适应性是自然界生物的基本属性。在超分子化学中，主体结构受外界刺激的影响会发生转换或改变，从而表现出一种分子适应性。迄今为止，人们研究出了许多可相互转换的分子体系。近日，湖南大学化学化工学院王飞博士后、德克萨斯大学奥斯汀分校 JonathanL.Sessler教授以及何清教授等人报道了两个亚胺基大环间的可逆转换，两个大环分别为[1 + 1]体系和[2 + 2]体系，仅需改变溶剂即可实现大环间的可逆转换。溶解在二甲亚砜（DMSO）（或N,N-二甲基甲酰胺，DMF）中的[1 + 1]大环经沉淀驱动过程转化为[2 + 2]大环。相反，当[2 + 2]大环溶解于氯仿或二氯甲烷（DCM）中时，会自发转化为热力学稳定产物——[1 + 1]大环。 期刊Journal of the American Chemical Society（IF=16.383）在线发表该文章——Reversible Macrocycle-to-Macrocycle Interconversion Driven by Solvent Selection（J. Am. Chem. Soc., 2023,  145, 10943-10947.DOI:10.1021/jacs.3c01066）。

研究中，双吡咯二醛及其类似物是吡咯基大环的前体。首先，研究人员通过Suzuki偶联，获得吡啶桥接的双吡咯二醛3（Scheme 1）。再将二醛3与各种二胺缩合（Scheme 2），得到对应的[2 + 2]大环9−13。在反应中，仅生成了这类[2 + 2]大环。

Scheme 1. 3的合成。

Scheme 2. 二醛3和二胺4−8缩合形成亚胺大环9−13。

随后，受冠卟啉启发，研究人员使用了2,2'-氧双(乙胺)14，尝试得到类似的[2 + 2]缩合产物（Scheme 3）。意外的是，等摩尔的二醛3和二胺14在MeOH或EtOH中进行亚胺缩合后，沉淀产物是[1 + 1]大环15。相反，当在MeCN、DMSO或DMF中进行相同的缩合反应时，得到的沉淀产物是[2 + 2]大环16。这表明仅需改变反应溶剂即可分别产出[1 + 1]大环15或[2 + 2]大环16。

Scheme 3. 3和14在不同溶剂中经亚胺缩合形成大环15和16。

单晶x射线衍射分析进一步证实形成了大环10、15和16。对于大环10而言，[2 + 2]大环为椅式构象（图1a）。两个水分子经多个N - H··O和N··H - O氢键与10结合，每个水分子与一个单独的吡啶双吡咯亚胺片段相结合。对于大环15而言，[1] [1 + 1]大环为近平面结构（图1b）。一个水分子经吡咯氢质子和亚胺氮原子的氢键与15的空腔结合。16与10类似，[2 + 2]大环也为椅式构象（图1c）。两个DMSO分子位于“椅子”的两侧，通过O··H−N氢键作用成键。

Figure 1. (a)10，(b)15和(c)16的单晶x射线结构。

为了阐明溶剂对合成大环的影响，研究人员进行了¹H NMR光谱监测（见支持信息）。在氘代甲醇中，3和14进行缩合，发现仅存在大环15的质子信号。在氘代氯仿中，反应10 h内，除了主要产物[1 + 1]大环15的峰外，还观察到与[2 + 2]大环16对应的小峰。当反应继续进行，所有的原料和中间体以及微量16都转化为15。所以，研究人员提出，在氯仿中，15是热力学优势产物，16是动力学中间体。在DMSO-d6中，最初生成[1 + 1]大环15和[2 + 2]大环16的混合物。随着时间推移，形成沉淀，其本质为纯的16。50天后，上清液中仅有15的峰。在氘代乙腈中的情况类似，上清液中仅有15的峰，沉淀仅有16的峰。因此，研究人员认为，在MeOH、EtOH或CHCl3中，3和14的亚胺缩合受热力学控制，生成更稳定的[1 + 1]大环15。相反，当以MeCN、DMSO或DMF作溶剂时，溶液中难以形成[2 + 2]大环16。

之后，研究人员试图研究16与15之间是否存在相互转换。在CDCl3中溶解[2 + 2]大环16后，在¹H NMR谱中发现16的信号在几天内减少，同时属于15的信号有所增加（图2b）。大约7天后，仅有15的信号峰，16的信号消失。这说明，[2 + 2]大环16转化为更稳定的[1 + 1]大环15。大环15可溶于DMSO-d6。然而，将其溶液放置28天以上会生成几乎定量的沉淀。将沉淀再次用CDCl3溶解，经核磁氢谱表征，发现是纯的[2 + 2]大环16（图2c）。由于溶解性的缘故，热力学稳定的[1 + 1]大环15转变为其较大的同系物16。

Figure 2. (a)大环16和15之间相互转换。(b)在CDCl3中，16转化为15的核磁监测情况（红色为16，绿色为15）。(c)在DMSO-d6中15的核磁监测情况（红色为16，绿色为15）。

综上所述，研究人员发现，3与简单烷基二胺缩合会形成[2 + 2]大环9−13，且与溶剂类型无关。然而，3和2,2'-氧双(乙胺)14之间的缩合与溶剂相关。在MeOH、EtOH和CHCl3中，几乎完全生成[1 + 1]大环15。而在DMSO、DMF和MeCN中，主要产物[2 + 2]大环16为沉淀。这种[2 + 2]大环可通过溶解在CHCl3、CH2Cl2或MeOH中转化为[1 + 1]产物。相反，将[1 + 1]大环15的溶液置于DMSO、DMF或MeCN中又会导致[2 + 2]大环16的沉淀。据悉，这是由溶剂选择驱动的大环到大环可逆转化的首例。

题目：Reversible Macrocycle-to-Macrocycle Interconversion Driven by Solvent Selection

作者：Fei Wang, Xiangling Shi, Yi Zhang, Wei Zhou, Aimin Li, Yuanchu Liu, Jonathan L. Sessler,* and Qing He*

引用：J. Am. Chem. Soc., 2023,  145, 10943-10947。

DOI：10.1021/jacs.3c01066