【假一罚四】配位超分子笼化学实验

第1章　绪论1

1.1 配位超分子笼简介 1

1.2 配位超分子笼组装策略 3

1.3 配位超分子笼效应 5

1.4 配位超分子笼结构表征 14

1.5 配位超分子笼性能应用 15

第2章　有机金属笼（MOC-16） 的合成与表征实验24

实验1 微波法合成[Ru(phen)3]Cl2 24

实验2 用酒石酸锑钾对[Ru(phen)3]Cl2 进行手性拆分 26

实验3 金属配体RuL3 的合成 29

实验4 手性金属配体RuL3 的合成 34

实验5 有机金属笼MOC-16的制备 38

实验6 手性有机金属笼Δ-/Λ-MOC-16的制备 40

实验7 [Ru(phen)3]Cl2 和MOC-16的晶体生长和结构分析 43

实验8 MOC-16的核磁表征 48

实验9 核磁滴定研究MOC-16的组装过程 54

实验10 MOC-16的质谱表征研究 57

第3章　有机金属笼(MOC-16) 的物化性能实验61

实验11 MOC-16的紫外-可见吸收和发光光谱 61

实验12 MOC-16的瞬态吸收光谱 65

实验13 MOC-16的循环伏安测试 68

实验14 MOC-16的pKa 位移测定 72

实验15 MOC-16单线态氧产率的测定 79

实验16 MOC-16的激光共聚焦细胞成像 83

实验17 利用核磁研究MOC-16的主-客体化学 86

实验18 MOC-16与光引发剂有机分子的主-客体相互作用 90

实验19 电子顺磁共振在MOC-16主-客体研究中的应用 93

实验20 手性MOC-16的旋光和圆二色光谱 97

实验21 手性MOC-16主-客体作用的动力学和热力学研究 100

实验22 手性MOC-16对6-Br-BINOL的手性拆分 103

实验23 基于MOC-16的分子笼结构模拟 105

实验24 MOC-16空腔结合客体能力的模拟 109

第4章　有机金属笼(MOC-16) 的催化反应实验114

实验25 MOC-16光解水产氢性能 114

实验26 MOC-16限域催化:苊烯顺反选择性[2+2]环加成 120

实验27 MOC-16限域催化:1-溴代苊烯不对称[2+2]环加成 124

实验28 MOC-16限域催化:查耳酮非对映选择性[2+2]环加成 128

实验29 MOC-16限域催化:查耳酮-肉桂酸非对映选择性[2+2]环加成 132

实验30 MOC-16限域催化:苯乙炔在酸碱两性开放孔溶液中的H/D交换 135

实验31 MOC-16限域催化:苯乙炔在酸碱两性开放孔溶液中的偶联反应 138

实验32 MOC-16限域催化:酸碱两性开放孔溶液中的Knoevenagel缩合反应 140

实验33 MOC-16限域催化:酸碱两性开放孔溶液中的酸碱串联反应 142

实验34 MOC-16限域催化:酸碱两性开放孔溶液中的A3-偶联反应 145

第5章　有机金属笼（MOC-42）的合成与性能实验147

实验35 MOC-42的合成及手性拆分 147

实验36 MOC-42的分解动力学 150

实验37 MOC-42的手性和酸碱动力学 152

实验38 MOC-42的循环伏安测试 155

实验39 手性MOC-42用于BINOL连续拆分 157

附录159

附录1 部分实验结果数据汇总 159

附录2 物理常数表 162

第1章 绪论

1.1 配位超分子笼简介

配位超分子笼，又称超分子有机金属笼（Supramolecular Metal-Organic Cages，SMOCs）是由金属离子和配体通过配位键驱动的自组装得到的一类具有规则外形、优美结构、特定尺寸和内部空腔的超分子。1999年，来自日本和美国的Fujita 和Stang，在《自然》杂志同期报导了各自关于超分子有机金属笼的自组装和结构的研究工作。此后经过二十多年的迅猛发展，越来越多的超分子有机金属笼体系被开发。广义上的配位超分子笼包括多边形、多面体、棱柱体、管状体等不同几何构型。与空间结构无限伸展的金属-有机框架（Metal-Organic Frameworks，MOFs）不同的是，配位超分子笼是分立的金属-有机体系，具有明确的形状、空腔、纳米级的尺寸以及对称度较高的几何构型。大多数配位超分子笼材料在溶剂中具有良好或一定的溶解性，因而表现出相较于难溶或不溶的MOFs材料更高的主-客体作用、催化活性和生物相容性等特点。区别于传统的杯芳烃、环糊精等通过不可逆共价键构筑的笼结构，配位超分子笼将动态可逆的配位键引入笼体系中，使其具有一定的动态性，结构也更加多样化。同时，不同功能化配体和金属中心的引入也赋予了分子笼丰富的化学特性，进一步与微纳尺寸的空腔进行耦合使得其产生了区别于其他材料独特的性质。

基于金属-配体键合作用和自组装原理，化学家们设计合成出了一系列分立的、具有特定形状和立体构型的分子笼，包括分子多边形（如分子三角形、正方形、长方形、六边形、八边形、十二边形等）、分子多面体（如分子四面体、八面体、立方体、截角八面体等）、分子环状体、管状体、螺旋体等等。几种典型的分子笼形状如图1-1所示。

本书第1章绪论，为配位超分子笼的基础知识部分，主要介绍配位超分子笼的简介、组装策略、效应、结构表征和性能应用。从第2章开始，是关于有机金属笼的合成表征、性能测定、催化反应等实验介绍。

《配位超分子笼化学实验》是基础学科拔尖学生培养基地化学系列教材之一。

配位超分子笼是由金属离子和有机配体通过配位作用驱动的自组装过程构造的一类具有规则外形、特定尺寸和内部空腔的超分子配合物，在催化、分离、输运、诊疗、光电等不同领域具有独特的性能和应用。本实验教材基于编者课题组系统性的配位超分子笼研究工作，从合成、表征到性能研究全链条切入，编排了一系列适合于本科生（强基班、拔尖班）和研究生的本硕博一体化教学与科研训练的实验课程，融合了有机化学、无机化学、物理化学、分析化学、仪器分析等多门课程的基础知识，仪器操作、测试的专门技能，以及催化、发光、分离、诊疗等应用基础研究进展。本书配有彩图，读者可扫描封底二维码获取。

《配位超分子笼化学实验》可供高等学校化学、材料学及相关专业学生使用，也可供从事该领域的科研人员学习参考。