大学化学, 2021, 36(8): 2011027-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202011027

知识介绍

从溶剂笼到分子笼

李悦, 阮文娟,

From Solvent Cage to Molecular Cage

Li Yue, Ruan Wenjuan,

通讯作者: 阮文娟, Email: wjruan@nankai.edu.cn

收稿日期: 2020-11-6   接受日期: 2021-01-12  

基金资助: 天津市物理化学系列课程教学团队建设项目
南开大学教育教学改革项目

Received: 2020-11-6   Accepted: 2021-01-12  

Abstract

In physical chemistry, the model of solvent cage is used to describe the relationship between reactant and solvent. In this model, the reactant molecule is surrounded by the cage constructed with solvent molecules. The solvent cage is flexible, and its size and shape are determined by the central reactant molecule. The encounter, collision and reaction between reactant molecules proceed in solvent cages. With the advancement of synthetic techniques, molecular cages, which are constructed by covalent and coordination bonds, are developed. Relative to the solvent cages connected with van der Waals force, molecular cages show much higher rigidity, thus, their effects on the reactions is expected to be more remarkable. Different from traditional catalysts that participate the reaction through the binding with reactants or intermediates, molecular cages could affect the reaction through a physical manner. By enriching reactants, altering the configuration of reactants, changing the structure of intermediates and limiting the growth of products, molecular cages could exert a profound influence on the rate and selectivity of the reaction. The research on this field is significant for the elucidation of reaction mechanism and the modulation of reaction proceeding.

Keywords: Solvent cage ; Molecular cage ; Chemical reaction ; Structural rigidity

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李悦, 阮文娟. 从溶剂笼到分子笼. 大学化学[J], 2021, 36(8): 2011027-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202011027

Li Yue. From Solvent Cage to Molecular Cage. University Chemistry[J], 2021, 36(8): 2011027-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202011027

溶剂对化学反应的速率以及平衡的影响被称为溶剂效应。当一个分子从气相进入到溶剂中时,溶剂可以通过包括介电效应、溶剂化、离子强度、酸碱性在内的一系列因素影响其电子云分布,使其能量发生改变。由于这些因素的存在,当一个反应在液相中进行时,其反应物、过渡态以及产物的能量都与气相有所不同,因此会表现出不同的速率[1]。这种与能量有关的影响方式适用于活化控制的反应。对于扩散控制的反应,反应速率取决于反应物间的碰撞频率,与反应物和过渡态的能量关系不大。溶剂对这类反应速率的影响通常是使用溶剂笼模型进行描述。笼效应最早是在1934年由Franck和Rabinowitch提出,用来解释I2的光解离效率在液相中比气相中低的现象[2]。该模型在讨论笼效应时仅从碰撞理论的角度来考查溶剂的影响。液体中分子间距离较近、自由活动空间较小,所以可将某一个分子看作是被其周围分子形成的笼所包围。大多数情况下,溶质分子的浓度远低于溶剂的量,因此可认为反应物是被溶剂分子笼所包围。一般认为溶剂分子所形成的笼是柔性的,其形状由溶质分子所决定,并且可以被溶质分子突破。因为溶质分子在笼内不停地来回振动并与笼壁碰撞,如果某次振动积累了足够的能量,溶质分子就能冲破溶剂笼扩散到别处去,但它会立即陷入到另一个笼中而重新开始在笼中的振动。对于A + B生成产物的双分子反应而言,如果处于溶剂笼中的A分子的某一次碰撞恰好冲入了B分子所处的笼中,A与B就形成了遭遇对。遭遇对的平均寿命为10−12-10−11秒,期间A和B分子反复碰撞并和笼壁碰撞,最终或形成产物分子,或彼此分离冲出溶剂笼而进入新的笼中。溶剂笼的存在降低了反应物分子与远距离分子的碰撞机会,但增加了与近距离分子的重复碰撞概率,由此对反应的动力学造成影响。由于以上因素,同一化学反应以气态和液态进行时其反应速率、反应转化率等都会有所区别。这种液体分子由于笼中运动所产生的效应称为笼效应。对于活化能较大的反应,即活化控制的反应,有效碰撞分数较小,分子间需要多次碰撞才能进行反应。由于溶剂笼对总的碰撞频率影响不大,因此也不会对反应速率产生较大影响。相反,对于活化能很小的反应,只要碰撞就有可能完成反应,这类反应由扩散控制。由于笼效应降低了遭遇对形成的速率,因此会降低该类反应的速率。

