Title: Molecular Cages Self-Assembled by Imine Condensation in Water

Authors: Ye Lei, Qiong Chen, Peiren Liu, Lingxiang Wang, Hongye Wang, Bingda Li, Xingyu Lu, Zhong Chen, Yuanjiang Pan, Feihe Huang and Hao Li*

To be cited: Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 4705– 4711

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由于亚胺在水存在下的不稳定性，在水介质中通过亚胺缩合进行自组装是一项艰巨的任务。在这里，通过利用多价性和配体预组织化，通过缩合六甲酰基和双胺，篮状三阳离子笼分子在水和有机溶剂中以高产率自组装。这些笼，特别是手性笼，在水溶液中是稳定的或惰性的，即在稀释、沉淀或暴露于竞争性胺或醛时没有观察到分解。这种溶于水的性质允许主体利用疏水效应来调节疏水客体。手性笼S-2³⁺选择性地结合并区分两种对映体之一，为手性化合物分离等应用开辟了机会。

主体分子的一个独特特性，通常以大环和笼的形式存在，就是它们能够利用自身的口袋容纳客体。在主体空腔内，客体体验到与散装溶液不同的化学环境。因此，它们的性质发生了改变，使得各种任务得以适应，例如分离具有类似物理性质的客体、稳定不稳定反应中间体或需要能量的客体构象以及催化。合成主体分子，特别是那些具有复杂三维结构的分子，通常需要同时形成多个共价键。为了避免或抑制低聚和聚合副产物，开发了基于可逆反应的动态共价化学（DCC），包括亚胺缩合。使用DCC的优点之一是，动态键的可逆性质允许发生错误检查，因此，如果目标分子代表最热力学倾向的产物，则可以以高或定量产率获得目标分子。然而，使用亚胺自组装的主要缺点之一是，亚胺通常被认为与水不相容，溶剂会导致亚胺水解。结果是，尽管有少数例外，通过亚胺缩合的自组装通常或总是在有机溶剂中进行。这些溶剂分子经常作为竞争性客体占据主体的空腔，从而危及它们容纳其他客体的能力。此外，在选择水作为生命介质的生物系统中使用这些含有亚胺键的分子的机会也被破坏了。通过金属配位或用更稳健的N-取代衍生物（如腙和肟）取代亚胺，已经成功地尝试稳定亚胺。使用典型的亚胺在水中自组装纯共价的主体分子仍然是一项艰巨的任务。也就是说，在去除客体模板、切换溶剂或改变浓度时，这些隐色素和连环烷可能会发生降解。仍然需要开发新的方法，以在水中形成强健的分子。

