基于有机客体对穴醚识别刺激响应的主客体系统

Mingming Zhang, Xuzhou Yan, Feihe Huang,

Zhenbin Niu, and Harry W. Gibson

浙江大学化学系化学工程国家重点实验室，杭州310027，中华人民共和国

弗吉尼亚理工学院和州立大学化学系，布莱克斯堡，弗吉尼亚州24061，美国

摘 要：作为主客体化学中的令人瞩目的化合物，冠醚的合成宣告了超分子化学的诞生。基于冠醚的主客体体系由于其良好的选择性、高效率和方便的响应性，所以在自组装领域引起了极大的关注，使得它们能够容易地应用于“自下而上”的方法来构建功能性分子聚集体，例如作为人工分子机器，药物输送材料超分子聚合物。穴醚作为冠醚的预组织衍生物，不仅具有上述性质，而且与冠醚相比还具有三维空间结构和更高的缔合常数。更重要的是，额外基团的引入使得基于穴醚的主客体系统能够响应更多的刺激，这对于自适应或智能材料的构建至关重要。在过去的十年中，我们设计并合成了基于冠醚的穴醚，作为小型有机客体的新型主体，目的是在保持或增加他们的刺激反应的情况下，大大提高主客体配合物的稳定性，更有效地制备机械互锁结构和大型超分子体系。

有机分子如百草枯衍生物和仲铵盐已广泛应用于功能性超分子聚集体的制备。许多主体分子包括冠醚、环糊精、杯芳烃、葫芦脲和穴醚在内已被用于制备具有这些客体分子的自组装结构，但在这些穴醚中，由于它们的预组织和额外的和优化的结合位点，穴醚在有机溶剂中表现出最佳的稳定性。它们能够以高产率构建复杂的分子或超分子，这是制造刺激响应功能超分子系统的一种非常有效的方法。该方法主要关注穴醚在构建机械互锁分子（如轮烷和索烃）以及刺激响应主客体系统（如分子开关和超分子聚合物）中的应用，因为它们具有良好的主客体特性。这些穴醚是冠醚的双环衍生物，包括二苯并-24-冠-8、双（间-亚苯基）-26-冠-8、二苯并-30-冠-10和双（间-亚苯基）-32-冠-10。第三臂的长度对这些穴醚与有机物的结合强度有非常重要的影响，因为它不仅影响主体和客体之间的大小，还影响主客体间非共价相互作用强度的距离和角度。例如，对于基于双（间-亚苯基）-32-冠-10的穴醚，9个原子的第三臂是最好的。这些基于穴醚的主客体系统的环境响应性来自冠醚单元或第三臂。例如，二苯并-24-冠-8单元引入钾阳离子响应性，第三臂上的偶氮苯基团引起光响应性。我们相信，基于穴醚和有机客体的刺激响应主客体体系的研究将对未来对分子器件、超分子聚合物和其他功能性超分子材料的研究做出重要贡献。

关键词：主客体识别；穴醚；轮烷；索烃

引言

超分子化学的发展扩大了化学家从分子到分子聚集体的研究目标，符合“自下而上”方法的宗旨^[1]。主客体系统由于其良好的选择性、高效率和响应性而在先进的超分子材料的开发中发挥重要作用。作为主客体化学中的第一代主体，冠醚已广泛应用于各种领域，如人工分子机器^[2]~[5]，药物输送材料^[6]和超分子聚合物^[7]~[16]。为了增加主客体复合物的有效制备的缔合常数，引入三维穴醚作为新型宿主。Park和Simmons在1968年报道了一种二氮杂双环“katapinand”，这被认为是第一个穴醚^[17]。Lehn和同事通过“cryptand”这个词是Lehn和同事用来描述双环配体^[18]。由于其结构的预组织和额外的结合位点，基于冠醚的穴醚的缔合常数（K_a）可以比它们的类似冠醚的缔合常数（K_a）高10³-10⁴倍。

在这里，我们描述了基于冠醚的穴醚作为一个家庭，其拥有极大增加的主客体缔合常数并能够容易地形成准轮烷、轮烷、索烃、分子开关和超分子聚合物。这些穴醚与其有机载体之间的常见非共价相互作用包括氢键、电荷转移、pi;-pi;堆积和C-H···pi;相互作用。

准轮烷

准轮烷为自组装结构，其中环组件互穿连接到轴上，是轮烷和索烃的前体。简单的冠醚与小有机客体形成响应复合物，其中一些表现出准轮烷类型的几何形状。例如，二苯并-24-冠-8（DB24C8, 1）形成具有仲铵盐的pH响应性假轮烷^[19]（例如5）与百草枯（N,Nrsquo;-二甲基-4,4-联吡啶盐，6a）和二季铵（1,1-乙烯-2,2-联吡啶盐，7）的2:1相合配合物^[20]~[21]。双（间-亚苯基）-26-冠-8（BMP26C8, 2）与百草枯之间的络合不是K 响应性的，但基于BMP26C8的套索醚显示为K 响应性与百草枯衍生物的结合^[22]~[23]。双（间-亚苯基）-32-冠-10（BMP32C10）衍生物^[24]，例如3a和3b，表现出氧化还原响应性与百草枯衍生物和二季铵7的结合，但在固态下，发现复合物主要是夹心型结构（“taco复合物”），其中客体分子被包裹在折叠的主体内^[25]~[26]。迄今报道的两个例外涉及百草枯盐6b和6a，它们分别与脲衍生物3c和双咔唑衍生物3d形成准轮烷^[27]~[28]。双（对亚苯基）-34-冠-10（BPP34C10,4）与百草枯衍生物形成准轮烷^[29]。