相对于由分子间弱相互作用而形成的柔性溶剂笼而言,分子笼是具有三维笼状结构的一类分子。根据连接方式的不同,可以将分子笼大致分为两类:超分子笼和多孔有机笼[3]。前者是由配位或氢键构成,后者则由轻质非金属元素(包括氢、硼、碳、氮和氧等)通过共价键连接的有机构筑单元构成。与超分子笼相比,多孔有机笼因为合成更困难,报道的相对较少。由于分子笼具有永久的空腔结构,使其在稳定活性组分、分子/离子吸附与分离、传感、药物输送等领域具有广泛应用[4, 5]。除此之外,近年来将分子笼的空腔作为一种微型反应容器使用的报道也引起研究人员的广泛兴趣[6]。由于分子笼是由强度和方向性强的配位键、共价键所构成,因而表现出很强的刚性。如果化学反应在分子笼中进行,可以预期其对反应的影响将比溶剂笼更为显著。

分子笼对反应的作用主要包括以下几个方面。

1 通过富集反应物提高反应速率

将分子笼加入到反应体系中,反应物可以进入笼的空腔中形成包合物。与在溶剂笼中的遭遇对不同,分子笼中所形成的包合物其寿命可达数毫秒至数秒,足够完成绝大多数的反应。因为分子笼的尺寸仅略大于其所包含的分子,所以反应物在笼中可形成远高于均相溶液中的浓度(通常为4 mol∙L−1左右)。因此对于二级及二级以上的反应,分子笼的加入可极大地提高反应速率。

麻省理工学院的Rebek课题组[7]在1997年报道了一个通过笼效应加速Diels-Alder反应的例子(图 1)。反应物为对苯醌和环己二烯。两者在没有分子笼参与的条件下反应缓慢,经历一周时间使用核磁共振无法观察到反应的进行。加入如图 1所示的分子笼后,可使反应速率提高200倍。作者根据分子笼的空腔尺寸(0.3 nm3)估算,当笼中包含各一个的反应物分子时,其浓度可达到5 mol∙L−1,比所使用的均相浓度高约1000倍。该倍数与根据二级反应动力学特征(kcat/kuncat)所估算出来的值(2.4 mol∙L−1)十分接近,说明反应速率的加快是由于笼对反应物的富集作用。

图1

图1   分子笼通过富集反应物促进Diels-Alder反应


2 通过改变反应物的构型提高反应活性

当分子在溶剂中反应时,由于其被柔性的溶剂笼所包围,可以预期其主要以最低能量构型存在。有研究显示,分子在溶液中的构型和其在气态的构型基本相同[8, 9]。与溶剂笼相反,由于分子笼是由强度和方向性都很强的配位键、共价键所构成,因此难以变形。当反应物分子进入到分子笼中时,因为其要适应笼内部的形状,由此产生变形,偏离最低能量构型。这种构型的改变必然会导致电子云结构的变化以及分子能量的升高,并进一步提高其反应活性。此外,分子笼包围客体分子,也会使其周围的电荷分布场景发生变化,该因素也会使客体分子的电子云结构以及能量发生变化。例如近期日本东京大学的Hiroki Takezawa和Makoto Fujita教授课题组[10]报道了一例通过扭曲反应物分子构象提高其反应活性的研究工作(图 2)。该研究考查了一系列具有正四面体Td对称性的配位笼对芳香族仲酰胺水解反应的影响。所使用的配位笼具有大的疏水腔,笼上任何两个平面配体间形成V形区域,可对其中的分子产生限制。在均相溶液中,酰胺官能团因氮上孤对电子与羰基π*轨道的共轭作用使其具有反式的平面构型和一定的化学惰性。实验发现当芳香族仲酰胺进入到配位笼的空腔中时,其反应活性有了大幅的提高,其在碱性条件下水解速率可达到未加入分子笼时的14倍。对酰胺包合物的单晶X射线衍射分析表明,当芳香族仲酰胺被包含在内腔中时,其芳香环与笼壁配体形成有效的π-π堆积。由于笼壁的限制作用,使得顺式的扭曲构型要优于反式的平面构型,其酰胺扭曲角度可高达34°。这种酰胺平面构象的扭曲破坏了氮原子与羰基之间的共轭,导致其活性的提高。酰胺电子云结构的改变也反映在核磁共振谱图和吸收光谱上。在进入配位笼之后,酰胺芳环上氢的化学位移明显向高场移动。溶液颜色由淡黄色变成橙红色,证明配位笼与酰胺之间存在一定程度的主客体电荷转移。

图2

图2   分子笼通过扭曲反应物构象催化酰胺水解


3 通过影响反应物间所形成的复合物的结构改变产物选择性

根据溶剂笼模型,在溶剂中进行多分子反应时,不同的反应物分子首先相遇形成遭遇对,因为溶剂笼的柔性,遭遇对中的分子很容易冲破溶剂笼而造成遭遇对的破裂。反应物分子在进行反应之前会频繁地交换与之形成遭遇对的分子。而在分子笼中进行的反应,因为其与反应物所形成的包合物寿命较长,因此反应物间所形成的是忠实的一对一的复合物。并且由于笼的限制作用,分子笼内反应物复合物的结构和其在溶液中的遭遇对可能会有明显的不同,由此造成反应选择性的变化。

