【无机】Angew：蕴含幸运的纳米三叶草

金属离子诱导的构象和结构转变被广泛研究，以赋予相应结构各种丰富功能，尤其是金属笼状结构的构筑掀起了一波研究浪潮。科学家利用刚性有机配体和不同的过渡金属，基于配位导向自组装构筑了许多新颖的结构。但是，大多数报道多集中于笼的生成，对失去金属离子后的结构和功能变化的报道较少。

最近，日本东邦大学Yoichi Habata教授及合作者设计合成了基于12元环多胺衍生的配体1（Figure1）及其银离子配合物，并对相应结构进行了表征。组装过程中，配体1与Ag⁺形成的二聚物（1/Ag⁺摩尔比为2:2）和三叶草配合物（1/Ag⁺摩尔比为3:5）之间可以实现可逆结构转变。实验还表明，三叶草配合物可以选择性地包裹苯分子，并验证了苯分子与配体分子之间的C-H···F-C相互作用是特异性识别的关键所在。相关研究成果发表在Angew. Chem. Int. Ed.上（DOI: 10.1002/anie.202010436）。

Figure 1. 配体1结构

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

首先作者利用核磁手段对组装过程进行了探究。通过核磁谱图化学位移变化可知，向配体1溶液中逐渐加入AgOTf，在配体峰附近产生了新峰。随着配体1与Ag⁺形成配合物，相邻芳环之间存在屏蔽作用，导致配体1中的H_d和H_f质子分别向高场移动；侧臂中的H_a、H_b、H_c和H_e质子分别向低场移动。当Ag⁺的当量超过1.0时，核磁上配体H_b和H_c的信号又会向低场位移（Figure 2）。因此核磁滴定结果表明，配体1中吡啶N原子与Ag⁺间存在配位作用，并且在Ag⁺加入当量约为1.0 和1.7时分别出现了两个拐点。作者认为配体1与Ag⁺存在两步络合反应，在溶液中分别形成了摩尔比为1:1和1:1.7的两种配合物。

Figure 2 Ag⁺诱导的¹HNMR光谱变化

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

冷喷雾电离质谱（CSI-MS）手段也证明了两种比例配合物的存在。配体1与1.0当量Ag⁺组装溶液的质谱在m/z=1880处以配合物[1₂Ag₂(OTf)]⁺的峰为主，当加入2.0当量Ag⁺后，在m/z=1628处形成一组新的峰，为 [1₃Ag₅(OTf)₃]²⁺物种。另外，作者通过紫外-可见滴定实验估算了配体1和Ag⁺离子之间的结合常数，logβ₁为19.5，logβ₂为39.6。

Figure 3 1₂Ag₂(OTf)₂的X-射线晶体结构

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

作者还成功解析了不同摩尔比的Ag⁺配合物的单晶结构，其中1₂Ag₂(OTf)₂的晶体结构表明，Ag⁺中心与大环多胺的N₄-供体以及相邻配体1中的一个吡啶氮原子呈五配位构型，最终生成2:2二聚体结构（Figure 3）。其次，X-射线晶体测试结果表明1₃Ag₅(OTf)₅为独特的三叶草结构，该结构中存在两种不同配位环境的Ag⁺原子，分别位于环的内侧（Ag1）和外侧（Ag2）。同时，两个外侧臂的手性构象为ΔΔΔ和ΛΛΛ。Ag1原子与大环多胺的N₄进行配位，四个芳香侧臂包裹在Ag⁺离子周围。Ag2充当连接与来自三种不同配体的吡啶氮原子形成三配位构型。该结构是首例基于大环多胺的三叶草配合物（Figure 4）。

Figure 4 1₃Ag₅(OTf)₅的X-射线晶体结构

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

接下来，作者探究了两种结构之间的相互转化。根据文献调研，Ag⁺和四(2-羟乙基)环化物、4-甲基吡啶和[2.2.2]穴状配体之间的稳定常数（logK）分别为11.16、2.21和9.6。这些表明，[2.2.2]穴状配体可以破坏吡啶基团与Ag⁺的配位，而大环多胺与Ag⁺的配位将不受影响。因此，作者利用核磁滴定实验研究了2:2二聚体和3:5三叶草配合物的可逆性结构转变。结果表明，向三叶草结构中加入1 mol的[2.2.2]穴状配体时，溶液中全部转化成二聚体信号；进一步向溶液中加入过量的Ag⁺时，吡啶单元又会与Ag⁺重新配位，由二聚体结构向三叶草结构转变；在此基础上再加入[2.2.2]穴状配体，该过程会进一步循环（Figure 5）。两种结构的转化通过CSI-MS滴定实验再一次得到了验证。

Figure 5 2:2和3:5配合物可逆性结构转变过程的¹H NMR谱图变化

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

由于三叶草配合物的晶体结构存在一个空腔，作者进一步展示了其在分子包裹中的应用。作者成功拿到了三叶草1₃Ag₅(OTf)₅与苯分子的主客体复合物（benzene@1₃Ag₅(OTf)₅的晶体结构，其中苯客体分子与主体配体分子中的芳香单元存在六个C–H···π相互作用。此外，作者认为苯分子和主体配体分子之间的六个C–H···F相互作用更是极大增加了主客体结构的稳定性（Figure 6）。随后，作者探究了主体对客体分子的特异性封装，尝试了三叶草配合物与苯和不同烷基苯（甲苯、对二甲苯和均三甲苯）客体形成1:1混合溶液。在所有条件下，只得到了苯与三叶草的主客体单晶。这是首例成功实现在甲苯、对二甲苯和均三甲苯中选择性分离苯的主客体结构。为了验证猜测，作者又合成了侧臂苯环中不含氟基团的配体1的类似物配体2。配体2与配体1的组装行为类似，可以与Ag⁺组装得到1:1和3:5的Ag⁺配合物，并且两种结构之间也存在着可逆性转变。但不同的是,由于主体与客体分子间缺少C-H···F相互作用，2₃Ag₅(OTf)₅没有实现对苯分子的封装。该对照实验进一步证实了C-H···F相互作用在主客体包裹中的重要性。

Figure 6 Benzene@1₃Ag₅(OTf)₅的X-射线晶体结构

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

小结：小编认为本篇文章写作思路清晰，非常适合科研入门者了解掌握科研的基本思维。作者以配体设计入手，首先探究了配体1与Ag⁺的组装过程，通过核磁滴定，惊奇地发现该组装过程存在着两个拐点；然后以这个现象为切入点，利用核磁、质谱、紫外吸收、X-射线单晶衍射等手段一步步揭开迷雾；最后证实该过程存在二聚体和三叶草两种结构。接下来作者又在这个结果的基础上往前走了一步，提出了一个问题，即这两个结构之间是否存在相互转换？为了解决这一问题，作者调研了文献，发现了不同配体和Ag⁺的键合能力不同，进而设计了一系列滴定实验来证实猜测。至此，很多人认为研究到这样的结构转化就可以了。但作者为了进一步提升高度，展示了主体对客体分子的包裹。当然这个想法不是凭空产生的，而是作者看到晶体中三叶草结构中存在一个空腔，于是想到可以利用空腔来做点事情。更有意思的是，当作者发现主体可以特异性选择苯分子时，又设计了一个对照实验，讲清楚了键合机理，非常巧妙。最终作者讲述了一个非常完美的闭环故事，看似简单但逻辑思维非常缜密。