作者首先合成了具有三个吡啶鎓和六个甲酰基残基的三阳离子六醛前体1³⁺·3BR-。三阳离子性质赋予其水溶性。1³⁺·3BR-（6 mM）和（1S，2S）-（-）-1,2-二氨基环己烷（（S,S）CHDA）在D₂O中以1:3的比例组合（图1）。在80℃下加热混合物溶液不少于8小时后，记录了¹H NMR光谱，表明分子笼S-2³⁺·3BR-是自组装的主要产物。在¹H NMR光谱中没有观察到其他副产物。相对酸性质子的共振，即亚甲基中的质子（图1中用红星标记）和吡啶鎓单元（图1上用黑星标记）由于氘化而消失。通过使用相应¹H NMR光谱中的内标物，确定S-2³⁺·3BR-的产率约为60%。S-2³⁺·3 PF₆^-在有机溶剂中的自组装也是成功的，即在CD₃CN中结合1³⁺·3PF₆^-（6 mM）和（S,S）-CHDA（18 mM），以几乎定量的产率产生S-2³⁺·3 PF₆^-。笼的水溶性固体样品，即S-2³⁺·3NO₃^-，通过对S-2³⁺·3 PF₆-的MeCN溶液进行反离子交换，以92%的产率分离。通过核磁共振波谱和质谱充分表征了S-2³⁺·3 PF₆-和S-2³⁺·3NO₃^-的结构。D₂O中记录的S-2³⁺·3NO₃^-的¹H NMR谱与直接在D₂O中自组装的S-2³⁺·3BR-的¹HNMR谱相同，除了在前一种情况下，观察到相对酸性质子的共振。亚甲基（在图1中用红星标记）和亚胺质子（用蓝星标记）的共振都分裂成两个峰，表明S-2³⁺笼骨架的手性。通过记录圆二色性（CD）光谱（图2，红色轨迹），也证实了S-2³⁺的手性。当使用（1R, 2R）-（-）-1,2-二氨基环己烷（（R，R）-CHDA）时，S-2³⁺的对映体，即R-2³⁺是自组装的（图1，左侧），如其镜像CD光谱（图2，蓝色迹线）所推断的那样。使用（R, R）-CHDDA和（S, S）-CHDA的外消旋混合物进行自组装，产生S-2³⁺和R-2³⁺的外消旋混合体，其无CD（图2、黑色迹线）。S-2³⁺和R-2³⁺在水中都相当坚固。例如，即使笼子在水中放置不少于一个月，也没有观察到分解。此外，S-2³⁺·3NO₃^-在D₂O溶液稀释至0.09 mM后168小时才发生显著分解。在这种稀释条件下，通过冷凝1³⁺·3BR-和（S,S）-CHDA，S-2³⁺的自组装不成功，这表明S-2³⁺·3NO₃^-对稀释的稳定性来自其动力学惰性。我们还执行了配体交换实验表明，在10 eq乙醇胺存在下，S-2³⁺在水中不会发生亚胺复分解。S-2³⁺的这种非凡稳定性至少部分归因于多价性。也就是说，1³⁺和（S,S）-CHDA的残基通过六个和两个亚胺键连接到笼框架。通过对照实验证实了多价性的重要性，即在水中冷凝1³⁺·3BR-和10 eq乙醇胺产生了含有未反应醛的混合物。

图1 笼R-2³⁺·3Br ^-和S-2³⁺·3BR-的结构式，它们分别通过在水中缩合六甲酰基前体1³⁺·3BR-和手性双氨基化合物，即（R，R）CHDA或（S,S）-CHDA而自组装。当使用两种胺的外消旋混合物时，产生R-2³⁺·3BR-和S-2³⁺·3BR-外消旋混合物

乙二胺（EDA），CHDA的非手性对应物，也被用于自组装篮子。然而，在D₂O中以3:1的比例组合EDA和1³⁺·3BR-产生了3³⁺·3BR-，并伴有难处理的低聚或聚合副产物库。这一结果表明前体预组织在自组装中的重要性。也就是说，与两个氨基单元固定在高切位置的CHDA不同，EDA相对更灵活。因此，与CHDA相比，使用EDA的笼型分子的自组装意味着更多的熵损失，并且变得更需要能量。

图2 S-2³⁺·3BR-（红色迹线）、R-2³⁺·3BR-（蓝色迹线）和未分离的外消旋混合物（黑色迹线）的CD光谱，通过在自组装中使用胺外消旋混合物获得。所有光谱均在水中记录。

幸运的是，在CD₃CN中以3:1的比例组合EDA和1³⁺·3PF₆^-产生了一个非手性笼3³⁺·3PF₆^-（图3a），作为相应¹H NMR光谱中唯一可观察到的产物。在反离子交换后，获得水溶性产物3³⁺·3NO₃^-，作为固态样品，产率为90%。溶解在D₂O中后，根据D₂O中记录的未改变的¹H NMR光谱推断，至少一个月后未观察到分解。这一观察结果表明，尽管3³⁺在热力学上不足以在水中自组装，但由于多价性，一旦自组装，它在水中的动力学上是惰性的。将乙醇胺添加到水中的3³⁺·3NO₃^-中，通过亚胺复分解导致笼分解.添加（S,S）-CHDA将3³⁺·3NO₃^-转移到S-2³⁺·3NO₃^-中，表明后者的热力学更稳定。非手性笼3³⁺具有两个简并手性构象（图3A），它们在室温下进行快速交换。

