1.設計與合成

如圖1所示，兩個氯化二脲絡合物疊加組成了一個高度致密且結構對稱的四脲大環。分子建模表明，這種四脲支架作為高度預的氯受體，與Cl-結合的氫鍵多達八個。在四丁基氯化銨（TBACl）存在下，通過三光氣使線性三脲二胺前體3和4環化，得到四脲大環1和2。雖然在合成1時需要將TBACl溶解在3的溶液中，但是能夠檢測TBACl在可溶性前體4環化過程中可能的模板作用。5是三光氣降解4形成的主要產物。后，對于受體1，通過重結晶從DMF / H2O中結合的TBACl客體。對于更缺電子的受體2，與KPF6交換客體后用水洗滌KPF6。與許多大環化合物不同，合成1和2不需要色譜純化。

2.在有機溶劑和固態中的自組裝

大環1在大多數有機溶劑中難溶，但容易形成單晶。因此，1用于晶體學研究。氟化大環化合物2表現出更高的溶解度，在有機和親水性有機溶劑體系中研究了其自組裝行為和陰離子結合性能。紫外可見吸收光譜，大環化合物2在乙腈中聚集，并且隨著大環化合物濃度的增加，兩個主要吸收帶（250nm和290 nm）藍移且色度降低（圖2A）。在100 mM下對1的MeCN溶液進行動態光散射（DLS）分析，得到Z平均（強度加權）的流體動力學直徑為220 nm，說明形成的聚集體出了簡單的二聚體。即使在乙腈溶劑中，2也有很強的聚集性。DMSO作為更具競爭性的氫鍵溶劑，通過NMR光譜探究了2在其中的聚集性質。由于其動態D4h對稱性，2顯示了NH（單峰）和CH（三重峰）共振的兩組1 H NMR信號（圖2B）。隨著DMSO-d6 / 0.5％H2O中2濃度的增加，兩組共振峰都向高場偏移（圖2B），表明2的堆積效應。與乙腈中的行為相反，DMSO / 0.5％H2O中2的聚集作用較弱，無法通過DLS進行尺寸測定。因此，采用擴散磁共振成像來確定DMSO中聚集體的大小。為了闡明大環的聚集結構，對游離的大環1進行了X射線晶體學分析。水蒸氣擴散到1的DMF溶液中，形成了單晶，該單晶由納米管道組成，水分子占據中心腔（圖2C）。大環化合物采用1,3-反構象，其中大環化合物相對兩端的兩個脲基彼此反向平行，并通過氫鍵與相鄰大環化合物的脲基締合，其余兩個脲基指向與水分子氫鍵結合的中心腔。通過偏移π-π堆積來穩定環與環之間的締合作用，并形成一維柱狀聚集體。由于兩組指向中心的脲基不參與大環間締合，使得該中心腔位于由非極性芳香化合物的堆積產生的低介電常數環境中（圖2C，中間）并且呈正電性(圖2C，右）。表明陰離子在聚集體內部結合而不會導致聚集體解離。