机械互锁结构已广泛应用于上述主体构建的识别^{[15], [30], [31]}。官能团是制备同源宿主或异位类似物所必需的；在双（对亚苯基）或双（邻亚苯基）冠醚上引入取代基使它们轴向不对称，并且双官能类似物作为区域异构体的混合物产生，导致纯化产物的产率较低。这种双官能宿主的较低对称性可导致制造复杂系统的立体异构体，限制了这些识别基序的进一步应用^[23]。这对于双(间-亚苯基)冠醚来说不是问题，因为取代基团方便地发生在芳环的5-位，保持了主体的轴对称性。然而，双（间-亚苯基）冠醚的络合物通常与百草枯衍生物形成Taco复合物几何形状^{[25], [26], [32]}，限制了它们在机械互锁结构的构造中的应用。此外，冠醚体系的缔合常数通常小于10³ M^-1（如表一）；

表一：室温下冠醚与有机载体在丙酮中的缔合常数

这些不足以有效制备许多复杂的超分子体系。这可以得出结论，主客体复合物不仅具有更好的亲和力，而且主客体复合物的假轮烷型几何形状且没有对称相关的同分异构问题的宿主应该被合成并应用于构建功能性主客体系统。

由于基于BMP32C10衍生物的复合物的折叠结构，我们在1999年合成了基于BMP32C10的穴醚(8a)^[32]。该穴醚表现出与百草枯衍生物的良好结合；复合物8asup;6a的缔合常数为6.1 times; 10⁴ M^-1，是复合物3asup;6a的100倍。这种增加被证明纯粹是由于预组织；冠醚和穴醚络合的焓完全相同，但后者的熵显著降低^[33]。更重要的是，复合物8asup;6a在固态下呈现出“准轮烷”的几何形状，这对于机械结合系统的构造是至关重要的，特别是对于分子机器。X-射线晶体学分析表明，络合作用主要是由客体的氢与主体的醚氧原子和芳族部分之间的pi;-堆积电荷转移的相互作用驱动的。后来，我们合成了来自不同冠醚的穴醚（DB24C8，BMP26C8，二苯并-30-冠-10和BMP32C10）和不同的第三臂^{[22], [31]~[41]}。他们的百草枯复合物具有以下共同特征：（1）由于穴醚的富电子芳环与百草枯衍生物的贫电子吡啶环之间的电荷转移相互作用，它们都是黄橙色；（2）它们在溶液中显示1:1的化学计量；（3）它们是在室温下的¹H NMR时间尺度上的紧固系统；（4）它们显示出比相应的冠醚更高的K_a（如表一和表二）。

表二：室温下穴醚与百草枯衍生物复合物的缔合常数

图1：（a）6a，（b）8b和（c）8bsup;6a的晶体结构^[33]。

基于BMP32C10的穴醚8b与百草枯的结合常数最高，为5.0 times; 10⁶ M^-1，是BMP32C10的9000倍。通过比较晶体结构（图1）和这些基于冠醚的配合物与冠醚配合物的热力学参数，我们得出结论，络合的改善是由于穴状配体的预组织和引入附加物的结合。 这种优化的结合位点，包括第三臂上的吡啶基氮与客体的氢的相互作用^[30]。

在穴状配合物中，我们主要关注基于百草枯的体系，不仅因为它们是广泛使用的前体，用于构建轮烷、索烃甚至金属有机骨架，而且因为它们有趣的氧化还原性质使它们成为分子机器的良好构建块，包括纳米容器和分子装置。穴醚也是其他有机客体的好的结合主体，例如二季铵（7）^{[39],[42],[43]}、二氮杂萘（12）^[44]、单吡啶盐（13）^[45]、双吡啶盐（14）^[46]、三苯基吡啶盐（15）^[47]、二咪唑（16）^[48]、双百草枯（17）^[49]、1,2-双（吡啶）乙烷（18）^[50]、乙烯基紫精（19）^[51]、卓鎓盐（20）^[52]。由于预组织和额外或优化的结合位点，穴醚复合物都显示出比相应的简单冠醚类似物更好的稳定性。

准穴醚

Nabeshima设计的准穴醚，其第三次闭环是通过金属配合进行的^[53]。考虑到百草枯与BMP32C10衍生物的络合涉及折叠以允许芳族部分的供体-受体相互作用，我们寻求通过在冠醚主体的“末端”之间引入非共价相互作用来增强折叠的方法。该概念的第一个证明是在向BMP32C10二醇3b和百草枯6a的2.00 mM等摩尔丙酮溶液中加入2.35当量的三氟乙酸四丁基铵后，K_a增加14倍。实际上，X射线晶体结构证明了复合物的额外稳定性是由于双齿三氟羧酸根阴离子与宿主的两个羟基结合而产生的，因此关闭了宿主的第三个“假环”并形成了准穴醚^[54]（图2）。甲苯磺酸根阴离子提供了类似但不太显着的结合能力增加。随后我们发现，水也可以将二醇3b的两个羟基连接在一起，在其与二铵盐的配合物中形成准穴醚^[55]。

图2：3bsup;6d的晶体结构。（左）球和棍子表示；两个O···H键长1.81和1.98Aring;。（右）空间填充表示；客体是蓝色的。

图3：（a）3esup;6a，（b）3fsup;6a和（c）3gsup;6a的X射线晶体结构。

继续沿着这些方向，我们探索了一种不同的非共价相互作用，以形成准穴醚，即pi;-堆叠。这些研究集中在简单的酯衍生物3e，3f和3g作为百草枯6a的宿主^{[28], [56]}。这些酯可从二醇3b获得几乎定量的产率。在3esup;6a的X射线晶体结构中（图3a），观察到吡啶环被堆叠，而且氮原子与客体的beta;-吡啶盐相互作用，相对于未取代的宿主3a，其K_a增加8倍。推断较大的pi;-系统将导致复合物的

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