图3 a）笼3³⁺·3PF₆^-的结构式，其通过在MeCN中冷凝六甲酰基前体1³⁺·3PF₆^-和乙二胺而自组装。当溶剂为水时，自组装失败。3³⁺具有两个简并构象对映异构体，它们在室温下进行快速交换。b）3³⁺·3PF₆^-的部分变温¹H NMR光谱（500MHz，[D6]丙酮）显示，当温度升高时，亚甲基质子Hg逐渐聚结。

作者还研究了涉及CHDA和EDA的自组装。将1³⁺·3PF₆^-、(S,S)-CHDA和EDA的混合物以1:1.5:1.5的比例组合在一起，生成了四种笼型产品库（图4 a），即3³⁺、S-5³⁺、S-43+和S-2³⁺分别含有零个、一个、两个和三个手性（S,S）-CHDA配体。¹H NMR光谱表明，通过整合对应于质子Hg的共振，这四种产物具有统计分布，即1:3:3:1。我们进一步在笼式自组装中采用了不同的（S,S）-CHDA/EDA比率，即10:0，9:1，…，0:10。

自组装系统达到平衡后，记录了CD光谱（图4B）。EDA和CHDA比例不同的自组装混合物显示出相似的CD光谱，随着（S,S）-CHDA比例的增加，CD光谱强度增加。然而，相对CD强度（在312 nm处测量）显示了随着（S,S）-CHDA分数的增加而产生的非线性手性放大，这与基于两个假设的计算结果（图4c）一致，包括i）所有自组装样品中的四个笼（包括3³⁺、S-4³⁺、S-5³⁺和S-2³⁺）均处于统计分布下；以及ii）S-4³⁺和S-5³⁺的CD信号强度与S-2³⁺的相同，而跟笼3³⁺是CD沉默的。这种一致性意味着出现所谓的军士和士兵效应。也就是说，（S,S）-CHDA和EDA分别充当中士和士兵。在S-4³⁺或S-5³⁺的每个笼框架内，每个非手性EDA的构象由手性（S,S）-CHDA配体决定和调节。

图4 a）军士和士兵效应通过在MeCN中浓缩1³⁺、EDA和（S,S）-CHDA的1:1.5:1.5混合物，对四个笼子（包括S-2³⁺、3³⁺、S-4³⁺和S-5³⁺）的自组装产生影响。计数器均为PF₆^-，为清楚起见，省略了这些计数器。b）对于EDA与CHDA的不同比例，在25℃的CH₃CN中平衡混合物的CD光谱。c） 312 nm处归一化CD强度与（S,S）CHDA摩尔分数的理论（青色）和实验（紫色）结果。

通过蒸发S-2³⁺·3Cl-的饱和水溶液，或将异丙基醚蒸汽扩散到含有PF₆^-抗衡离子的笼的相应MeCN溶液中，获得了S-2³⁺·3Cl^-的衍射级单晶（图5），S-2³⁺·3 PF₆^-是R-2³⁺·3PF6-和S-2³⁺·3 PF₆^-的外消旋混合物，以及3³⁺·3PF₆^-。通过异丙醚缓慢扩散到TBA⁺·Cl^-和R-2³⁺·3PF₆^-的MeCN溶液中，获得了含有两种反离子的R-2³⁺•2.5PF₆^-·0.5Cl^-单晶。这些固态结构为笼的形成提供了明确的证据。在S-2³⁺·3Cl^-的情况下，笼腔似乎是空的（图5A），因为将水分子封装在这样的疏水袋中需要能量。相比之下，这类情况下的空腔被MeCN分子占据（图5B）。MeCN中的质子与笼中的苯基单元之间的紧密接触表明发生了CH–p相互作用。这种差异表明水是超分子目的的更好溶剂。在R-2³⁺·3PF₆^-和S-2³⁺·3 PF₆^-的外消旋混合物的情况下，两个笼型对映体形成头对头二聚体（图5C），表明两个不同对映体之间的头对头相互作用略强于两个相同笼型之间的相互作用。Cooper等人也报道了这种混合和匹配笼配对现象。在非手性笼3³⁺·3PF₆^-的情况下，不会发生头对头二聚。相反，3³⁺的两个构象对映体以并排的方式形成二聚体（图5d）。

