通过非共价π相互作用稳定的低对称性Homoleptic Pd2L4笼结构

《Chemistry – A European Journal》：Reduced-Symmetry Homoleptic Pd2L4 Cages Stabilized by Noncovalent π-Interactions

低对称性配位笼通过单对称性双吡啶配体的π-π堆积作用实现自组装，其动态稳定性由氟苯基醚基团的空间位阻和π-相互作用共同调控。晶体学显示笼体存在两种构象：AB型（含BF4-封装）和BB型（仅靠配体间π-堆积），通过19F-NMR和ESI-MS证实构象动态平衡。与非氟化配体相比，氟化配体增强了π-堆积强度，使AB型构象占主导（自由能差-1.20 kcal/mol）。该研究提出通过可控的π-相互作用设计低对称性超分子架构的新范式，为动态纳米容器和响应性材料设计提供理论依据。

　　低对称性分子笼在合成化学中一直是一个极具挑战性的领域，然而它们在多个应用方向上展现出独特的潜力，例如分子识别、催化反应和响应性材料设计等。传统上，对称性被打破通常是通过引入排斥性设计，如立体位阻、几何不匹配或正交配体，从而促使分子自组装过程偏向于特定的低对称性构型。然而，这种策略往往依赖于复杂的配体设计，并可能导致多种竞争性产物的形成，增加了合成的难度。本文提出了一种新颖的策略，通过利用单一对称配体中的吸引性π相互作用，实现低对称性分子笼的自组装，这为分子笼的设计提供了新的思路。

本研究中，研究人员设计了一种对称的联吡啶配体 L^F，其特点是具有一个内嵌的五氟苯基乙醚侧链。这种结构使得配体能够在自组装过程中通过π-π相互作用引导形成低对称性的、同配体的灯笼型分子笼。与之对比的是，一个不含有氟的类似配体 L^H 在自组装过程中形成了动态、结构不明确的产物，这进一步突显了π相互作用在结构选择和动力学稳定性中的关键作用。这种策略的创新之处在于，它利用了最小的吸引性力来调控分子笼的对称性和动态行为，而非传统的排斥性策略，从而实现了更加温和和可操作的合成路径。

实验结果显示，L^F 与钯盐在特定比例下自组装形成一个稳定的灯笼型分子笼 Pd₂L^F₄，其结构通过高分辨率电喷雾电离质谱（HR–ESI–MS）、核磁共振（NMR）光谱和单晶X射线衍射得到了验证。晶体结构显示，该分子笼具有单一对称性构型，由两种不同的π相互作用模式（Mode-A和Mode-B）共同稳定。其中，Mode-A涉及五氟苯基乙醚与邻近配体的苯氧基核心之间的π堆积，而Mode-B则涉及配体末端的五氟苯基之间的相互作用。这种结构上的不对称性不仅体现在晶体结构中，还通过溶液状态下的NMR光谱得到支持，其中多个氢信号表现出非等价性，反映出分子笼内部的动态变化。

进一步的研究表明，分子笼的对称性可以受到内部阴离子的调控。当使用四丁基氟硼酸盐（TBA(BF₄)) 作为阴离子源时，可以观察到从BB构型（仅由π相互作用稳定）向AB构型（由阴离子封装和π相互作用共同稳定）的转变。这种转变类似于自然界中受体的诱导契合机制，表明分子笼能够根据外部刺激调整其构型。NMR数据还显示，这种构型转换发生在微秒量级，这表明分子笼具有一定的动态特性，能够在环境变化下重新排列其结构。

相比之下，当使用不含有氟的配体 L^H 进行实验时，形成的分子笼 Pd₂L^H₄ 表现出显著的动态行为。其NMR光谱显示出明显的信号展宽和缺乏明确的标量耦合，这表明其构型在溶液中频繁转换，可能涉及多种不同的几何构型。通过在低温下（-20 °C）进行NMR实验，研究人员能够观察到部分信号分裂，这表明在削弱π相互作用后，分子笼仍然保留了对低对称性的热力学偏好，但其动力学稳定性显著降低。

这些发现揭示了吸引性非共价相互作用在分子笼自组装中的重要性。传统的合成策略通常依赖于排斥性相互作用来打破对称性，而本文展示了一种基于吸引性π相互作用的新型设计方法，能够在不引入复杂配体的情况下实现对称性的控制。这种策略不仅提高了合成的可行性，还为设计具有响应性、可调控的分子笼提供了新的可能性。此外，该研究还表明，阴离子的封装不仅有助于稳定分子笼结构，还可能通过电荷效应和空间效应影响其构型平衡，从而赋予分子笼更高的功能性。

研究还表明，分子笼的动态行为可以通过多种技术手段进行研究，如核磁共振光谱、扩散有序谱（DOSY）和核磁共振相关光谱（NOESY）。这些技术能够提供关于分子笼内部构型变化的详细信息，包括π相互作用的交换过程和阴离子封装对结构的影响。通过这些方法，研究人员不仅确认了分子笼的结构特征，还揭示了其在不同条件下的行为模式，为后续的结构调控和功能化设计奠定了基础。

综上所述，这项研究为低对称性分子笼的合成提供了一种新的策略，即通过精心设计的吸引性π相互作用来引导自组装过程。这种方法不仅克服了传统排斥性策略的局限性，还为开发具有响应性和可调控性的分子笼提供了新的思路。未来，该策略有望应用于分子识别、催化反应调控以及可响应环境的智能材料设计等领域，从而推动超分子化学的发展。