当蒽进行Diels-Alder反应时,通常中间的9,10位反应活性最高,优先与亲双烯体形成9,10位的加成产物。Makoto Fujita教授等[11]在之前的一个研究中发现,如果将反应限制在一个特定的分子笼中进行时,则能够改变这种公认的选择性。如将9-羟甲基蒽和N-环己基邻苯二甲酰亚胺在分子笼存在条件下反应,可以98%的选择性生成1, 4-加成产物(图 3)。由于Diels-Alder反应的过渡态接近于反应物,因此该反应异常的区域选择性和立体选择性可通过反应前客体分子的固定取向来解释。作者通过分子力学计算的方法对反应前分子笼包夹两个反应物分子所形成的包合物的结构进行优化。不同初始位置的反应物分子在所有情况下都收敛到N-环己基邻苯二甲酰亚胺的双键和9-羟甲基蒽的1,4位紧密接触的位置。两个反应中心之间的距离仅为0.38 nm左右,与范德华半径之和相当。相反,由于分子笼引起的空间限制,双键几乎不与9,10位(约0.47 nm)相互作用。因此反应所得产物以1, 4-加成产物为主。

图3

图3   铜分子笼中9-羟甲基蒽和N-环己基邻苯二甲酰亚胺间的Diels-Alder反应


4 通过影响中间体结构改变产物的选择性

很多反应都会形成高活性的中间体。当这类反应在分子笼内进行时,因为笼内比较拥挤,各种非共价相互作用得以加强,这些非共价相互作用可以对中间体起到一定的稳定化作用。同时笼也会限制中间体的运动。该效应对于分解反应的影响尤其显著。由于笼的限制作用,反应物分解所形成的碎片不会立即分开,而是较长时间地停留在笼内,这就增大了碎片间再次进行反应的几率。

不对称的1-苯基-3-对甲苯基-2-丙酮在光照下会发生羰基旁两个C-C单键的断裂,形成两个卞自由基的碎片(苄基自由基X和4-甲基苄基自由基Y)。如果该反应在溶液中进行,由于自由基间的自由组合,会形成由脱羰产物XX、XY和YY所组成的统计混合物。新奥尔良大学的Gibb教授等[12]发现,当将反应物包封在疏水性胶囊中时,脱羰基所形成的自由基碎片间的重组过程比其从笼中析出的过程要快,因此不会出现XX和YY型的产物(图 4)。当转化率低于50%后,XY脱羰产物1 (R = Me)的含量为41%。此外还发现XY的重排产品2 (R = Me)也以44%的产率形成。作者认为这是由于在分子笼内形成了更长寿命的自由基对,从而使苄基自由基在重组前重新定向为热力学上有利的构象。在该反应中,最有利的构型是使甲基朝向胶囊的末端的取向。当甲基被越来越长的烷基链取代时,胶囊内自由空间的减少,限制并最终阻止苄基的重新取向,最终(当R = n-戊基时),仅形成XY脱羰产物。

图4

图4   分子笼中1-苯基-3-对甲苯基-2-丙酮的光解反应


5 分子笼对产物的限制作用

分子笼不仅可以与反应物分子、中间体产生相互作用,也可以对产物进行限制。该原理可应用于纳米材料的合成。由于笼的限制作用,可将所得颗粒的尺寸限制在纳米级别。同时由于分子笼具有均一的结构,该方法可极大地提高所得纳米颗粒的均一性。

科罗拉多大学的张伟教授等[13]开发出一种以有机分子笼为模板合成金纳米颗粒的方法(图 5)。所设计的三角棱柱形状的分子笼的内部空腔尺寸为1.8-2.1 nm,并且该分子笼内的三个硫醚基团可与金发生弱的配位作用,以此在笼内形成成核中心。在该分子笼存在条件下,还原氯金酸可得到大小在1.9 ± 0.4 nm范围内的金纳米颗粒。该颗粒尺寸与笼内部空腔的尺寸相匹配,说明了笼对颗粒生长的限制作用。

图5

图5   有机分子笼限制Au纳米颗粒生长


6 结语

以溶液中反应的溶剂笼概念为基础发展出人工设计的分子笼,展现出当今科技在分子设计与合成方面的巨大进步。分子笼由于其所具有的刚性,可通过富集反应物、改变反应物构型、影响中间产物的结构以及限制产物尺寸等一系列物理方式对化学反应产生比溶剂笼更为显著的影响。分子笼的研究对于深入解释化学反应中的构型变化具有重要意义。此外,分子笼的设计具有一定的灵活性,目前不同结构的分子笼均有报道。通过分子笼的结构选择对其中化学反应的速率以及选择性进行调节已经成为一种具有潜力的新型化学反应调控手段。

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