非共價相互作用是超分子化學的基本科學原理,新型非共價相互作用的研究能夠為超分子體系以及功能材料的設計提供新的驅動力,并能夠促進人們對生命體系的深入認識。陰離子-π作用,即陰離子與缺電子芳環之間存在的相互吸引作用,直到本世紀之初才被人們認識,并顯現出作為一種新型非共價作用的巨大應用潛力。
在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的支持下,化學所分子識別與功能院重點實驗室研究人員圍繞陰離子-π作用開展了系統研究。在前期的工作中,他們以含缺電子三嗪環的大環體系作為分子探針,給出了電中性缺電子芳環與陰離子形成經典陰離子-π作用的實驗證據,并系統研究了其作用模式、作用強度、普遍性以及在超分子化學領域的應用(Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 7485; Chem. Eur. J. 2010, 16, 13053; J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 892; Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 11785)。
最近,針對如何實現陰離子-π作用的選擇性與加和性這一挑戰問題,科研人員巧妙設計了一類多空腔“內向型”排列的超大環體系,實現了復雜有機陰離子的選擇性識別,首次在晶體中觀察到了三明治狀的陰離子-π復合物的形成,揭示了多重陰離子-π作用對分子識別的貢獻(圖1)(Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 15827)。同時,為回答陰離子-π作用在驅動可控自組裝方面到底能走多遠,科研人員構建了“外向型”排列的雙空腔分子體系作為主體組裝基元,以1,5-萘二磺酸根雙陰離子作為客體組裝基元,實現了陰離子-π作用驅動的長程組裝,詳細研究了其組裝過程(圖2)(J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 1118)。
圖1 基于多重陰離子-π作用的有機陰離子識別
圖2 陰離子-π作用驅動的超分子自組裝
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