分子笼中有机底物的精细筛选使其分子特性，反应性和按需捕获和释放行为得到控制。水溶性M6L4阳离子笼1由于具有强的疏水作用和静电相互作用，具有出色的容纳中性和阴离子性底物的能力。Cage 1作为主体分子的唯一局限性是它与阳离子客体的结合力差，它们对1具有静电排斥力。三爪阴离子关闭笼入口或封端（cap）是一种简单的方法以提高cage 1结合客体阳离子的能力，目前已有很多报道。阳离子配位笼封装分子客体的能力通过用三爪阴离子对笼门的非共价封端来增强。由于笼子入口处的三爪阴离子提供新的阳离子结合位点，因此，封端笼子甚至可以包封水溶性的阳离子客体。中性客体可按需交换阳离子，也可通过对笼封端进行。选择三脚架磺酸根阴离子2作为帽，是因为它的大小和形状与笼子1的三角形匹配，因此可以与位于入口拐角处的三个Pd（II）离子相互作用（图1b）。
图1.（a）用三脚架阴离子封端的示意图。（b）笼1，阴离子2和目标客体3和4的化学结构。
表征分析
笼1显示出与阳离子客体的结合能力差，因为客体与门户角上Pd（II）离子的正电荷之间存在排斥力。实际上，在典型情况下，不包括1-金刚烷铵（3）（硝酸盐）水中的条件（图2b）。但是，当向笼1（0.50 mM）和3（10当量）的水溶液中添加5当量的2（Na盐）时，阳离子1被包含在笼1中以形成1:4的主客体复合物1· (2·3)4；这通过1 H NMR光谱法得到确认（图2c）。值得注意的是，在1 H NMR光谱中分别观察到包括客体3（内部）和游离3（外部）。这表明在NMR时间上客体交换非常缓慢。1 H DOSY NMR测量清楚地表明，笼1、阴离子2和包括客体3的迁移率相同（图2d），而过量游离3的迁移率与散装解决方案。因此，阴离子也影响客体包含/排除过程的动力学。此外，加入客体3后，2的1 H NMR信号更尖锐且向低位偏移。这些变化表明，客体3的存在增强了阴离子2在1的入口上的结合，即观察到强的正合作性。
从这些观察中，课题组推测形成1· (2·3)4的强合作性可以归因于（i）3的金刚烷基与1的空腔之间的疏水作用，（ii）两者之间的静电相互作用。Pd（II）中心为1和三脚架阴离子2，（iii）阴离子2和3的NH3+基团之间的静电相互作用。这些三组分相互作用清楚地显示在1· (2·3)4（图2e）的晶体结构中，该晶体结构是从1· (2·3)4的单晶中确定的。笼1（约10mM），具有10当量的2和3。正如所料，X射线结构中1的四个入口通过三点静电相互作用被完全封闭带有四个三脚架阴离子2。空腔中包含四个3的分子，每个3的分子的NH3+基团与一个2的分子的三个SO3-基团形成盐桥。重要的是，NH3+之间的距离氮原子和相邻的磺酸盐氧原子在氢键键合的预期距离内（约2.9Å）。因此，封端笼可以有效地识别具有伯铵部分的阳离子客体。值得注意的是，与以前的相关工作不同，这种简单的策略可以控制客体夹杂物的热力学和动力学。
图2.在阴离子2的帮助下，将笼罩1中的铵盐3包括在内。（a）示意图。（b）（b）1和3（硝酸盐）的1:10混合溶液和（c）1，2：1的1：5：10混合物的1H NMR光谱（500 MHz，300 K，D2O）和3（[1] = 0.50 mM）。（c）中1：5：10混合物的（d）1 H DOSY NMR谱。（e）1· (2·3)4的晶体结构。
课题组还检查了包含Cn烷基链的二价铵阳离子4的含量（图3）。尽管它由于在水中具有高溶解度，因此1,12-十二烷二铵（4a）（n = 12）形成了包合物1·(2)4·(4a)2，这表明来自4a烷基质子的信号在磁场中有较大的高场偏移。1H NMR光谱。在D2O中的1、2和4a（[1] = 1.0 mM）的1：5：5溶液中，包合物由溶液中可用的70％笼1形成（图3b）。在包合物的1 H NMR光谱中，笼1的吡啶基α质子（PyHα）分为三个峰，这表明笼对称性从Td降低到D2d。这种对称性降低表明两个对称线性客体的正交排列，而Td对称腔内部没有热翻滚。在刚性和笨重的基板上经常观察到类似的笼罩对称性降低，但在柔性基板上却很少见。从观察主体和客体旁边的空笼子也可以看出笼子到笼子的跳跃很慢很复杂。
图3.在阴离子2的帮助下，笼子1中包含了二价铵4（硝酸盐）。（a）示意图。（b）1、2和4a和（c）1、2和4c的混合溶液的（b，c）1 H NMR光谱（500 MHz，300 K，D2O）（[1] = 1.0 mM，1：5：5）。
总之，该课题组开发出了一种新的封端策略，利用三爪阴离子来封闭阳离子分子笼的入口。这增强了笼子的分子识别和封装能力。对腔体性质的非共价控制还提供了一种水性介质中的按需客体交换系统，该系统可应用于药物输送系统和分子运输。封端策略将广泛应用于具有大入口的离子主体分子，并开发已知主体的新用途。这项工作为在水性环境中精细操作水溶性分子提供了一种简单而有效的方法。
Confinement of Water-Soluble Cationic Substrates in a Cationic Molecular Cage by Capping the Portals with Tripodal Anions
Hiroki Takezawa, Ryosuke Tabuchi, Haruka Sunohara, and Makoto Fujita
DOI: 10.1021/jacs.0c08835
