弗林德斯大学Witold M. Bloch团队Chem. Sci.：四重互锁配位笼中卤化物诱导组装和选择性识别硫酸氢盐

互锁配位笼因其独特的结构特征、分隔空腔和动态机械特性而引起了广泛关注，在阴离子识别、自适应传感及催化等领域具有广阔的应用前景，但将互锁结构的空腔设计为选择性客体识别仍然具有挑战性。

Witold M. Bloch团队定义三种常见的Pd₄L₈型互锁笼结构为I型、II型、III型（图1a）。I型笼结构以单体Pd₂L₄笼为动力学中间体，其三个空腔中均含有相同的阴离子客体。并且，I型笼结构的外部空间展示出对较小卤素客体的变构结合，导致沿Pd^…Pd方向的结构压缩，同时中间空腔扩大当使用较大的BF₄^-离子时，较短的双单齿配体会导致单体笼成为热力学产物。在这种情况下，卤素添加剂能触发形成III型互锁结构，其中相同卤素客体占据三个空腔。II型笼结构同样源于热力学稳定的Pd₂L₄单体笼结构，其中卤化物触发了互锁笼的组装，仅中间口袋被卤化物占据，而两个外侧口袋可用于与更大的阴离子交换。该笼具有大体积配体，由于空间位阻的原因，仅允许形成二聚体（图1a）。在该文中，作者报道了一种柔性非配位的双吡啶甲烷骨架构成的Pd₂L₄自组装（图1b）。实验表明，卤素离子（Cl^-和Br^-）能够在不依赖配体骨架的立体位阻条件下，促使该笼子互穿，形成II型互锁结构。互穿二聚体内的两个外腔优先结合四面体客体，并对HSO₄^-具有高选择性。

图1：（a）根据模板阴离子体积和配体D_N-N分离的三种类型的Pd₄L₈互锁结构，在II型结构中，外部口袋被弱结合的反离子占据。(b)利用具有理想尺寸的双吡唑甲烷配体来获得对硫酸氢盐具有高结合选择性的II型互锁结构。

作者首先将[Pd(CH₃CN)₄](BF₄)₂与L以1：2比例在DMSO中混合时，核磁表示其为单一产物，并且未形成螯合物。电喷雾电离质谱（ESI-MS）表现出[Pd₂L₄+nBF₄]^4-n+（n=0-2）的显著峰（图2b），证实了预期笼状产物（1）的存在。将1的DMSO溶液加热至70℃时，¹H NMR光谱和ESI-MS揭示出复杂的混合物（图2a），这表明该笼是一个动态中间体。

图2：（a）（i）L;（ii）笼1，在DMSO中的动力学产物;（iii）在相同溶液，70°C下加热2小时的1的¹H NMR光谱（500 MHz，DMSO-d₆，25°C）。（b）1：[Pd₂L₄+nBF₄]⁴⁻ⁿ⁺（n=0-2）的ESI-MS光谱。（c）1的X射线结构。

而当以CD₃CN为溶剂时，将[Pd(CH₃CN)₄](BF₄)₂与L的1：2混合物加热至70℃保持2小时后，仅得到单体笼状化合物1为唯一产物（图3a）。晶体结构表明尽管bpm核心在固态下保持syn-构象，但并未发生配位（图2c）。1的D_N-N分离的测量值为15.2 Å，这反映了由亚甲基链周围的旋转自由度提供给bpm的可伸缩性。此外，1的晶体堆积揭示了其结晶过程，其中大量紧密的相邻笼状分子中吡唑和吡啶环之间π-堆积相互作用发挥了关键作用。

随后，作者研究了1在卤化物存在时的互穿倾向。在0.5 eq的Cl^-存在下加热1，可以得到一种新的互穿结构，标记为Cl@2，¹H NMR和ESI-MS证实了这种互锁结构（图3a和b）。另一方面，加热1与0.5 eq的Br^-几乎定量地生成Br@2，这也通过¹H NMR和ESI-MS得到证实。对于Cl@2，仅观察到对应于溶剂化BF₄^-和单个宽¹⁹F共振峰，而Br^-模板二聚体的¹⁹F NMR光谱显示出在151 ppm和146 ppm处有两个明显共振峰（图4c）。这些分别指代自由和被包封地BF₄^-阴离子。¹⁹F交换光谱（EXSY）证实了它们在25℃的交换（图4d）。Br@2外腔中BF₄^-阴离子的更强结合可归因于更大的Br^-模板，其位于中央口袋内，推动互穿的笼子更加靠近，减小了外腔的可用体积。DOSY分析表明两种模板二聚体的扩散速率均为4.6×10^-10 m² s^-1。

图3：（a）（i）L;（ii）笼1，CD₃CN中的热力学产物;（iii）Cl@Pd₄L₈-Cl@2和（iv）Br@Pd₄L₈-Br@2的¹H NMR光谱（600 MHz，CD₃CN，25℃）。（b）Cl@2（绿色球）的ESI-MS光谱。（c）Br@2（红色球）的ESI-MS光谱。

图4：（a）Cl@2和（b）Br@2的X射线结构，其中示出了Pd^…Pd分离距离。D_N-N=14.8 Å。（c）（i）Br@2和（ii）Cl@2的¹⁹F NMR光谱（565 MHz，CD₃CN，25°C）。（d）Br@2的¹⁹F-¹⁹F EXSY光谱（376.5 MHz，CD₃CN，25°C）。

两种互锁结构的单晶结构表明，无论是Cl^-模板还是Br^-模板的双分子体，均为正交空间群（Cl@2为Pbcn，Br@2为Ccc2），其中每个不对称单元包含一般的双笼结构。与1的结构不同，X@2中的双吡唑烷基单元的反式构象中具有两个相同的旋转构象，包括每个Pd₂L₄单元，这突显了bpm核的旋转自由度。由于bpm配体缺乏在存在BF₄^-时会阻止互穿的大型基团，作者提出配体的D_N-N中间态分离促进了Pd₂L₄单体笼的组装，该笼随后可被卤化物触发形成X@2。值得注意的是，容纳BF₄^-阴离子的Pd₂L₄笼通常要求D_N-N的距离大于8 Å。因此，作者基于X@2的尺寸推测出这一假设。中心空腔中的BF₄^-阴离子导致外部空腔过小而不利于BF₄^-阴离子的容纳，或者配体会因键的应变而承受能量损失以扩展其D_N-N，可能会破坏有利的C-H^…π相互作用。有趣的是，在笼1的BF₄^-阴离子存在下，NO₃^-无法模板化互锁二聚体（图5a）。相比之下，L与Pd(NO₃)₂的自组装直接生成二聚体笼和自由配体的混合物，而单体笼未被检测到（图5b）。ESI-MS的显著峰证实了这一结果，归属于3NO₃@2（图5c）。在较小NO₃^-阴离子存在下，从II型过渡到I型互锁结构的清晰转变进一步突显了D_N-N分离对于限制中心和外部空腔体积的重要性。

图5：（a）1+0.5 eq的NO₃⁻，在70°C下加热2 h。（b）L和Pd(NO₃)₂的2：1混合物，在70°C下加热3 h的¹H NMR光谱（600 MHz，CD₃CN，25°C），红色表示游离配体。（c）3NO₃@2（蓝色球体）的ESI-MS光谱。

接下来，作者在CD₃CN中探究了卤化物模板化二聚体对一系列单阴离子客体的结合能力。作者通过质子g的¹H NMR谱得到了Cl@2和ClO₄^-的1：2结合模型的结合常数K₁和K₂分别为(3.4±0.8)×10⁴ M^-1，(1.5±0.03)×10³ M^-1，和ReO₄^-的结合常数K₁=(1.2±0.4)×10⁴ M^-1，K₂=(3.8±0.2)×10³ M^-1，这表明结合是非配位的。对于NO₃^-客体，内指向质子（g、f、e和c）和外指向质子（f和c）的¹H NMR谱同时发生向低场移动，表明其为非特异性结合。较大的PF₆^-和OTf^-阴离子仅在笼的外部结合（表1）。

为了比较卤素模板在内腔中的作用，作者还研究了Br@2的阴离子结合行为（表1）。结果表明其与ClO₄^-的结合常数拟合结果比Cl@2低一个数量级。Br@2较Cl@2结合弱的现象归因于其较小的外部腔体导致的BF₄^-紧密结合与ClO₄^-客体间的更激烈竞争。

