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开云体育全站app下载团队发表阴离子配位导向的超分子组装综述性论文


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离散有序组装体的构筑及性能研究是化学领域的研究热点,通过拓扑结构的精准控制,其在分子识别、催化、药物递送、信息存储和能源材料等领域具有广泛应用前景。高级有序组装结构的构筑根据驱动力不同主要分为两类:共价相互作用和非共价相互作用;非共价作用具有组装基元易修饰、结构多样性丰富、可预测和选择性高等特点深受青睐。典型非共价相互作用主要包括:金属配位,氢键作用以及 π − π 相互作用等,在构筑高级有序组装结构方面取得了巨大成功,特别是过渡金属阳离子配位诱导组装。相比之下,基于氢键体系的阴离子配位作用强度低、选择性差、配位构象复杂难预测,一度被认为难以实现复杂有序组装结构的构筑。关于阴离子配位化学研究的起源和发展,可参考相关文献:Park & Simmons,  JACS 1968,  90 , 2431; Lehn  Acc. Chem. Res. 1978,  11 , 49; Bowman-James  Acc. Chem. Res. 2005,  38 , 671。

图1. 阴离子配位导向的超分子组装

北京理工大学吴彪教授团队一直致力于基于多脲配体的阴离子配位作用研究,发现刚性邻苯二脲基元具有独特的阴离子配位作用:高强度、高选择性、结构可预测;并成功将其应用于高级有序组装结构的构筑。基于邻苯二脲基元与三价磷酸根离子的配位作用( Inorg. Chem. 2013,  52 , 5851),构筑了一系列超分子组装体,螺旋结构( ACIE 2011,  50 , 5721;  Chem. Sci. 2022,  13 , 4915),四面体( ACIE 2013,  52 , 5096;  ACIE 2022,  61 , e202201789),棱柱( JACS 2020,  142 , 21160),截角四面体和双层四面体( ACIE , 2022,  61 , e202115042)等;在客体识别( ACIE 2015,  54 , 8658; Nat. Commun.  2017, 8 , 938; JACS 2017,  139 , 5946;  ACIE 2018,  57 , 1851)、手性诱导( Chem. Commun. 2018,  54 , 7378;  JACS 2020,  142 , 6304)和反应催化( JACS  2018,  140 , 5248)等方面具有潜在应用前景。近日,应  Accounts of Chemical Research 杂志邀请发表综述性论文,系统总结了阴离子配位导向超分子组装(Anion-Coordination-Driven Assembly, ACDA)相关的研究进展(图1)。

综述要点:

1.阴离子配位导向超分子组装策略的设计

图2. 过渡金属配位与磷酸根阴离子配位的对比示意图

与经典的过渡金属阳离子六配位体系相比,如图2所示,邻苯二脲基元可与磷酸根离子通过十二重N(H)•••O氢键作用配位,形成类八面体场的构象。由于磷酸根离子的强吸电子作用、邻苯二脲基元的结构刚性和强氢键给予能力,该配位作用克服了传统阴离子配位体系结合强度低、构象不确定、方向性差、结构难预测的缺点,为阴离子配位导向超分子组装结构的构筑打开了大门。与金属体系相比,阴离子体系具有以下特点:1. 配位作用相对较弱且灵活,使得其组装结构易转换,但同时赋予组装结构更强的客体封装自适应能力;2. 氢键作用体系可通过核磁共振技术实现对配位中心、组装机理的原位跟踪,具有普适性;3. 与球形金属离子相比,四面体形磷酸根离子对称性低,可赋予组装体意想不到的“对称破缺性”。由此,阴离子配位导向超分子组装体系具有广阔的研究和应用前景。

2.三螺旋结构的组装和性质研究

基于邻苯二脲基元与磷酸根的3:1配位模式,通过改变中间桥连片段结构,成功实现了一系列三螺旋组装体的构筑。基于乙基片段的双二脲配体,构筑了首例磷酸根三螺旋( ACIE 2011,  50 , 5721);改变桥连片段为4,4’-亚甲基二(苯)基,如图3所示,可构筑具有内部空腔的三螺旋结构,能够实现对有机铵阳离子的封装和识别,如:四甲基铵根离子和胆碱衍生物分子,并可通过手性胆碱阳离子实现螺旋结构的手性诱导( Chem. Commun. 2018,  54 , 7378)。同时,可通过改变有机铵根离子的尺寸和形状,实现对螺旋结构径向长度的精细调控( ACIE 2021,  60 , 9389)。最近,西北大学贾传东课题组和杨栋课题组通过使用不同的桥连片段构筑的三螺旋结构,分别实现了客体分子的级联递送( ACIE 2021,  60 , 9573)和超分子导电凝胶的制备( ACIE 2022,  61 , e202201793)。

