金属超分子自组装可以直接生成具有特定尺寸和形状的大量纳米级物体。目前大多数已报道结构都是基于单一配体的自组装，而最近，将多个不同的构建块组装到单个结构中成为发展趋势，目前已经开发多种策略以避免统计混合物的形成。本研究通过原子热力学计算，重现和解释了两个同配体分子笼自排序为一个异配体分子笼的过程。同时进一步展示了如何通过添加双阴离子客体来完成组装分离过程（图 1）。
图 1. 两种形状互补的配体 LA 和 LB 能够分别与 Pd(II) 阳离子反应生成螺旋结构Pd2LA4 或三核Pd3LB6。在 DMSO 中混合时，它们定量组装成异配体分子笼 Pd2LA2LB2，将溶剂更改为 MeCN后，可以部分重新转化为共存的Pd2LA4和Pd3LB6。通过用阴离子客体选择性沉淀Pd3LB6可以实现完全分离。
实验部分
作者将同配体螺旋组装体 Pd2LA4与配体 LB在 DMSO 中混合，定量形成多组分分子笼 Pd2LA2LB2，两个配体呈顺式关系。或者，将两个同配体组装体 Pd2LA4 和Pd3LB6以 3:2 的比例组合，也可以产生 Pd2LA2LB2。1 H NMR 分析表明，整合组装产物显示出的信号相对于自由配体的信号发生了偏移，并且也不来自于任何同配组装体（图 2a，底部）。其中，Pd2LA2LB2 中配体 LA 质子 Ha的偏移，在异配组装体中为10.4 ppm，而由于高度扭曲的同配螺旋 Pd2LA4 中相邻的异喹啉 π 表面，该质子向高场偏移至 9.4 ppm。此外，高分辨率 ESI-MS清楚地表明了非统计组装产物的形成（图 2b）。
接下来，作者将溶剂从 DMSO更改为极性稍强的乙腈。第一种方法是在 CD3CN 中制备系统（两种配体的化学计量为 1:1），第二种是通过冻干将 Pd2LA2LB2从 DMSO 中释放出来，重新溶解在乙腈中，然后在 70°C 下加热。1 H NMR 分析表明，在这两种情况下，都形成了三组分混合物，分别为螺旋 Pd2LA4、三核分子笼Pd3LB6 和杂配位分子笼 Pd2LA2LB2（图 2a，顶部）。
图 2. a) NMR 光谱；b) Pd2LA2LB2的 ESI-MS。
图 3. a) 芳香族客体 G2 和脂肪族客体 G1 分别在Pd2LA2LB2和Pd3LB6中进行分配；b) ESI 质谱表明主客体复合物 G1@Pd2LA2LB2和 G2@Pd3LB6 的选择性形成。
理论研究
为了解释组装反应的溶剂依赖性，作者建立了化学计量反应方程：2 Pd2LA2LB2→Pd2LA4 + 2/3 Pd3LB6。分别基于溶剂 DMSO 和 MeCN 中的原子结构进行热力学计算（表 1 和图 4 ）。与 QM 结果相比，更简单的FF 模型更接近参考值，两种模型一致指出，杂配位笼在DMSO中更易生成。虽然纯气相自由能差（∆rAgas）主要由高能量组分（∆rUgas）主导，但溶剂化作用抵消了影响，这是形成杂配复合物的原因。
表1 由实验分析得出总反应、气相反应和溶剂化热力学对自组装反应的贡献[kcal mol-1]。
图 4. 使用表 1 中的数据，通过 QM和 FF方法在两种溶剂中计算得出的总反应、气相反应和溶剂化热力学对反应 (1)的贡献 [kcal mol-1]。。
在解释相对溶剂倾向时，作者强调只有溶剂化贡献才是相关的，因为气相部分会抵消。因此，作者对溶剂化成分进行了单独分析。通过观察各个分子笼的溶剂化熵相关性发现，Pd2LA4在DMSO中相对于Pd2LA2LB2增加了约12%，而在MeCN中没有显著变化。对Pd3LB6的比较显示，在两种溶剂中溶剂化熵差约为32%。因为 Pd2LA4具有特殊扭曲几何形状和较窄内部腔体，其在 DMSO 中表现出更强的熵减效应，这表明较大溶剂分子 DMSO 从较窄腔体中排出溶剂的趋势更强，而较小的 MeCN则不会。通过3D RISM理论可进一步验证这一假设，展示了溶剂化熵的空间分布。
作者还利用3D和1D分布分析了某些溶剂位点，观察到两种溶剂均倾向于与Pd原子配位（图 5）。结果表明，较大DMSO分子从较窄空腔的均配位分子笼腔中排出对在熵驱动分子笼转化中起重要作用。
图 5. a) QM 优化分子笼结构的透视图；b) 从 EC-RISM 计算中获得的各个笼子周围 DMSO 氧和 MeCN 氮位点的径向溶剂分布函数 g(r)。
综上所述，作者报道了一种自分类分子笼 Pd2LA2LB2，并将溶剂从DMSO转换为MeCN后，会转变为同配组装体和异配组装体的混合物。此外，研究团队通过将不同客体分子引入Pd2LA2LB2和Pd3LB6的混合物中，利用两种主客体的结合偏好，对客体分子进行了分离。该工作结合了实验和理论结果，推动了对复杂自组装系统平衡体系中溶剂依赖性变化的理解。未来的研究可以通过使用中等大小的溶剂分子（如丙酮）来验证溶剂化驱动转化的假设，并探索通过溶剂混合物来调节平衡。
文献详情
Title：Solvent-Controlled Separation of Integratively Self-Sorted Pd2LA2LB2 Coordination Cages
Authors：Kristina E. Ebbert, Fabian Sendzik, Laura Neukirch, Lukas Eberlein, André Platzek, Patrick Kibies, Stefan M. Kast,* Guido H. Clever*
To be cited as: Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202416076
DOI: 10.1002/anie.202416076
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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