氯是生命的必需元素，细胞内氯离子浓度对于维持细胞稳态和神经元之间信号传递至关重要。通过非共价相互作用识别阴离子的人工受体已广泛用于生物医学，工业和环境等领域。由于阴离子的强水合作用，受体与阴离子的结合研究通常在有机溶剂中进行。大多数合成受体，特别是电中性的受体，在水溶液中都无法显著结合阴离子。到目前为止，只有少数几个受体能够在水溶液（H2O>50%）中与阴离子牢固结合，但对氯离子没有选择性。在本文中，作者设计并合成了一种具有D4h对称性的氟化四脲大环化合物，可以通过分子间氢键和芳香族堆积自身缔合，形成柱状聚集体。在水溶液中，大环化合物的柱状堆积形成了一个阴离子结合空腔并产生溶剂屏蔽作用，有利于与氯化物进行氢键键合。

设计与合成

如图1所示，两个氯化二脲络合物叠加组成了一个高度致密且结构完美对称的四脲大环。分子建模表明，这种四脲支架作为高度预组织的氯受体，与Cl-结合的氢键多达八个。作者在四丁基氯化铵（TBACl）存在下，通过三光气使线性三脲二胺前体3和4环化，得到四脲大环1和2。虽然在合成1时需要将TBACl溶解在3的氯仿溶液中，但是作者能够检测TBACl在可溶性前体4环化过程中可能的模板作用。5是三光气降解4形成的主要产物。最后，对于受体1，通过重结晶从DMF / H2O中去除结合的TBACl客体。对于更缺电子的受体2，与KPF6交换客体后用水洗涤去除KPF6。与许多大环化合物不同，合成1和2不需要色谱纯化。

Figure 1. Design and Synthesis of Tetraurea Macrocycles

(A) Two oppositely facing bisureas (crystals structures of a Cl- complex shown with counterion, most hydrogen atoms and aromatic substituents removed) superimposed to make up a tetraurea macrocycle (shown as PM6-optimized structure of its Cl- complex). (B) Synthesis of tetraurea macrocycles 1 and 2 and the effect of TBACl on the reaction outcome for cyclization of the fluorinated trisurea-diamine precursor 4.

在有机溶剂和固态中的自组装

大环1在大多数有机溶剂中难溶，但容易形成单晶。因此，1仅用于晶体学研究。氟化大环化合物2表现出更高的溶解度，作者在有机和亲水性有机溶剂体系中研究了其自组装行为和阴离子结合性能。紫外可见吸收光谱证实，大环化合物2在乙腈中聚集，并且随着大环化合物浓度的增加，两个主要吸收带（250nm和290 nm）蓝移且色度降低（图2A）。在100 mM下对1的MeCN溶液进行动态光散射（DLS）分析，得到Z平均（强度加权）的流体动力学直径为220 nm，说明形成的聚集体超出了简单的二聚体。即使在乙腈溶剂中，2也有很强的聚集性。DMSO作为更具竞争性的氢键溶剂，通过NMR光谱探究了2在其中的聚集性质。由于其动态D4h对称性，2仅显示了NH（单峰）和CH（三重峰）共振的两组1 H NMR信号（图2B）。随着DMSO-d6 / 0.5％H2O中2浓度的增加，两组共振峰都向高场偏移（图2B），表明2的堆积效应增强。与乙腈中的行为相反，DMSO / 0.5％H2O中2的聚集作用较弱，无法通过DLS进行尺寸测定。因此，采用扩散磁共振成像来确定DMSO中聚集体的大小。为了阐明大环的聚集结构，对游离的大环1进行了X射线晶体学分析。水蒸气扩散到1的DMF溶液中，形成了单晶，该单晶由纳米管道组成，水分子占据中心腔（图2C）。大环化合物采用1,3-反构象，其中大环化合物相对两端的两个脲基彼此反向平行，并通过氢键与相邻大环化合物的脲基缔合，其余两个脲基指向与水分子氢键结合的中心腔。通过偏移π-π堆积来稳定环与环之间的缔合作用，并形成一维柱状聚集体。由于两组指向中心的脲基不参与大环间缔合，使得该中心腔位于由非极性芳香化合物的堆积产生的低介电常数环境中（图2C，中间）并且呈正电性(图2C，右）。表明阴离子在聚集体内部结合而不会导致聚集体解离。

