表评论

目前评论: