到目前为止，具有确定的空腔、不对称形状和官能团修饰的金属超分子笼，通常采用多组分配体自组装或手性的引入等方法来合成，例如在金属中心上使用手性螯合帽、在配位供体上使用或顶点导向的手性基团、使用非手性客体分子或对映体纯的配体骨架等。
若使用手性配体的外消旋体进行自组装配位笼，则可能会生成混合的非对映异构体。在这种情况下，对于一个Pd2L4笼状分子，有两种不同的结果：要么配体自分类形成同手性笼，要么两个对映异构体自分类形成非手性化合物。
图1 配体BAAZU - 1的外消旋体与Pd (Ⅱ)配位后，在使用氢键受体溶剂MeCN或DMSO时，发生手性自分类，排列成meso-trans笼状Pd2L4。当用较差的氢键受体MeNO2代替时，体系不发生自分类。
在本文中，作者介绍了一种新的具有氢键修饰的手性配体，其能与氢键接受溶剂分子产生特异性相互作用，并在Pd2L4笼中提供能手性自分类的氨基。基于实验和计算证据，作者展示了溶剂桥联邻近配体的氨基是如何驱动体系朝向单一的RSRS笼非对映异构体进行。
方案1 配体BAAZU - 1和BAAZU - 2的制备路线。
作者以化合物1为原料，经5步反应合成得到了手性骨架6 ( 2,2′-二氨基[ 1,1′-联茴香烯] , ' BAAZU ')。接着，他们用氯甲酸异丁酯对氨基进行保护，经溴代、偶联、脱保护后得到了目标配体BAAZU - 1和BAAZU - 2。
图2 ( a ) BAAZU - 1在CD3CN中的1H NMR谱图，( b ) [ Pd2BAAZU-1enant4 ] ( BF4 ) 4在CD3CN (左)、氘代dmso (中)和CD3NO2 (右)中1H NMR 谱图随时间的变化；( c )含有CD3CN和DMSO溶剂分子的meso - trans Pd2BAAZU - 1rac4的X射线结构。
然后，作者研究了BAAZU - 1外消旋体与Pd (Ⅱ)阳离子在乙腈、DMSO和硝基甲烷中形成的笼状结构。在乙腈中，70 ° C加热1h后，1H NMR谱图中出现了许多信号，在ESI – MS也能看见Pd2BAAZU - 14物种的信号，因此他们推断NMR所观察到的多重信号属于几种可能的非对映异构体的混合物。然而，在70 ° C加热24小时后，NMR谱图消失，只显示出一个主要物种，ESI - MS再次确证该化合物为Pd2BAAZU – 14。在四种可能的同分异构体中，只有对称性较高的两种结构可以产生这样的构型：具有D4对称性的同手性笼RRRR和SSSS，以及具有D2d对称性的meso - trans笼RSRS。在DMSO中也观察到了相同的现象，在70 ° C加热1h后就出现了主要物种，5h后转化完全。然而，在硝基甲烷中，即使在70 ° C加热3天后，也只观察到笼子的混合物。
图3 用DFT优化了Pd2BAAZU - 1rac4的四种可能异构体的结构，并计算了它们相应的相对能量。
基于这一现象，作者利用DFT对笼子在不同溶剂下的构型进行了优化。这些计算表明，溶液中最稳定的同分异构体应该是同手性RRRR / SSSS笼。随后，他们将二异丙醚缓慢扩散到含笼的乙腈和DMSO的溶液中获得了晶体结构。单晶结构表明，实际结果与第一轮计算预测的最稳定的异构体相反，这里得到的结构是meso - trans RSRS笼。结构揭示了每一对氨基是由两个溶剂分子桥连的，一个在上面，一个在下面，它们的氢键受体基团( - CN或- SO)与氨基的氢在2.2到2.7Å范围内，这是典型的氢键距离。在晶体堆积中，配体骨架之间或笼子之间没有观察到π - π堆积作用。
图4 ( a ) BAAZU-1 (上)和[ Pd2BAAZU-1enant4 ] ( BF4 ) 4在CD3CN中的1H NMR ( 500 MHz , CD3CN , 298 K)；( b ) Pd 2 ( S ) - BAAZU - 14与氢键溶剂分子和中心包裹的BF4 -阴离子的X射线结构。。
由于担心加热时配体的消旋化，作者在CD3CN中用对映体纯配体在室温下形成笼状结构。室温下搅拌12 h后，可以观察到与配体具有相同数量的NMR信号的单一物种，但其位移与前面所述的meso - trans笼明显不同。在该笼子的单晶结构中，8个溶剂分子桥接了4对氨基，然而，由于结构上的差异，斜向排列的NH2基团与桥连溶剂分子之间的距离平均较大，表明氢键相互作用的稳定程度较低。通过X射线晶体学观察，新形成的物种的空腔中含有一个BF4 -抗衡阴离子，而meso - trans笼的空腔中只含有1个MeCN溶剂分子。对于两种笼子，其空腔体积相似，meso - trans空腔的体积为60Å3，而单手性笼的体积为63Å3。
考虑到这些氢键溶剂分子的定位，作者认为它们的存在对于笼子自分类影响很大。为了验证这一假设，他们用DMSO滴定硝基甲烷的笼溶液。在0.7 mM cage溶液中加入25 μL的DMSO后，只会出现一种主要的物种。因此，这一实验现象也证明了强氢键受体会触发meso - trans笼的自分类。
图5 ( a ) ( R ) - BAAZU - 1、配合物[ ( Pd-terpy ) 2 ( R ) - BAAZU-1] ( BF4 ) 4和笼状[ Pd2 ( R ) - BAAZU-14] ( BF4 ) 4在MeCN中70℃的CD谱图；( b ) 70 ° C时BAAZU - 1及其两个配位物种在MeCN中的CD信号在λ max处随时间的衰减。
除此之外，作者还研究了笼子消旋化的稳定性。首先，他们在乙腈中通过测量几个不同温度下CD信号随时间的衰减来监测配体的消旋化。Eyring分析得到消旋化反应的吉布斯自由能Δ G = 110.3 kJ / mol，在DMSO中测得消旋化速率减慢。他们推测这种速率的变化可能是由于配体的氨基与溶剂之间更强的氢键相互作用引起的。而在乙腈中，笼子的消旋速度比配体快得多。CD光谱测量表明，信号强度降低50 %只需要1h。
为了进一步证实导致meso - trans Pd2BAAZU - 14笼的手性自分类确实依赖于桥联配体-溶剂相互作用，作者还合成了含有7 -异喹啉给体基团的第二配体BAAZU - 2。当使用外消旋的BAAZU - 2配体成笼时，所得溶液的光谱在所有测试的溶剂中都没有显示出任何自分类。这一结果进一步表明了相邻- NH2基团和溶剂分子之间的氢键桥在第一个结构中的重要性。
综上所述，作者制备了一系列基于非手性2，2′-二氨基- [ 1 , 1′-联茴香烯]骨架的新型Pd2L4组装体。第一个BAAZU - 1配体的外消旋体在加入Pd (Ⅱ)后通过手性自分类自组装成meso - trans笼。这种现象依赖于所使用的溶剂，因为它需要在相邻配体的氨基之间形成氢键桥。同时，他们的研究结果也表明，溶剂效应在金属介导的组装过程中可能会成为关键决定因素。
文献详情
Title: Solvent-Directed Social Chiral Self-Sorting in Pd2L4 Coordination Cages
Authors: Alexandre Walther, Gers Tusha, Björn Schmidt, Julian J. Holstein, Lars V. Schäfer and Guido H. Clever*
To be cited as: J. Am. Chem. Soc. 2024, XXXX, XXX, XXX-XXX
DOI: 10.1021/jacs.4c12525
通讯简介
湖南大学何清课题组
研究方向｜超分子化学
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