金属有机笼可以模拟生物体系中纳米尺度的空腔进行分子识别和催化转化。生物体内的大多数纳米尺寸的空腔是高度不对称的，且含有不同的功能基团，但目前已经报道过的金属笼大多是高度对称的结构，构建低对称性，高产率，结构复杂和良好的化学稳定性的金属有机笼是非常有挑战性的。最近，一些含有两种有机配体的配位笼已被报道，但用三种甚至更多种类的有机配体构筑金属笼的研究工作报道的却很少。近期，Guido H. Clever教授的团队通过计算机辅助分子设计和基于实验的结果，逐步增加结构复杂性，合成了一系列包含四种配体（A-E）构筑的Co(Ⅲ)灯笼型配位笼(图1)。

图1. 配位笼合成方案

        作者首先合成了含有两种不同配体的配位笼 [P₂Co₂A₂E₂]²⁺，这种配位笼的构筑分为两个步骤，首先将两个配体A通过动态共价键结合形成环形配体后与Co(Ⅱ)进行配位，然后将Co(Ⅱ)氧化形成六配位的Co(Ⅲ)，新生成的配位位点可以和两个E配体反应，得到配位笼。利用EA缓慢蒸发到配位笼的DMSO溶液中得到单晶，其结构如图2(a,b,c)。该化合物具有C₂对称结构，两个Co(III)间的距离是14.2 Å，两个E配体填充了Co(III)的轴向配位位点。大环P₂A₂上的双甲基指向相反的方向，使其具有轻微扭曲的构象。

图2. (a, b, c) [P₂Co₂A₂E₂]²⁺的单晶结构；(d, e, f) [P₂Co₂A₂BD]²⁺的单晶结构

        作者通过计算模拟发现，金属大环P₂A₂除了可以形成沿着对称轴两侧轻微扭曲的构象外，还可以形成像新月一样朝一侧弯曲的构象，这表明两个轴向配位位点或可以连接两个长度不同但形状互补的桥接配体。经过尝试发现，具有内敛的配位位点且较长的配体B提供聚合的供体位点和具有发散的配位位点且较短的配体D提供发散的供体位点，这两种配体较为合适。作者利用大环P₂A₂与配体B和D在氧气存在的条件下合成出了[P₂Co₂A₂BD]²⁺，并对其进行了核磁表征。¹H-NMR分析显示，B的吡啶基质子H_a和D的H_I有明显的低场移动，表明两者与Co(III)中心形成配位键，此外，P₂A₂、B和D质子的NMR信号积分比例为2:1:1(图3d)，与[P₂Co₂A₂BD]²⁺的预期结果相匹配。在NOESY NMR谱中观察到了大环P₂A₂分别与配体B和配体D之间的耦合峰 (图3b)。DOSY NMR分析显示，P₂A₂, B和D的所有质子信号都来自同一化合物。ESI-TOF质谱显示(图3c)，在m/z = 1077.4处的信号峰与[P₂Co₂A₂BD]²⁺的理论值非常吻合。利用DCM/EA混合溶剂培养出了该金属笼的单晶，结构如图2(d,e,f)，与[P₂Co₂A₂E₂]²⁺的结构类似，Co(III)阳离子是典型的八面体结构，P₂A₂金属环的两个氧和两个氮供体位于赤道平面，且整个环向一侧略弯曲，轴向键合向量偏离与Co-Co轴正交的水平方向，相交角度为19°。[P₂Co₂A₂BD]²⁺的大环P₂A₂上的双甲基指向同一个方向，与[P₂Co₂A₂E₂]²⁺结构中观察到的情况相反。形状互补的双吡啶配体B和D完美契合弯曲大环P₂A₂的轮廓，较短的B结合在环的凹面，较长的D则在环的凸面。

图3. [P₂Co₂A₂BD]²⁺的a)合成方法；b) ¹H-¹H NOESY NMR中大环P₂A₂与配体B和D之间的两个交叉信号；c)高分辨率质谱；d)在CD₂Cl₂中测量的¹H-NMR谱

为了更深入的了解影响杂配物笼自组装的因素，作者用Pd(Ⅱ)离子合成出了[Pd₂E₄]⁴⁺和[Pd₂B₂D₂]⁴⁺，通过比较由配体B和D组成的[Pd₂B₂D₂]⁴⁺和[P₂Co₂A₂BD]²⁺两类金属笼的单晶结构，很明显的观察到两种化合物的几何构型几乎一致。[Pd₂B₂D₂]⁴⁺金属笼的上下两个Pd-吡啶面之间形成的角β = 21°与金属笼[P₂Co₂A₂BD]²⁺的角α = 19°几乎相等。此外，观测到的Pd-Pd距离(13.6 Å)也非常接近Co-Co距离(14.4 Å)。

为了了解选择性形成杂配体 Co (III)基金属笼是动力学控制还是热力学驱动的问题，作者用向两瓶大环P2A2中分别加入2.0当量的配体B和配体D进行了自分选实验。高分辨率质谱检测显示，含有D配体的样品可以观察到4个配体D与[P₂Co₂A₂] ²⁺金属大环的混合物，表明配体D与大环的几何互补性较差，无法形成[P₂Co₂A₂D₂] ²⁺笼状结构。而在含有B配体的样品中，只观察到最多三个含B的配合物，这表明一个B分子很容易桥接[P₂Co₂A₂] ²⁺的弯曲构象，形成片段[P₂Co₂A₂B] ²⁺，而另外两个配体B则悬挂在另一个面上。接下来，将两种样品按1:1的比例混合，在70 ℃下加热24 h，同样以金属笼[P₂Co₂A₂BD] ²⁺为主要产物，由此说明它的形成是由热力学驱动的。

根据上述信息，作者最后通过合理的设计制得目标金属笼[P₂Co₂ABCD]²⁺。先将两个配体A桥接在一起形成A’，然后将大环A’，配体B, C，D和Co(acetate)₂加入到DMSO中在氮气氛围下反应过夜，接着加入NH₄PF₆并将反应体系暴露在空气中使Co(Ⅱ)被氧化为八电子配位的Co(Ⅲ)，得到最终产物[P₂Co₂ABCD]²⁺，用DCM/EA混合溶剂培养出该金属笼的单晶，经过X射线分析(图4e,f)后发现它与[P₂Co₂A₂BD]²⁺的结构非常相似，最后也是通过附加链长度的不同和电子密度将两种配位笼区分开来。

图4. [P₂Co₂ABCD]²⁺的a)合成步骤；b) ¹H-¹H NOESY NMR中大环P₂A₂与配体B和D之间的两个交叉信号；c)高分辨率质谱；d) 在CD₂Cl₂中测量的¹H-NMR谱；e, f)单晶结构

综上所述，作者利用Salphen环通过与动力学不稳定的Co(Ⅱ)进行配位，形成对称或非对称金属大环，再对Co(Ⅱ)进行氧化生成Co(Ⅲ)，新生成的配位位点可以引入两个形状互补的桥接配体填充八面体配位钴离子的轴向位置，组装成一系列的杂配体金属笼结构。虽然这些金属笼目前没有专门的功能，但该合成方法可以为下一代基于Co(III) Salphens的杂配体金属笼和其他超分子结构配备精确排列的模块，将其应用于手性信息载体，光氧化还原中心，选择性识别和多催化位点催化剂等领域。

文献解读学生: 杨澳     校稿：赵义波

        文献来源：Bo Zhang, Haeri Lee, Julian J. Holstein, Guido H. Clever. Shape-Complementary Multicomponent Assembly of Low-Symmetry Co(III)Salphen-Based Coordination Cages. Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202404682.