一、研究背景
受生物受体和催化剂的启发，自组装宿主在可持续合成、能源转换和医药领域显示出应用潜力。然而，要以可区分的构件形式实现多种功能，而又不冒自恋的自我分类或统计混乱的风险，是非常困难的。
二、研究成果
在这里，多特蒙德工业大学教授Guido H. Clever和吴凯博士报告了一系列系统性的集成自组装异感笼，其中两个方形平面的 PdII 阳离子通过四种不同的双吡啶配体 A、B、C 和 D 的协同作用桥接，只形成单一的异构体--灯笼形笼 [Pd2ABCD]。这一自排序目标--仅形成 55 种可能结构中的一种--是在完全的热力学控制下实现的，并且可以逐步实现（通过将[Pd2A2C2]与[Pd2B2D2]等原生物结合）、直接从配体和 PdII 阳离子或通过混合所有四种相应的同源笼来实现。通过合理设计复杂的多组分组合体，将各种化学分子模块化，将提高它们在功能纳米系统中的应用。相关研究工作以“Non-statistical assembly of multicomponent [Pd2ABCD] cages”为题发表在顶级期刊《Nature Chemistry》上。祝贺！
三、图文速递
图1. 四种化学性质不同的配体自组装杂多组分笼[Pd2ABCD]4+
图2. 具有两种或三种不同配体的杂感多组分笼的X射线晶体结构
最近，他们报道了在乙腈中将形状互补的双单齿配体 B0 和 C 与方形平面 PdII 阳离子结合，通过形状互补组装方法得到异感笼状 [Pd2B02C2]4+ 作为单一热力学产物。在这里，通过将配体 C 替换为基于芴酮的类似物 D，得到了笼状 [Pd2B02D2]4+，二维核磁共振和高分辨率电喷雾离子化质谱（HR-ESI-MS）证明了这一点。同样，通过用 B 取代配体 B0，也可以选择性地获得异感笼型 [Pd2B2C2]4+ 和 [Pd2B2D2]4+。要实现引入三种或四种不同的配体，还需要探索更多的形状互补配体对。他们以前曾报道过弯曲配体 A 可形成笼状 [Pd2A4]4+，适合富勒烯封装。在这里，他们展示了 A 与配体 C 和 D 也能分别形成异感笼 [Pd2A2C2]4+ 和 [Pd2A2D2]4+。反式-[Pd2A2B2]4+的核磁共振、ESI-MS 和单晶 X 射线实验清楚地表明，这些配体组合适合在溶液和固态中形成干净的异感笼状化合物。
图3. 异感多组分笼[Pd2ABCD]4+的表征
最终，他们解决了最具挑战性的自组装问题，即同时加入四种化学性质不同的配体。值得注意的是，配体 A、B、C 和 D 与 PdII 以 1:1:1:1:1:2 的比例在 CD3CN 中于 80 °C 下结合，产生了复杂但分辨良好的 NMR 光谱，显示出配体 A、B、C 和 D 以 1:1:1:1:1 的积分比例产生的四组信号。1H DOSY 证实，所有峰值都属于同一扩散系数，即 6.38×10-10 m2 s-1。HR-ESI-MS 验证了完全形成了一个和式为 [Pd2ABCD]4+ 的杂环笼。
图4. [Pd2ABCD]和[Pd2ABD4C]可能的笼状异构体及其晶体结构的比较
为了探究 C 的二甲基 C-H···π 供体基序的重要性，他们进行了一系列对照实验，配体 A、B 和 D 保持不变，但对配体 C 的中心部分进行了修饰。首先，以 NH 分子为特征的配体 D1 与配体 A、B 和 D 结合，产生了包含四个以上物种的复杂 NMR 光谱。然后，类似的配体 D2 带有一个 N-CH3 基团，只提供一个甲基形成 C-H···π 相互作用。这再次导致了复杂的核磁共振谱，表明缺乏自我分类，尽管 MS 谱显示笼状 [Pd2ABD2D]4+ 是主要物种。他们成功地从这种混合物中选择性地结晶出了笼状 [Pd2ABD2D]4+。尽管其结构清楚地显示了从 D2 的甲基到 D 的 π 表面的 C-H···π 相互作用，但他们认为其强度不足以促进溶液中的选择性分选。D2 中的甲基与配体骨架在同一平面上，而 C 的两个甲基则从一个 sp3 碳的侧面突出。为了排除取向对 C-H···π 相互作用强度的影响，他们设计了配体 D3，用氢取代两个 CH3 基团中的一个。自组装再次产生了复杂的核磁共振谱，证实了两个甲基对于正确的自排序至关重要。
图5. 笼状异构体的热力学分析、竞争实验和[Pd2ABCD]的顺序形成
关于观察到的配体顺序，他们通过基于 DFT 的几何优化计算了两个笼的所有三种可能异构体的能量。事实上，实验发现的异构体也是能量最有利的异构体。[Pd2ABCD]4+ 和 [Pd2ABD4C]4+ 中配体顺序翻转的原因可以通过静电表面势（ESP）图比较直接相互作用配体的富电子/缺电子特性来推断。在前一种情况下，配体 C 更倾向于与配体 D 的 π 平面进行 CH3-π 相互作用，而在 [Pd2ABD4C]4+ 中，C 的甲基避免指向 D4 的正极化 NDI-π 表面。相反，NDI CH 取代基现在指向 C 的 π 表面。这种结构翻转似乎影响了与对立排列配体的形状互补性，从而导致观察到的配体顺序变化。最后，他们将配体 D 加入到[Pd2ABD4C]4+笼中，研究了这两种四组分笼的稳定性差异，结果发现笼[Pd2ABCD]4+发生了定量转变。通过 DFT 计算配体交换，进一步证实了加入配体 D 比加入 D4 更可取。
四、结论与展望
精心挑选的四种不同的双单齿配体（A、B、C 和 D）均带有同种类吡啶供体基团，它们与 PdII 阳离子以非统计方式组装成一个单一的纳米笼 [Pd2ABCD]4+。实现这种高度整合自排序的关键在于配体形状互补性与应变和配体间 C-H···π 相互作用平衡的结合。配体的模块化替换，甚至允许他们控制它们在金属周围的排列顺序，为进一步衍生以嵌入功能铺平了道路。由于组装是在完全的热力学控制下进行的，因此形成的产品非常坚固，而且可以按照几种可供选择的路线以可重复的方式生产。通过合理的自组装策略，可以在核度最低的 PdII 笼族中最大限度地提高配体的分化程度，选择性地产生 55 种可能产物中的一种。从一般概念上讲，这样就能开发出多功能组合体，其中不同成分的相互作用会产生新的特性，从而在选择性识别、协同催化和材料科学等领域的应用中具有吸引力。
五、文章链接
官网链接：
https://www.nature.com/articles/s41557-023-01415-7