3.氣液固三相中與陰離子結合研究

采用ESI-MS對MeCN/DMF中大環2和5當量TBACl的混合物進行了研究。質譜結果顯示，除了簡單的[2 + Cl]-配合物外，還得到[2+ TBACl-H]-，[22 + Cl]-和[22 + 2Cl + TBA]-，表明在氣相中存在復雜的化學計量比和TBA +與2的Cl-配合物離子配對。大環離子受體傾向于形成2:1（受體:離子）夾心復合物。另外，2:2配合物的形成表明大環與Cl-聚集克服了陰離子之間的庫侖斥力。在CD3CN / DMSO-d6(9:1)中用TBACl對2進行1H NMR滴定，大環2的溶解度1 mM。受體濃度分別為76 µM和730 µM，以物質分配。如圖3A所示，當TBACl為0.5當量時，2的NH和CH共振峰向低場偏移，不論受體濃度如何，CH化學位移在0.5當量的TBACl處都顯示出拐點，表明2:1夾心復合物的形成，上述ESI-MS結果也了這一點。作者也發現TBACl增多導致CH的共振峰向高場偏移或成二重峰，伴隨著由于配體交換而導致的峰展寬。根據Le Chatelier原理，低聚物或（2·Cl-）n聚合物濃度增加，共振峰將更地向高場偏移，TBA+的α-CH2共振峰向高場偏移也階段多氯絡合物的形成，表明在中高極性介質中存在離子配對。后，當TBACl濃度很高時，NH和CH共振峰變尖并向低場移動。終物質的NH和CH化學位移在兩種受試濃度中幾乎相同，并形成1:2的配合物。該配合物具有雙重負電性，缺乏可用于大環間締合的空位脲基基團，不能在這種介質中聚集。兩個Cl-位于1·2Cl-配合物的晶體結構平面上方和下方，每個Cl-與指向同一側的兩個脲基相互作用（圖4A）。發現平衡轉移到該絡合物所需的TBACl濃度較高，1·2Cl-絡合物可能與TBA +離子配對。因此，在TBACl中用730 mM 的2進行NMR擴散測定。向自由受體中加入1.5mM TBACl，2的擴散系數降低，表明2與Cl-結合后誘導其低聚。在600 mM的TBACl中，由于溶劑粘度的增加，擴散系數2降低。盡管作者無法地確定低聚程度，但大環化合物2與1.5mM和600mM TBACl的相對擴散速率之間的微小差異在階段形成的是小分子低聚物而不是高分子量聚合物。作者將Et2O蒸氣擴散到大環化合物1和0.5當量氯化鈉的DMSO溶液中，得到DMSO溶劑化的12·Cl-夾心復合物（含Na(DMSO)5+抗衡離子）單晶。晶體結構（圖4B）中，Cl-位于大環二聚體的中心腔，由8個氫鍵保持，NH…Cl的間距為2.41埃至3.28埃。三明治型配合物通過兩個大環之間的脲基氫鍵和p-p堆積保持穩定。該配合物中大環的堆積與游離大環（圖2C）相似，不同之處在于配合物的兩端被DMSO分子封鎖。

4.水溶液中的陰離子結合

由于60％H2O / MeCN體系的減色性較強，濃度較低的大環2也會發生聚集。作者發現，在60％D2O / CD3CN體系中將TBACl（10 mM）與2（20 mM）混合后，TBA+的氫譜峰*消失（圖5A），而在純CD3CN溶劑體系中，加入2后TBA +陽離子峰得以保留。結果表明，在水溶液中，TBA +抗衡離子跟著Cl-結合到2的聚集體中。如此低的濃度下，TBA+信號峰消失也對主客體間的相互作用具有很高的親和力。假設2為二聚體，作為一個宿主，通過1:1結合模型確定夾心復合物形成，較高的表觀結合常數了2在TBACl在60%H2O/MeCN體系中具有顯著的親和力（圖5C）。由于TBA+的疏水性，使得鹽從本體溶液轉移到聚集體的疏水微環境中，為了使受體與陰離子結合牢固，可能會降低局部介電常數來加大氫鍵鍵合的強度。因此，隨著抗衡離子與聚集體結合，NaCl對2的親和力降低。在相同溶劑混合物中干燥樣品2的TEM圖像如圖5D左所示，0.5 TBACl存在下2的主要纖維形態如圖5D右所示。相反，用2當量的TBACl處理2時，觀察到大的附聚物。雖然干燥過程可以改變納米級結構，但TBACl當量不同可以觀察到樣品的不同形態，多階段Cl-與2的聚集體結合的存在。與MeCN相比，在60%H2O/MeCN中2對夾心復合物形成的氯化物親和力略微降低，但大于DMSO。通過UV-vis滴定測定在60%H2O/MeCN中2與陰離子的鈉鹽的表觀結合常數并總結在表1中。結果顯示，與其他常見陰離子相比，2對Cl-具有高選擇性。從親和力和鹵化物離子之間的峰型關系可以看出Cl-與大環聚集體在尺寸上是匹配的。

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