卤键控制的氢键螺旋管组装

In this proposal, we are going to develop a general approach to construct one-dimensional tube structures, with intramolecular hydrogen-bond-induced arylamide foldamers, driven by intermolecular halogen bonding. We have designed various hydrogen bond donor and accepter incorporated aromatic amide oligomers of one directional or symmetrical structure. These oligomers can fold into helix induced by intramolecular hydrogen-bonding, and stabled by pi-pi stacking and solvophobic interactions of side chains. By introducing halogen bond donor and/or accepter at the two terminals of these aromatic amide oligomers, the helices will head-to-tail accumulate driven by halogen bonding inter- or intramolecularly to form one-dimensional tube structures or supramolecular macrocycles. Single crystal analysis will show the solid state structure of these self-assembled supramolecular compounds. And the conformation in solution will be determined by NMR and so on. Influencing factors of the internal diameter, oligomer length, side chain effect, etc will be investigated. From this project, new building motif of desired size to form one-dimensional tube structures will be constructed and novel method of three dimensional self-assembly strategy will be build up.

本项目提出基于氢键诱导的酰胺螺旋体为结构模型，发展利用卤键为驱动力控制螺旋体一维堆积形成管结构的有效方法。我们提出合成单方向或对称的芳香酰胺寡聚体，在螺旋骨架的两端分别引入卤键供体和（或）受体，分子内氢键和疏溶剂作用等产生的分子内pi-pi堆积使寡聚体形成稳定螺旋结构，进而通过螺旋体端位上的分子间卤键诱导分子在一维方向的定向堆积，所形成的内穴可能在分子识别等方面有应用前景。目标分子的固态结构将通过晶体结构分析确定，而它们的溶液相结构将通过系统的核磁共振等手段研究确定。通过本项目的实施，将发展新的模型，建立新的高选择性的结合模式，深入研究不同内径和长度的螺旋体端基间的相互作用、选择性识别与调控，对于全面理解控制螺旋体分子间相互作用的机制和规律，发展控制螺旋体的堆积原理，建立形成三维功能性组装体的新策略等都应该具有重要意义。

卤键是一种弱静电相互作用力。这种相互作用既可能发生在分子内，也可以发生在分子间。卤素成共价键后由于各向异性而产生σ-hole，特别是Br、I等有较高的正电性，作为卤键供体；N、O、S、Se等富电子原子是较好的卤键受体。按照本项目提出的基于氢键诱导的酰胺螺旋体为结构模型，发展利用卤键为驱动力控制螺旋体一维堆积形成管结构的设想，我们设计合成了芳香酰胺和酰胺/酰腙等2个系列寡聚体，在芳环上引入烷氧基基团以有利于寡聚体通过分子内氢键作用形成弯月型构象，从而得到螺旋结构；在其端位引进卤键供体和卤键受体，考察卤键对超分子螺旋的调控作用。通过对短链模型分子的晶体结构分析，我们对卤键供受体在超分子组装中的调控作用有了基本认识，在此基础上进一步对寡聚体的序列、长度、溶剂等对超分子组装模式进行探究。结果表明，此类超分子组装受多种因素影响有丰富的组装模式。卤键与氢键作用有正交性，能够调控氢键诱导的螺旋体通过首尾分子间卤键作用形成超分子螺旋。这些超分子螺旋体会进一步发生芳香pi-pi堆积，组装成双螺旋或四重螺旋。结构匹配的单方向酰胺寡聚体能够通过分子间卤键作用形成1+1超分子大环；对称的寡聚体则既可能形成1+1超分子大环，也能与其他小分子化合物形成2+2超分子大环。研究表明，不论是模型分子还是酰胺寡聚体，氧原子作为卤键受体都对氮原子形成有力竞争。在多种组装模式中存在C-I…O=C卤键作用。另外，质子性极性溶剂水或者甲醇等既能够参与形成氢键，也能够参与形成卤键，使得一些寡聚体有复杂的组装模式。这一研究对卤键在超分子组装过程中的作用机制和规律有了较全面理解，卤键与氢键及其它弱相互作用力一起，成为超分子组装的重要调控策略。水是重要的生理介质，本项目研究还有助于深入理解水在生命体中大分子组装中的行为和作用机制。