图3. 三螺旋对胆碱分子的高选择性结合以及对手性胆碱衍生物的传感示意图

3. 四面体笼结构的组装和性质研究

过渡金属配位导向的四面体笼组装结构已被证实在客体识别、反应催化和信息存储等领域具有强大的应用前景,利用阴离子配位策略,可同样构筑四面体笼组装体。传统四面体笼组装体可根据结构特征分为棱式和面式结构。

3.1. 棱式四面体笼

基于三螺旋组装体的研究,增强双二脲配体结构的刚性和线形,苯基片段连接的双二脲配体在磷酸根离子诱导下可组装形成四面体笼。该组装结构表现了模板、浓度和溶剂依赖性( ACIE 2018,  57 , 1851)。四甲基铵阳离子可作为内外模板离子,稳定四面体笼。有趣的是,笼外围凹槽同样可镶嵌铵根阳离子,并呈现了意想不到的“对称破缺性”( JACS 2020,  142 , 6304)。结构相似的异构体(α-甲基胆碱G1 S /G1 R 和β-甲基胆碱G2 S /G2 R )能够沿着笼的两种边缘(外围结合位点I和II)选择性结合,产生不同的手性诱导效应(图4)。此类对称破缺性可能源于四面体构型的磷酸根离子配位中心。将连接子基团从单苯扩展到联苯,得到了空腔更大的四面体笼以及具有96个氢键的A8L12双帽反三棱柱结构,这是目前报道的氢键数目最多的离散组装结构( JACS 2020,  142 , 21160)。偶氮苯片段桥连的双二脲配体形成的四面体笼能够封装18冠6分子结合的四甲基铵根离子( ACIE 2022,  61 , e202201789)。

图4. 三螺旋和四面体结构的相互转化以及手性对称破缺性质

3.2. 面式四面体笼

引入 C 3对称桥连基元可实现面式四面体笼的构筑。利用三苯基胺片段桥连的三-二脲配体,成功构筑了首例磷酸根四面体笼( ACIE 2013,  52 , 5096)。换用更大尺寸的三苯基苯桥连片段,构筑了具有较大空腔的四面体笼,能够实现对类四面体形分子的封装,如氟利昂分子( ACIE 2015,  54 , 8658),不稳定的白磷和黄砷分子( JACS 2017,  139 , 5946)。基于三苯基三嗪桥连片段的四面体笼,笼状结构刚性进一步提升,能够实现对DABCO(1,4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷)甲基化过程的精准控制( JACS  2018,  140 , 5248),如图5所示。

图5. 四面体笼结构对DABCO甲基化过程控制的示意图

4. 总结展望

基于邻苯二脲基元独特的阴离子配位作用,成功搭建了阴离子配位导向的超分子组装体系,在螺旋和四面体笼组装结构的构筑和应用方面取得了一定进展。阴离子配位作用的灵活性、组装结构对客体封装的自适应能力、源自磷酸根离子配位中心的手性诱导和对称性破缺为复杂、有序超分子组装体的设计、构筑和应用发展提供了新策略。近期,我们成功将配位中心从磷酸根离子扩展到有机羧酸根离子,构筑了新型的阿基米德多面体结构,截角四面体( ACIE 2022,  61 , e202115042)。我们相信,有机羧酸根离子的结构多样性能够为阴离子配位导向超分子组装结构的发展注入新活力。未来,我们将持续致力于新型阴离子配位体系的设计开发,发展多样的超分子拓扑结构,并拓展其在催化、药物递送等领域的应用。

上述成果以“Anion-Coordination-Driven Assembly”为题发表在国际顶级期刊《Accounts of Chemical Research》。化学与化工学院博士研究生梁林为论文第一作者,北京理工大学吴彪教授和赵伟特别研究员为通讯作者,杨晓娟教授对论文写作和修改做了重要工作。

原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.accounts.2c00435


附通讯作者简介:

吴彪,北京理工大学化学与化工学院教授。1998年在中科院福建物质结构研究所取得博士学位,博士后工作结束后,于2004年加入中科院兰州化物所任教授;2010年起在西北大学工作。2021年至今北京理工大学教授,担任医药分子科学与制剂工程工信部重点室主任。曾主持国家杰出青年科学基金等项目;曾获省级科学技术一等奖等。现任中国化学会高级理事,中国晶体学会理事。在阴离子识别,阴离子配位导向超分子组装等研究领域取得了系统性研究成果。

赵伟,北京理工大学化学与化工学院特别研究员。2016年博士毕业于中国科学院大学化学研究所,随后在美国印第安纳大学化学系Amar Flood课题组从事博士后研究。2020年7月加入北京理工大学化学与化工学院,主持国家自然科学基金青年项目、北京市自然科学基金面上项目和北京理工大学青年教师学术启动计划,研究兴趣侧重于新型阴离子配体的设计、合成、客体识别与分离等。


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