Figure 2. Self-Assembly of Tetraurea Macrocycles in Solutions and in Solid State

(A) Concentration-dependent UV-vis absorption spectra of 2 in MeCN at 298 K. (B) Concentration-dependent 1H NMR (400 MHz) spectra of 2 in DMSO-d6/0.5% H2O at 298 K. (C) Crystal structure of 1 (CCDC: 1883147): ball-and-stick (left) and space-filling (middle) model showing columnar aggregation of macrocycles held by urea hydrogen bonding and p-p stacking and space-filling model (viewed from above stacked macrocycles) showing an electropositive cavity containing vacant urea NH hydrogen bond donors within the channel (right). Most hydrogen atoms in the ball-and-stick model and water molecules that fill the channel have been omitted.

气液固三相中与阴离子结合研究

作者采用ESI-MS对MeCN/DMF中大环2和5当量TBACl的混合物进行了研究。质谱结果显示，除了简单的[2 + Cl]-配合物外，还得到[2+ TBACl-H]-，[22 + Cl]-和[22 + 2Cl + TBA]-，表明在气相中存在复杂的化学计量比和TBA +与2的Cl-配合物离子配对。大环离子受体倾向于形成2:1（受体:离子）夹心复合物。另外，2:2配合物的形成表明大环与Cl-聚集克服了阴离子之间的库仑斥力。接着，作者在CD3CN / DMSO-d6(9:1)中用TBACl对2进行1H NMR滴定，大环2的溶解度高达1 mM。受体浓度分别为76 µM和730 µM，以促进物质分配。如图3A所示，当TBACl为0.5当量时，2的NH和CH共振峰向低场偏移，不论受体浓度如何，CH化学位移在0.5当量的TBACl处都显示出拐点，表明2:1夹心复合物的形成，上述ESI-MS结果也证实了这一点。作者也发现TBACl增多导致CH的共振峰向高场偏移或分裂成二重峰，伴随着由于配体交换而导致的峰展宽。根据Le Chatelier原理，低聚物或（2·Cl-）n聚合物浓度增加，共振峰将更明显地向高场偏移，TBA+的α-CH2共振峰向高场偏移也证实第二阶段多氯络合物的形成，表明在中高极性介质中存在离子配对。最后，当TBACl浓度很高时，NH和CH共振峰变尖并向低场移动。最终物质的NH和CH化学位移在两种受试浓度中几乎相同，并形成1:2的配合物。该配合物具有双重负电性，缺乏可用于大环间缔合的空位脲基基团，不能在这种介质中聚集。两个Cl-位于1·2Cl-配合物的晶体结构平面上方和下方，每个Cl-与指向同一侧的两个脲基相互作用（图4A）。作者发现平衡转移到该络合物所需的TBACl浓度较高，1·2Cl-络合物可能与TBA +离子配对。因此，在TBACl中用730 mM 的2进行NMR扩散测定。向自由受体中加入1.5mM TBACl，2的扩散系数降低，表明2与Cl-结合后诱导其低聚。在600 mM的TBACl中，由于溶剂粘度的增加，扩散系数2明显降低。尽管作者无法准确地确定低聚程度，但大环化合物2与1.5mM和600mM TBACl的相对扩散速率之间的微小差异证实在第二阶段形成的是小分子低聚物而不是高分子量聚合物。作者将Et2O蒸气扩散到大环化合物1和0.5当量氯化钠的DMSO溶液中，得到DMSO溶剂化的12·Cl-夹心复合物（含Na(DMSO)5+抗衡离子）单晶。晶体结构（图4B）中，Cl-位于大环二聚体的中心腔，由8个氢键保持，NH…Cl的间距为2.41埃至3.28埃。三明治型配合物通过两个大环之间的脲基氢键和p-p堆积保持稳定。该配合物中大环的堆积与游离大环（图2C）非常相似，不同之处在于配合物的两端被DMSO分子封锁。

Figure 3. Chloride Binding of 2 in 9:1 CD3CN/DMSO-d6

(A) 1H NMR (400 MHz) titration of 2 with TBACl in 9:1 CD3CN/DMSO-d6 performed at host concentrations of 77 mM (empty symbols on the right) and 730 mM (spectra on the left and filled symbols on the right) at 298 K. (B) Schematic representation of species formed during the titration. Note that for the oligomer with Cl-.