表1：X@2在CD₃CN中25°C下的阴离子交换平衡常数的总结。

随后，作者探究了X@2对四面体阴离子的选择性结合是否可扩展到硫酸氢盐（HSO₄^-）。鉴于HSO₄^-是体积为58.9 Å的正四面体阴离子（介于ClO₄^-和ReO₄^-之间），作者假设其能轻易被互锁的宿主所包封。事实上，向Cl@2中加入2 eq的HSO₄^-后，指向外部口袋的质子g和f发生了明显且相对缓慢的变化。与ReO₄^-客体不同，吡唑质子c的位移极小，表明HSO₄^-客体沿Pd₄轴排列，恰好位于外部腔室的Pd^II之间。ESI-MS分析结果也证实了主客体复合物的存在。

作者随后利用等温滴定量热法（ITC）研究了磺酸根阴离子滴定Cl@2的等温线。数据结果证实了预期的1：2主-客体化学计量关系（图6a），得到的离子交换平衡常数K₁=3.3×10⁶ M^-1和K₂=3.1×10⁴ M^-1，比ClO₄^-和ReO₄^-高一个数量级。热力学数据显示，Cl@2在两个位点上的阴离子交换过程是吸热和熵驱动的（图6c）。在Br@2的HSO₄^-结合常数显示比Cl@2低一个数量级（表1）。对于Br@2，第二个BF₄^-阴离子交换为HSO₄^-的过程是不在熵效应上稍显不利，按时其在结合过程中，宿主可能会失去一些自由度。有趣的是，两种互锁笼子对于二氢磷酸（H₂PO₄^-）均无亲和力，其也是一个四面体阴离子，体积略高于HSO₄^-。这表明阴离子体积在决定这一半柔性互锁宿主的协同性方面起着重要作用。

最后，作者进行了竞争实验评估了X@2对HSO₄^-在ClO₄^-和ReO₄^-上的选择性。通过向Cl@2中滴定等量的ClO₄^-和HSO₄^-，质子g的偏移表明(HSO₄^-)₂Cl@2络合物在混合物中占据主导地位（图6d）。ClO₄^-的存在仅导致质子f的偏移，该质子指向笼腔外部（图6d）。HSO₄^-的主-客体络合物的稳定性可能于客体的最佳尺寸以及客体酸性质子与主体富电子吡唑环之间形成O-H^…π相互作用的可能性有关。

图6（a）用四丁基硫酸氢铵滴定Cl@2的MeCN溶液时产生的热流。（b）根据累积热和客体的当量得到的结合等温线。（c）客体交换的热力学参数。（d）竞争实验的¹H NMR光谱（600 MHz，CD₃CN，25°C）：（i）Cl@2;（ii）Cl@2+2 eqClO₄^-，（iii）Cl@2+2 eqClO₄^-和HSO₄^-，（iv）Cl@2+2 eqHSO₄^-。

总之，作者报道了一种新型互锁配位笼的阴离子模板组装，其中两个外部口袋可以选择性地结合HSO₄^-阴离子。首先，作者通过适当的溶剂选择和化学计量控制，可以分离出由非配位bpm骨架组成的化学稳定单体笼。这种笼的中间尺寸促进了Cl^-或Br^-模板的BF₄^-反离子存在下形成罕见的II型互锁二聚体。使用NO₃^-反离子的自组装实验进一步强调了反离子的体积在达到I型或II型笼结构的重要性。比较Br^-和Cl^-模板二聚体之间的主客体化学，发现尽管模板阴离子体积差异很小，但其阴离子结合能力有很大差异，这可能与调节空腔尺寸有关。最后，ITC和¹H NMR实验揭示了X@2对HSO₄^-的选择性结合，在二元混合物中的竞争力超过了相似大小的阴离子。

Title: Halide-triggered assembly and selective bisulfate recognition in a quadruply interlocked coordination cage

Authors: Jemma I. Virtue, Steven Tsoukatos, Martin R. Johnston and Witold M. Bloch*

To be cited as: Chem. Sci., 2024, Advance Article.

DOI: 10.1039/d4sc04913f