Angew：蘊含幸運的納米三葉草

金屬離子誘導的構象和結構轉變被廣泛研究，以賦予相應結構各種豐富功能，尤其是金屬籠狀結構的構築掀起了一波研究浪潮。科學家利用剛性有機配體和不同的過渡金屬，基於配位導向自組裝構築了許多新穎的結構。但是，大多數報導多集中於籠的生成，對失去金屬離子後的結構和功能變化的報導較少。

最近，日本東邦大學Yoichi Habata教授及合作者設計合成了基於12元環多胺衍生的配體1（Figure 1）及其銀離子配合物，並對相應結構進行了表徵。組裝過程中，配體1與Ag+形成的二聚物（1/Ag+摩爾比為2:2）和三葉草配合物（1/Ag+摩爾比為3:5）之間可以實現可逆結構轉變。實驗還表明，三葉草配合物可以選擇性地包裹苯分子，並驗證了苯分子與配體分子之間的C-H···F-C相互作用是特異性識別的關鍵所在。相關研究成果發表在Angew. Chem. Int. Ed.上（DOI: 10.1002/anie.202010436）。

Figure 1. 配體1結構（來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

首先作者利用核磁手段對組裝過程進行了探究。通過核磁譜圖化學位移變化可知，向配體1溶液中逐漸加入AgOTf，在配體峰附近產生了新峰。隨著配體1與Ag+形成配合物，相鄰芳環之間存在屏蔽作用，導致配體1中的Hd和Hf質子分別向高場移動；側臂中的Ha、Hb、Hc和He質子分別向低場移動。當Ag+的當量超過1.0時，核磁上配體Hb和Hc的信號又會向低場位移（Figure 2）。因此核磁滴定結果表明，配體1中吡啶N原子與Ag+間存在配位作用，並且在Ag+加入當量約為1.0 和1.7時分別出現了兩個拐點。作者認為配體1與Ag+存在兩步絡合反應，在溶液中分別形成了摩爾比為1:1和1:1.7的兩種配合物。

Figure 2 Ag+誘導的1H NMR光譜變化（來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

冷噴霧電離質譜（CSI-MS）手段也證明了兩種比例配合物的存在。配體1與1.0當量Ag+組裝溶液的質譜在m/z=1880處以配合物[12Ag2(OTf)]+的峰為主，當加入2.0當量Ag+後，在m/z=1628處形成一組新的峰，為 [13Ag5(OTf)3]2+物種。另外，作者通過紫外-可見滴定實驗估算了配體1和Ag+離子之間的結合常數，logβ1為19.5，logβ2為39.6。

Figure 3 12Ag2(OTf)2的X-射線晶體結構（來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

作者還成功解析了不同摩爾比的Ag+配合物的單晶結構，其中12Ag2(OTf)2的晶體結構表明，Ag+中心與大環多胺的N4-供體以及相鄰配體1中的一個吡啶氮原子呈五配位構型，最終生成2:2二聚體結構（Figure 3）。其次，X-射線晶體測試結果表明13Ag5(OTf)5為獨特的三葉草結構，該結構中存在兩種不同配位環境的Ag+原子，分別位於環的內側（Ag1）和外側（Ag2）。同時，兩個外側臂的手性構象為ΔΔΔ和ΛΛΛ。Ag1原子與大環多胺的N4進行配位，四個芳香側臂包裹在Ag+離子周圍。Ag2充當連接與來自三種不同配體的吡啶氮原子形成三配位構型。該結構是首例基於大環多胺的三葉草配合物（Figure 4）。

Figure 4 13Ag5(OTf)5的X-射線晶體結構（來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

接下來，作者探究了兩種結構之間的相互轉化。根據文獻調研，Ag+和四(2-羥乙基)環化物、4-甲基吡啶和[2.2.2]穴狀配體之間的穩定常數（logK）分別為11.16、2.21和9.6。這些表明，[2.2.2]穴狀配體可以破壞吡啶基團與Ag+的配位，而大環多胺與Ag+的配位將不受影響。因此，作者利用核磁滴定實驗研究了2:2二聚體和3:5三葉草配合物的可逆性結構轉變。結果表明，向三葉草結構中加入1 mol的[2.2.2]穴狀配體時，溶液中全部轉化成二聚體信號；進一步向溶液中加入過量的Ag+時，吡啶單元又會與Ag+重新配位，由二聚體結構向三葉草結構轉變；在此基礎上再加入[2.2.2]穴狀配體，該過程會進一步循環（Figure 5）。兩種結構的轉化通過CSI-MS滴定實驗再一次得到了驗證。

Figure 5 2:2和3:5配合物可逆性結構轉變過程的1H NMR譜圖變化（來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

由於三葉草配合物的晶體結構存在一個空腔，作者進一步展示了其在分子包裹中的應用。作者成功拿到了三葉草13Ag5(OTf)5與苯分子的主客體複合物（benzene@13Ag5(OTf)5）的晶體結構，其中苯客體分子與主體配體分子中的芳香單元存在六個C–H···π相互作用。此外，作者認為苯分子和主體配體分子之間的六個C–H···F相互作用更是極大增加了主客體結構的穩定性（Figure 6）。隨後，作者探究了主體對客體分子的特異性封裝，嘗試了三葉草配合物與苯和不同烷基苯（甲苯、對二甲苯和均三甲苯）客體形成1:1混合溶液。在所有條件下，只得到了苯與三葉草的主客體單晶。這是首例成功實現在甲苯、對二甲苯和均三甲苯中選擇性分離苯的主客體結構。為了驗證猜測，作者又合成了側臂苯環中不含氟基團的配體1的類似物配體2。配體2與配體1的組裝行為類似，可以與Ag+組裝得到1:1和3:5的Ag+配合物，並且兩種結構之間也存在著可逆性轉變。但不同的是,由於主體與客體分子間缺少C-H···F相互作用，23Ag5(OTf) 5沒有實現對苯分子的封裝。該對照實驗進一步證實了C-H···F相互作用在主客體包裹中的重要性。

Figure 6 Benzene@13Ag5(OTf)5的X-射線晶體結構（來源：Angew. Chem. Int. Ed.）

小結：小編認為本篇文章寫作思路清晰，非常適合科研入門者了解掌握科研的基本思維。作者以配體設計入手，首先探究了配體1與Ag+的組裝過程，通過核磁滴定，驚奇地發現該組裝過程存在著兩個拐點；然後以這個現象為切入點，利用核磁、質譜、紫外吸收、X-射線單晶衍射等手段一步步揭開迷霧；最後證實該過程存在二聚體和三葉草兩種結構。接下來作者又在這個結果的基礎上往前走了一步，提出了一個問題，即這兩個結構之間是否存在相互轉換？為了解決這一問題，作者調研了文獻，發現了不同配體和Ag+的鍵合能力不同，進而設計了一系列滴定實驗來證實猜測。至此，很多人認為研究到這樣的結構轉化就可以了。但作者為了進一步提升高度，展示了主體對客體分子的包裹。當然這個想法不是憑空產生的，而是作者看到晶體中三葉草結構中存在一個空腔，於是想到可以利用空腔來做點事情。更有意思的是，當作者發現主體可以特異性選擇苯分子時，又設計了一個對照實驗，講清楚了鍵合機理，非常巧妙。最終作者講述了一個非常完美的閉環故事，看似簡單但邏輯思維非常縝密。