图5 a）S-2³⁺·3Cl^-，b）R-2³⁺·2.5PF₆^-·0.5Cl^-，c）R-2³⁺·3PF₆^-和S-2³⁺·3 PF₆^-的外消旋混合物，以及d）3³⁺·3PF₆^-.碳，灰色；氮气，蓝色；氢气，白色。为了清楚起见，省略了无序的溶剂分子、氢原子和反离子。

这些篮子的水相容性使笼子能够利用疏水效应来识别水中的客体。利用¹H NMR光谱研究了笼S-2³⁺·3NO₃^-对多种客体的识别行为。笼S-2³⁺·3NO₃^-能够封装各种线型烷烃、烯烃和单卤代烷烃或二卤代烷烃，包括乙烷、戊烷、乙烯、1-氯戊烷、1-溴戊烷、1-正己烷、1,2-二氯乙烷、1,5-二氯戊烷、1,2-二溴乙烷、1,3-二溴丙烷、1,4-二溴丁烷、1,5-二溴戊烷。主客体识别的发生是根据观察推断的，在笼S-2³⁺的存在下，客体中质子的共振发生了上场位移，表明在笼腔内，客体经历了屏蔽的磁环境。例如，在S-2³⁺的存在下，1-氯戊烷中H_a、H_b、H_c、H_d和H_e的共振分别向上偏移0.25、0.55、0.88、1.00和0.98 ppm（图6）。它表明，Cl原子一侧的质子共振比另一侧的质子更明显地移动，观察结果表明1-氯戊烷的Cl侧插入笼腔。这种偏好可能是由于i）客体中部分带负电荷的Cl与主体中的阳离子吡啶单元之间的偶极阳离子相互作用，以及ii）客体中的亚甲基质子与笼中的苯基部分之间的CH–p相互作用。使用¹H NMR滴定实验测定结合常数（K_a）的尝试是成功的，仅适用于具有适度水溶性的客体，如图8所示。1,2-二溴乙烷的K_a似乎是两倍多。这一观察结果可能是由于前客体中的溴原子导致更大的分散力。1,5-二溴戊烷的K_a大于其较短的对应物，包括1,2-二溴乙烷、1,3-二溴丙烷、1,4-二溴丁烷。这一观察并不令人惊讶，因为前者较长的二溴烷烃在S-2³⁺空腔内识别时导致更大的疏水效应。疏水作用的重要性也被观察到的笼S-2³⁺·3 PF₆^-不能在CD₃CN中重新聚集客体所说服。进一步增加二溴烷烃的长度减少了主客体识别，即笼S-2³⁺·3NO₃^-对1，6-二溴己烷的结合亲和力很小或没有，观察结果表明，客体太长，无法装入笼腔。使用S-2³⁺·3NO₃^-识别多种其他较大客体的试验也不成功，包括多种环状化合物，如四氢呋喃、噻吩、吡啶、环戊烯和1,4-二甲氧基苯，以及具有支链的卤代烃化合物，如2-溴戊烷，这表明了尺寸互补的重要性。笼也显示出无法识别琥珀腈和1,2-二甲氧基乙烷。一种可能的解释是，这些客体具有良好的水溶性，并溶于水，因此，认识到这些客体需要一个能量需求的脱水过程。乙炔也不被识别，可能是因为在乙烷和乙烯的情况下不存在CH-π相互作用。因此，我们设想笼S-2³⁺·3NO₃^-可以用作工业应用的潜在分子材料，用于从工业混合气体（乙烯/乙炔）中识别和捕获乙烯。

