冠[5]芳烃的合成及协同的阴离子-π作用对磷酸二氢根离子的选择性识别

新颖和功能化的大环主体分子的设计与合成一直是推动大环超分子化学研究发展的重要动力之一，而非共价相互作用是超分子化学的科学原理和基础，认识和阐明非共价作用的本质，尤其是揭示多重、多种非共价作用的协同性规律，不仅为分子识别与组装提供了驱动力，也为新型主体分子以及组装体结构的理性设计以及功能的精准调控提供指导。

长期以来，王梅祥教授领导的团队一直从事大环超分子化学研究，设计和合成了杂原子桥连的杯（杂）芳烃和冠芳烃两类结构特征明确、并具有丰富多彩的分子识别性能的大环主体分子。同时，他们还运用自己发展的大环主体分子，系统研究了阴离子-π非共价相互作用等。利用氧杂杯[2]芳烃[2]三嗪大环主体分子，他和合作者曾阐明了电中性缺电子芳香环与阴离子之间相互作用的普遍性、作用强度和作用模式 (Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 7485; J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 892)。

2014年以来，王梅祥教授团队致力于发展冠芳烃主体分子的设计合成 (Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 13548; Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 8386; Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 7151) 和多重阴离子-π作用的协同性研究 (Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 6536)。该团队于近日报道了新型冠[5]芳烃的高效合成方法，并研究了这种大环分子的阴离子识别性质，发现该类分子可以通过协同的阴离子-π作用，高选择性的识别磷酸二氢根离子。

该团队首先发展了(3+2)片段偶联方法，利用便宜易得的原料，以芳香亲核取代反应和成环后氧化修饰反应为核心，高产率地合成了一系列新型冠[5]芳烃化合物。在片段偶联法构建大环方面，通过改变不同的醚连三芳基片段与二巯基二苯醚反应物上的取代基结构和杂原子种类，便可获得了分子结构多样性丰富新颖冠[5]芳烃大环化合物。进而以所获得的含有三个硫醚连接单元的冠[5]芳烃为原料，利用硫原子化学环境的差异和氧化条件的控制，实现了含有亚砜和砜基桥连单元的冠[5]芳烃分子的选择合成（图1）。X-射线单晶衍射与电化学研究结果表明，冠[5]芳烃分子形成了五边形花冠构象结构和空腔，桥连原子与芳环取代基种类对于冠[5]芳烃的结构和电化学性质都有显著的调节作用。

图1. 冠[5]芳烃的合成

作为含有奇数芳香环单元的缺电子大环物种，含有两个四嗪单元的冠[5]芳烃是一类很好的富电子物种受体，呈现出独特的阴离子识别性能，它们可以选择性地识别磷酸二氢根离子。紫外-可见光谱滴定的结果表明，冠[5]芳烃可以与磷酸二氢根形成主客体比例1：2的复合物，第一级作用常数K₁最大为3.9×10⁴ M^-1，第二级作用常数K₂最大为1.0×10⁵ M^-1（图2），第二级作用常数明显大于第一级作用常数，呈现了冠[5]芳烃与两个磷酸二氢根离子识别中的协同效应。

图2. 冠[5]芳烃与磷酸二氢根离子的紫外-可见光谱滴定

基于M06-2X-D3/6-311++G(d,p)水平的结构优化的计算结果表明，磷酸二氢根离子之间形成了双重的分子间O-H•••O氢键，该磷酸二氢根二聚体与冠[5]芳烃的两个四嗪环形成了经典的阴离子-π作用，磷酸二氢根的氧原子与四嗪环中心的距离约为2.7 Å（图3）。进一步的核磁滴定研究表明，向冠[5]芳烃溶液中加入四丁基磷酸二氢铵溶液，冠[5]芳烃的氢谱信号向高场移动；而四丁基磷酸二氢铵溶液向中加入冠[5]芳烃溶液，磷酸二氢根的氢谱与磷谱信号都向低场移动，这与计算结构中磷酸二氢根之间形成分子间氢键、冠[5]芳烃与磷酸二氢根之间形成阴离子-π作用的结论相吻合。

图3. 冠[5]芳烃与磷酸二氢根离子的计算优化结构

总之，作者们发展了(3+2)片段偶联和选择性氧化的方法，合成了一系列新型的冠[5]芳烃分子，通过改变桥连基团与取代基的种类，精准调控了冠[5]芳烃的空腔尺寸与电化学性质。光谱滴定及DFT计算结果表明，通过协同的非共价相互作用，冠[5]芳烃高选择性的识别磷酸二氢根离子的二聚体。该研究不仅丰富了冠芳烃家族的成员，而且展示了阴离子-π的协同作用，为进一步实现阴离子的高效选择性识别提供了思路和参考。

相关工作发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，文章第一作者是清华大学化学系博士生郭慎易。本项目得到国家自然科学基金会和清华大学的资助。

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Synthesis of Electron‐Deficient Corona[5]arenes and Their Selective Complexation with Dihydrogen Phosphate: Cooperative Effects of Anion-π Interactions

Shen-Yi Guo, Qing-Hui Guo, Shuo Tong, Mei-Xiang Wang.*

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.201915839