张琦课题组Angew：[Pd₂(Lᴬ)₂(Lᴮ)(Lᒼ)]型超分子笼的位点选择性内功能化

天然酶的腔体内包含大量的、不同种类的氨基酸残基，这些官能团通过协同作用使天然酶具有识别底物和催化反应的能力。超分子结构的内官能化是构建天然酶模拟物的一种重要策略。其中，内官能化的[Pd₁₂L₂₄]型和[Pd₂L₄]型自组装体是这类研究中应用最广泛的超分子体系。然而，这类超分子结构均由同种官能化的配体分子组装而成，因此无法实现位点选择性的内官能化以及内官能团的多样性。

以[Pd₂L₄]型超分子笼为例，引入不同种类的内官能团需要采用至少三种不同的配体分子。然而，当把不同种类的配体分子与Pd^II离子按照一定的比例混合时，通常会生成多种自组装体的混合物。绝大多数目前已报道的合成杂配体超分子结构的策略仅能实现两种不同配体分子的可控组装。近日，四川大学张琦研究员课题组首次报道了包含三种不同配体分子的[Pd₂L₄]型超分子笼的选择性合成，并以此为基础实现了超分子结构的位点选择性内功能化。在该研究工作中，在不同配体中引入正交位阻控制基团以及采用分步组装的策略是以高精度实现杂配体超分子笼合成的关键。

图1. 合成包含不同内官能团超分子结构的挑战性

通过在配位原子附近引入位阻团体，配体L^A选择性地与Pd^II离子组装为环状配合物[Pd₂(L^A)₂]。配体L^A中位阻基团的存在成功抑制了双吡啶基配体生成[Pd₂L₄]型笼状配合物的趋势。在对照实验中，缺少位阻基团的配体L^C则生成了以笼状配合物和碗状配合物为主的组装体混合物。

图2. 环状配合物[Pd₂(L^A)₂]的选择性组装

接下来，配体L^B与环状配合物[Pd₂(L^A)₂]组装生成碗状配合物[Pd₂(L^A)₂(L^B)]。在碗状配合物中，配体L^B与配体L^A的位阻基团分别位于碗状配合物的外围和腔内，因此互不干扰。配体L^B中心位阻基团的存在迫使组装反应停留在碗状配合物阶段，保证了该步组装反应的选择性。

图3. 利用正交的位阻基团选择性地组装碗状配合物[Pd₂(L^A)₂(L^B)]

图4. 构筑具有不同尺寸和内官能团的杂配体超分子笼[Pd₂(L^A)₂(L^B)(L^C)]

最后，碗状配合物[Pd₂(L^A)₂(L^B)]与配体L^C反应生成包含三种不同配体分子的杂配体超分子笼[Pd₂(L^A)₂(L^B)(L^C)]。该超分子笼的腔内体积可通过采用不同尺寸的配体L^C进行调控。该策略可用于超分子结构的内功能化。通过在配体L^B的中心位阻基团上引入活性官能团，可实现包含单个内官能团超分子笼的选择性合成。此外，采用官能化的配体L^C还可在超分子笼腔内引入第二种内官能团，实现包含不同内官能团的超分子结构的精准合成。不同内官能团协同作用是天然酶的重要特征，该工作为仿生超分子主体结构和催化剂的构建提供了一种具有一定普适性的新策略。

该研究发表在Angewandte Chemie International Edition 上，四川大学为第一单位，化学学院张琦研究员为该论文通讯作者，硕士毕业生刘燕和博士研究生廖寿恒为论文的共同第一作者。特别感谢国家自然科学基金委和四川大学的经费支持。

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Controlled Construction of Heteroleptic [Pd₂(L^A)₂(L^B)(L^C)]⁴⁺ Cages: A Facile Approach for Site-Selective endo-Functionalization of Supramolecular Cavities

Yan Liu, Shou-Heng Liao, Wen-Tao Dai, Qixia Bai, Shuai Lu, Heng Wang, Xiaopeng Li, Zhe Zhang, Pingshan Wang, Wei Lu, Qi Zhang

Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202217215

张琦课题组简介

张琦，四川大学化学学院特聘研究员、博士生导师、独立课题组组长（PI），入选国家高层次人才引进计划青年项目。2008年在北京航空航天大学获得学士学位，于2012年和2016年在慕尼黑工业大学分别获得硕士学位和博士学位，导师：Konrad Tiefenbacher教授。2016年-2018年随Tiefenbacher教授进入巴塞尔大学从事博士后研究工作。2018年底加入四川大学化学学院。

超分子结构由于其包覆和稳定客体分子的能力被视为理想的天然酶模拟物。近年来，虽然以超分子结构作为催化剂的研究受到了越来越多的关注，超分子催化却并未像小分子催化一样被广泛地运用到有机合成中。最重要的原因之一就是构筑具有催化活性的超分子结构仍具有较大的挑战性。我们发展了一类具有一定普遍适用性的构筑超分子催化剂的新模式，并希望以此为基础为有机合成的选择性和效率问题提供新的解决方案。