图6 在a）存在和b）不存在笼S-2³⁺·3NO₃^-的情况下，客体的部分¹H NMR光谱（600 MHz，D₂O，298 K）

作者还进行了使用手性笼S-2³⁺·3NO₃^-识别手性客体的尝试。不幸的是，大多数含手性碳中心的手性化合物都具有支链，因此，它们很难被容纳在S-2³⁺·3NO₃^-的空腔内。在水中，只有两组手性客体被S-2³⁺·3NO₃^-识别，包括1,2-环氧丁烷和环氧丙烷。¹H NMR光谱（图7 c）表明，在水中加入笼式S-2³⁺·3NO₃^-后，（R）-1,2-环氧丁烷的共振发生显著的上场位移。作为比较，（S）1,2-环氧丁烷的共振在笼的存在下几乎不移动（图7A）。¹H NMR滴定实验表明，（R）-1，2-环氧丁烷的Ka约为35M@1，而（S）-1，3-环氧丁烷的Ka太小，无法准确测定。图8总结了笼识别各种客体的Ka值。S-23+区分对映体的能力为使用该笼进行手性化合物分离等应用提供了机会。

图7 a）S-2³⁺·3NO₃^-（0.9 mM）和（S）-1，2-环氧丁烷（1.4 mM）的混合物，b）S-23+·3NO3-（0.9 m M）和外消旋1，2-环氧丙烷（2.7 mM），c）S-2³⁺·3NO₃^-（0.9 mm）和（R）-1，3-环氧丁烷（1.4mM）混合物的部分¹H NMR光谱（500 MHz，D₂O，298 K），和d）环1，2-氧丁烷。在S-2³⁺·3NO₃^-存在下，（R）-1,2-环氧丁烷的共振比（S）-1,2-氧丁烷的共振发生更显著的上场位移，表明笼能够选择性地结合前客体。

图8 D₂O中S-2³⁺的主客体化学。a）S-2³⁺识别的客体，在¹H NMR时间尺度上进行快速主客体交换。b） 客体被S-2³⁺识别，在¹H NMR时间尺度上进行缓慢的主客体交换。c） S-2³⁺未封装的客体。

总之，通过在水和有机溶剂中缩合六甲酰基化合物和手性双氨基连接体的1:3混合物，一系列手性篮形笼形物作为主要产物自组装。当使用较少预组织的非手性双胺连接体时在水中组装不太成功。然而，可以在有机溶剂中获得非手性笼，然后进行反离子交换，得到水溶性非手性笼。所有这些笼子在水中都非常坚固，即，它们在水中溶解不少于一个月后，或通过反离子交换沉淀后，不会显著分解。手性笼的双氨基残基更为预组织化，即使在竞争性胺和醛的存在下也观察到其动力学惰性。稳定性来自i）多价性，即醛和氨基前体通过六个和两个亚胺键连接到笼框架，ii）CHDA发生配体预组织化，其两个亚胺单元固定在高切位置。当使用两种不同的双胺进行自我组装时，在笼子形成中观察到自我分类和军士和士兵效应。这些笼子的水相容性使它们能够利用水中的疏水效应，以选择性地容纳各种大小互补的客体。客体识别能力为包括客体分离在内的应用程序提供了机会。未来的研究包括具有更大尺寸手性腔的主体的自组装，以便笼能够容纳更大的客体，用于包括对映体分离的应用，以及用于不对称催化的分子反应容器。这些结果还启发化学家利用多价性来克服亚胺的不稳定性，并在水中使用这种动态方法来自组装具有更复杂三维结构的分子。

李昊，浙江大学研究员、博士生导师

教育经历

2005年和2007年分别在武汉大学获得学士学位和硕士学位

2013年1月获美国西北大学博士学位

工作经历

2013年2月－2015年6月 美国德州大学奥斯丁分校 博士后研究员

2015年6月开始在浙江大学化学系工作，聘为特聘研究员，博士生导师

主要获奖和荣誉

2012年获得中国优秀自费留学生奖学金

2015年入选浙江省“海外高层次人才引进计划”

2019年获得国家优秀青年基金支持