JACS：这个“情人节”你怎么过？看看超分子化学中的“一见钟情”！
超分子化学家利用不同双N-给体配体L与Pd(II)盐组装可以得到通式为[PdnL2n]X2n的钯基金属超分子组装体，其结构丰富，包括从简单的单核配合物到n=30的巨型笼状结构以及拓扑复杂的互锁结构。迄今为止，报道的大多数[PdnL2n]X2n组装体都是由单一的桥联配体组成。然而，杂配体组装体的可控性合成报道相对较少。相对于生成多种配合物的混合物而言，生成特定的杂配体组装体是一个巨大挑战。例如，对于两种配体L和L′，组装得到的双核配合物（n=2）有6种可能的结构，而得到三核配合物（n=3）有13种可能的结构。因此，到目前为止，大多数课题组的报道都集中在含有两个Pd2+的杂配体配合物，含有两个以上Pd2+离子的[PdnL2n]X2n型杂配体组装体的报道也仅仅只有四个：Chand课题组报道的[Pd5L5L′5](BF4)10五角星型组装体，Mukherjee课题组报道的[Pd6L6L′6](NO3)12三棱柱组装体以及Fujita课题组报道的十二核[Pd12L12L′12](BF4)24和[Pd12L23L′](NO3)24分子笼。
最近，瑞士洛桑联邦理工学院Kay Severin教授利用筛选虚拟组合库（VCL）的方法构建了特定杂配体Pd6L6L′6分子笼。通过将六种不同的双吡啶基配体与亚化学计量[Pd(CH3CN)4](BF4)2混合，得到了[PdnL2n](BF4)2n组装体的虚拟组合库。当反应混合物达到平衡时，优先生成新颖的热力学稳定的杂配体[Pd6L6L′6](BF4)12组装体，成功实现了高核数Pd基杂配体分子笼的整体自分类。相关研究成果发表在J. Am. Chem. Soc.上（DOI: 10.1021/jacs.0c12793）。
在之前的研究报道中，该课题组设计合成了六种联吡啶配体（L1−L6），结构如Figure 1所示。这些配体分别与Pd(II)盐组装可以得到单一配体的[PdnL2n]X2n组装体。配体L1生成四面体，L2−L4生成双核配合物，L5生成十二面体，L6生成的是互锁结构。
Figure 1. 配体L1−L6及其组装体示意图
（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
作者首先做了一个竞争实验，将等摩尔量的六种配体与亚化学计量[Pd(CH3CN)4](BF4)2组装得到澄清溶液（Figure 2）。通过核磁共振氢谱表明，化学位移在7.4-9.0 ppm之间的区域是配体本身的信号，9.0 ppm以上的信号则应归属于Pd组装。将这些信号与单一配体组装体的信号进行比对时，作者发现小信号对应的是前期报道的高稳定性[{Pd2(L6)4}2](BF4)8互锁分子笼。除了该信号外，还有一些更强的新组装体信号。为了进一步确定主要的反应产物，作者用Et2O/戊烷将[PdnL2n]X2n配合物从剩余的自由配体中沉淀出来。对溶液中剩余配体的氢谱信号进行分析，结果表明配体L1和L5信号消失，完全反应。对沉淀的氢谱信号分析表明生成的是一种具有高度对称性的产物，并且该产物含有等量的L1和L5配体。另外，质谱信号也表明在[{Pd2(L6)4}2](BF4)8的信号旁边，发现了对应于包含L1和/或L5的六核配合物的信号（L1和L5具有相同的分子质量）。综合上述数据分析，作者认为竞争实验的主要产物是[Pd6(L1)6(L5)6](BF4)12。
Figure 2. 配体L1−L6与亚化学计量Pd(II)盐组装示意图
（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
为了进一步证实他们的推测，作者利用等摩尔量的L1、L5和[Pd(CH3CN)4](BF4)2混合组装，反应得到的产物与竞争实验中观察到的主要产物的核磁共振信号相同。DOSY 表明，这种新颖的杂配体组装体的分子大小介于已知的同配体配合物[Pd4(L1)8](BF4)8和[Pd12(L5)24](BF4)24之间，质谱也同样证实了六核组装体的生成。为了证明[Pd6(L1)6(L5)6](BF4)12不是动力学产物，作者在不同的起始条件下重复竞争实验。使用等摩尔量的预制组件[Pd2(L3)4](BF4)4和[Pd2(L4)4](BF4)4作为Pd2+的来源，与L1、L2、L5和L6（各4当量）组装（Figure 3），得到的核磁信号与六个配体的竞争实验信号相似，[Pd6(L1)6(L5)6](BF4)12为主产物，该对照实验证实了杂配体组装体具有更高的热力学稳定性。作者还利用配体L1−L6与化学计量的Pd2+的反应（[配体]总量:[Pd]=2:1），如预期的那样，反应的氢谱非常复杂，这表明形成了多个组装体而不是少数特定的配合物。
Figure 3. 单一配体组装体向杂配体组装体转化示意图
（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
作者通过X射线单晶衍射得到了[Pd6(L1)6(L5)6](BF4)12三角反棱柱分子笼结构（Figure 4），其中六个Pd2+离子占据了三角反棱柱的顶点，棱柱的两个三角面是[Pd3(L1)3]6+大环，由六个L5配体桥联组成最终的结构。值得注意的是，虽然从熵的角度来看，生成低核配合物是有利的。但作者推测高稳定性[Pd6(L1)6(L5)6](BF4)12六核配合物的优先生成是焓效应主导的。一方面，L1和L5的结合为Pd2+离子提供了特别有利的配位环境，从晶体上看，笼可以解构成[Pd4(L1)2(L5)2]8+大环片段，配体的几何形状允许金属离子呈现完美的180°配位（Figure 4b）。另一方面，相对于其他含有炔基和酰胺基的吡啶配体，L1和L5的芳基吡啶配体的碱性更高。最后，为了排除该结构的生成不是阴离子模板效应起主要作用，作者用六氟磷酸络合物[Pd(CH3CN)4](PF6)2与L1和L5进行了组装，也得到了杂配体分子笼，这充分表明笼的生成不是由特定的阴离子而决定的。
Figure 4. 杂配体组装体[Pd6(L1)6(L5)6](BF4)12的晶体结构（a）及其拆解大环片段（b）
（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
最后，作者对该结果进行了延伸，探究了同配体L1和L5类似的金属有机配体L7和L8与Pd(II)盐的组装情况。这两个含有惰性铁螯合物作为连接基团的配体最终组装得到了类似的六核杂配体组装体[Pd6(L1)6(L5)6](BF4)12，并且其结构通过核磁、质谱、X射线单晶衍射和MMFF计算等手段得到了证实。
小结：作者通过筛选虚拟组合库（VCL）方法实现特定杂配体Pd6L6L'6分子笼的可控性合成。该方法让人耳目一新，文中对照实验的设计较为巧妙，在求证的过程中思考得也非常全面，该文章为构筑新颖的杂配体分子笼提供了新思路。