Figure 4. Crystal Structures of 1·2Cl- (CCDC: 1882920) and 12·Cl- (CCDC: 1882922) Complexes Counterions (TBA+ in A and Na(DMSO)5+ in B), most hydrogen atoms, and some solvent molecules in (B) have been omitted.

水溶液中的阴离子结合

由于60％H2O / MeCN体系的减色性较强，浓度较低的大环2也会发生聚集。作者发现，在60％D2O / CD3CN体系中将TBACl（10 mM）与2（20 mM）混合后，TBA+的氢谱峰完全消失（图5A），而在纯CD3CN溶剂体系中，加入2后TBA +阳离子峰得以保留。结果表明，在水溶液中，TBA +抗衡离子跟着Cl-结合到2的聚集体中。如此低的浓度下，TBA+信号峰消失也证实对主客体间的相互作用具有很高的亲和力。假设2为二聚体，作为一个宿主，通过1:1结合模型确定夹心复合物形成，较高的表观结合常数证实了2在TBACl在60%H2O/MeCN体系中具有显着的亲和力（图5C）。由于TBA+的疏水性，使得盐从本体溶液转移到聚集体的疏水微环境中，为了使受体与阴离子结合牢固，可能会降低局部介电常数来加大氢键键合的强度。因此，随着抗衡离子与聚集体结合，NaCl对2的亲和力降低。在相同溶剂混合物中干燥样品2的TEM图像如图5D左所示，0.5 TBACl存在下2的主要纤维形态如图5D右所示。相反，用2当量的TBACl处理2时，观察到大的附聚物。虽然干燥过程可以改变纳米级结构，但TBACl当量不同可以观察到样品的不同形态，证实多阶段Cl-与2的聚集体结合的存在。与MeCN相比，在60%H2O/MeCN中2对夹心复合物形成的氯化物亲和力略微降低，但大于DMSO。通过UV-vis滴定测定在60%H2O/MeCN中2与各种阴离子的钠盐的表观结合常数并总结在表1中。结果显示，与其他常见阴离子相比，2对Cl-具有高选择性。从亲和力和卤化物离子之间的峰型关系可以明显看出Cl-与大环聚集体在尺寸上是匹配的。

Figure 5. Chloride Binding of 2 in Aqueous Acetonitrile Solutions

(A) 1 H NMR spectra showing disappearance of TBA+ peaks (shown in red in the bottom spectra) upon mixing with 2 equiv of 2 in 60% D2O/CD3CN containing 1% DMSO-d6 at 298 K. The remaining peaks are from the solvent and impurities present in the solvent. (B) Scheme representation of chloride binding to columnar aggregates of 2 forming stacked sandwich complexes. Note that the exact location of the TBA+ counterions is currently unknown. (C) UV-vis titration of 2 (4.0 mM) with TBACl in 60% H2O/MeCN containing 0.2% DMSO at 298 K. (D) TEM micrographs of dried samples of 2, prepared at 50 mM in 60% H2O/MeCN containing 5% DMSO in the absence (left) and presence (right) of 0.5 equiv of TBACl.

Table 1. Apparent Binding Constants of 2 for Sodium Salts of Various Anions in 60% H2O/MeCN Containing 0.2% DMSO.

结论

综上所述，作者合成的四脲大环化合物可以在水性环境中有效结合氯离子。大环化合物2通过多个脲基氢键和π-π堆积形成聚集体，从而在大环化合物之间形成了不含溶剂的“三明治型”结合位点，可以选择性地结合水溶液中的氯化物。在乙腈中，大环2与氯化物形成夹心复合物。在大环堆积不太理想的DMSO中，大环与氯离子的亲和力大大降低。在60％的水/乙腈体系中，氯化物结合到2的柱状聚集体上，形成堆叠的三明治型复合物。由此可见，本工作所展示的聚集体为在高度竞争的水性条件下实现阴离子选择性结合开辟了一条新途径。

Tetraurea Macrocycles: Aggregation-Driven Binding of Chloride in Aqueous Solutions

Xin Wu,1 Patrick Wang,1 Peter Turner,1 William Lewis,1 Osman Catal,1 Donald S. Thomas,2 and Philip A. Gale1,3,*

DOI: 10.1016/j.chempr.2019.02.023