冠醚是超分子化学领域的明星分子，20世纪60年代美国杜邦公司的C. J. Pedersen在研究烯烃聚合催化剂时首次发现，随后美国化学家C. J. Cram和法国化学家J. M. Lehn对其进行了系统研究，同时实现了该类分子化学合成。因为这一发现以及他们对超分子化学发展的开创性贡献，三人获得了1987年诺贝尔化学奖。冠醚分子具有环状结构且尺寸可调，能够与碱金属离子（Li+, Na+, K+）选择性结合。如，18-冠-6分子对钾离子有较好选择性（丙酮溶液中结合常数K > 106 M−1），但其相对固定的空腔尺寸使其难以与多烷基取代的铵根离子结合，尤其是四取代铵根离子。近日，西北大学/北京理工大学吴彪教授团队研究发现，在阴离子配位组装的四面体组装分子笼的限域空腔内，18-冠-6分子能够优先与四甲基铵根离子结合，打破了冠醚分子与钾离子优先结合的传统认知。相关研究结果发表在国际知名化学期刊Angewandte Chemie International Edition，文章题目为“Light-Triggered High-Affinity Binding of Tetramethylammonium over Potassium Ions by [18]crown-6 in a Tetrahedral Anion Cage”，第一作者为西北大学博士研究生王玥。
刺激响应型结构变化一直是超分子领域的研究热点，不仅有助于理解生物体内的刺激性功能表达，同时在生物载药、能量存储和记忆等方面具有潜在应用前景。为此，研究人员设计并合成了偶氮苯片段光分子桥联的双联二脲配体，该配体不仅具有潜在的光活性，而且能够与磷酸盐组装形成三螺旋 A2Lazo3 (H) 或者四面体笼 A4Lazo (T) 结构 (A = PO43-, Lazo = 配体)。通过光刺激可实现两种结构之间的相互转化，如图1所示。其中，四面体笼提供较大的内部空腔(503 Å3)，可以容纳一个冠醚分子和两个四甲基铵 (TMA+) 离子，或者容纳一个冠醚分子和一个钾离子，前者的总体结合常数数值是后者总体结合常数的6倍。
图 1. 光响应型阴离子组装体构筑。(a) 偶氮苯桥联多脲配体的化学结构；(b) 四面体笼 (T) 和三螺旋 (H) 结构之间的刺激响应型转化 首先，作者通过X-射线单晶衍射得到了四面体笼内结合一个18-冠-6分子和一个钾离子的单晶结构，[K([18]crown-6)]11[(PO4)4Lazo6⊃K([18]crown-6)] (配合物1)（图2a），封装的 [K([18]crown-6)]+ 阳离子由于其平面构象和较大的直径，位于四面体笼的底面，在笼子的上腔留有一个相当大的空隙（虚线所示），暗示着四面体空腔内可容纳更多（更大）客体分子。作者尝试了不同客体组装后发现，在 (TMA)3PO4 和 [K([18]crown-6)]3PO4 混合盐的存在下，得到了配合物 (TMA)4[K([18]crown-6)]6[(PO4)4Lazo6⊃(TMA)2([18]crown-6)] (配合物2) 的单晶结构（图2b）。与配合物1结构相变，配合物 2 最显著的特征是能够将 [(TMA)2([18]crown-6)]2+ 复合阳离子（两个 TMA+ 离子和一个 [18]crown-6）封装在空腔内。 图 2. (a) 配合物 1和 (b) 配合物 2 的晶体结构。 18-冠-6分子 对 K+ 离子具有较高的亲和力和选择性（在丙酮中 log Ka = 6 M-1;在甲醇中 log Ka = 6.2），对铵根离子的结合明显减弱，甲醇中其结合能力随烷基化数目的增加而降低，CH3NH3+ (log Ka = 4.25) > (CH3)2NH2+ (log Ka = 1.76) >> (CH3)3NH+ (log Ka < 1) >> (CH3)4N+。本文通过核磁滴定实验证实，在四面体组装笼的限域空腔内部，18-冠-6分子对钾离子的表观结合常数为9.7 × 105 M‒2；相同条件下，18-冠-6分子对四甲基铵根离子的表观结合常数为5.9 × 106 M‒2。在四面体笼空腔尺寸效应影响下， 18-冠-6分子实现了对四甲基铵根离子和钾离子结合能力的反转。 同时，在紫外光和温度刺激下，通过四面体笼与三螺旋组装结构的可逆调控，实现了18-冠-6分子对四甲基铵根离子和钾离子的选择性结合（图3）。在380nm紫外灯照射下，四面体结构转化为三螺旋结构，18-冠-6分子与钾离子结合；45℃加热后，三螺旋结构重新转化为四面体结构，18-冠-6分子和两个四甲基铵根离子结合后封装在四面体笼空腔内部。 图 3. (a) 四面体笼 和三螺旋结构之间的光控转化示意图，并伴随18-冠-6分子对K+和TMA+的结合交换；(b) 1H NMR 谱图对应结构的转化（●▲Þ分别代表了 [K([18]crown-6)]+，封装的 [18]crown-6 和 TMA+）。 综上所述，该研究团队设计并合成了以偶氮苯桥联桥联的二联‒二脲配体 Lazo，与磷酸根阴离子配位得到了首个具有光活性的阴离子配位驱动的超分子组装体 (ACDA)。通过偶氮基团的顺反光异构化实现了四面体结构和三螺旋结构的相互转化。此项研究首次通过阴离子配位组装结构的限域效应，实现了18-冠-6分子对钾离子和四甲基铵根离子的可控结合，为K+ 和胆碱衍生物相关的生命研究和过程模拟提供参考模型。 吴彪教授，北京理工大学化学与化工学院教授，博士生导师，现为医药分子科学与制剂工程工业与信息化部重点实验室主任。曾获省级科学技术一等奖等荣誉。任中国化学会理事，中国晶体学会理事。研究方向为阴离子识别、阴离子配位导向超分子组装、超分子智能材料和生物相关分子或离子传输。 论文信息 Light-Triggered High-Affinity Binding of Tetramethylammonium over Potassium Ions by [18]crown-6 in a Tetrahedral Anion Cage Yue Wang, Boyang Li, Jiajia Zhu, Wenyao Zhang, Prof. Dr. Bo Zheng, Prof. Dr. Wei Zhao, Prof. Dr. Juan Tang, Prof. Dr. Xiao-Juan Yang, Prof. Dr. Biao Wu Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202201789
