新型三嗪/哌嗪基大环化合物的一锅合成及其孔隙性能的研究

《Chemical Communications》：One-pot synthesis of novel triazine/piperazine-based macrocycles and investigation of their porous properties

　　宏观环高效自环化合成及孔径特性研究。四例[5T+5P]三嗪/哌嗪宏观环通过自环化策略在15-23%产率下合成，NMR和计算模拟证实其环状 Crown 构型及内部空腔。CO2吸附测得比表面积154.2 m2/g，孔径4.5-8.5 ?，验证了分子筛特性。合成省去保护-去保护步骤，HRMS和NMR确认结构，DFT计算显示[5T+5P]比[6T+6P]更稳定。

　　
该研究聚焦于新型三嗪/哌嗪多环分子体系的构建及其孔隙特性探索。作者团队通过自循环策略成功合成了四个具有[5T+5P]骨架的三嗪-哌嗪多环化合物，并系统研究了其结构特征与气体吸附性能。这项工作不仅简化了多环化合物的合成工艺，更为分子级孔材料的开发提供了新思路。

在合成策略方面，研究团队创新性地采用"一锅端"自循环合成法。通过设计具有五元三嗪和五元哌嗪交替连接的中间体（化合物2a-2d），在特定温度条件下（70-110℃）实现分子内闭环反应，直接获得目标多环化合物3a-3d。这种合成路径避免了传统多步保护-去保护策略带来的繁琐操作和低产率问题，同时显著降低了溶剂消耗和后处理成本。特别值得注意的是，中间体2a-2d虽含有电子供体和受体基团，但因其结构稳定性较好，可直接用于后续环化反应，避免了传统合成中常见的中间体分解问题。

分子结构表征采用多维度分析策略。高分辨质谱（HRMS）确认了所有目标产物的分子量，其中3a的精确分子离子峰（m/z 1452.1137）与理论值偏差小于0.001%，有力证明了[5T+5P]骨架的完整性和准确性。核磁共振（NMR）谱学数据显示，所有化合物均呈现高度对称的谱图特征：氢谱中哌嗪亚甲基（CH2）在3.75-3.79ppm区域出现双峰，碳谱中对应碳原子（C-A和C-B）在43.18-43.34ppm区间同样形成对称信号。这种特征性谱图变化揭示了分子在非平面 crown-shaped 构象下的自洽性。

热力学模拟为结构解析提供了理论支撑。通过MM2力学计算与B3LYP-DFT量子化学模拟相结合的方式，系统比较了[5T+5P]和[6T+6P]两种骨架的热力学稳定性。结果显示，尽管六元骨架（[6T+6P]）在理论能量上略优于五元体系（ΔE=0.108 kcal/mol·mmol-1·atom-1），但实际合成中五元骨架占据主导地位。动力学控制机制的分析表明，五元体系在合成条件（70-110℃）下更易形成稳定的环状结构，而六元体系可能因空间位阻效应导致构型不稳定。

分子构象研究揭示了独特的孔隙形成机制。对于典型化合物3b，通过核磁动态谱学（300-20℃变量温度NMR）发现，哌嗪环的椅式-船式构象转换能垒仅为2.7 kcal/mol，但分子整体仍保持非平面crown-shaped构象。密度泛函理论（DFT）模拟显示，这种构象具有最低的自由能（-12 218 kcal/mol·mmol-1·atom-1），且通过π-π堆积和氢键网络形成稳定的分子笼结构。X射线衍射虽未直接采用，但通过CO2吸附等温线分析可间接验证孔隙形成：在195K下测得比表面积154.2 m2/g，孔径分布4.5-8.5 ?，与分子模型预测的笼状孔隙尺寸（5.6-11.7 ?）高度吻合。

孔隙性能研究采用多方法协同验证。CO2吸附实验显示，3b在195K时达到单层吸附饱和容量，BET法计算比表面积达154.2 m2/g，Langmuir模型显示单分子层吸附容量为193.0 m2/g。值得注意的是，等温线在低负载区（<0.5 mmol/g）吸附速率显著高于高负载区，这可能与分子表面强极性位点（如三嗪氨基）优先吸附CO2分子有关。通过计算Qst（等温吸附热）值的变化趋势（从初始值28.2 kJ/mol降至平衡时的14.6 kJ/mol），结合分子动力学模拟，揭示了吸附位点从分子表面过渡到笼状孔隙内部的动态过程。

材料稳定性测试显示，3a-3d在280℃以下保持结构完整，TGA分析表明其热分解主要源于溶剂挥发而非骨架断裂，这与其分子内氢键网络和π-π堆积作用密切相关。特别在3b的TGA曲线上，200-280℃区间质量损失率仅为0.8%，证实了其稳定的笼状结构。

应用潜力方面，研究团队通过气吸附实验证实了这些多环材料的分子识别能力。CO2吸附实验表明，3b在标准状况下（273K, 1atm）吸附容量达4.2 mmol/g，孔径分布（4.5-8.5 ?）覆盖了常见气体分子的扩散通道，包括CO2（3.7 ?）、N2（3.64 ?）和CH4（3.0 ?）。这种多孔结构使其在气体分离、催化等领域具有潜在应用价值。更值得关注的是，该材料在液相中表现出优异的溶解性（溶解度达0.8 g/100mL DMSO），解决了传统HOFs（氢键有机框架）材料易失活的问题，这主要归因于其三嗪-哌嗪骨架的刚性结构带来的稳定性优势。

研究还创新性地建立了"尺寸-功能"关联模型。通过对比不同取代基对孔隙性能的影响，发现当外围取代基体积由C4H9-CH2（2a）增加到C6H13-CH2（3d）时，吸附容量从3.8 mmol/g提升至4.5 mmol/g，同时孔径分布向大孔（6-8.5 ?）偏移。这种结构-性能调控关系为功能化多环材料的定向合成提供了理论依据。

该工作对材料科学领域的启示在于：通过优化分子骨架的刚性-柔性平衡，可在保持良好溶解性的同时构建稳定的多孔结构。这种"刚性笼"与"柔性笼"的辩证关系，为设计新型多孔材料开辟了新路径。此外，自循环合成策略的成功应用，为其他类型多环材料的制备提供了可借鉴的方法体系。

未来研究可沿三个方向深化：首先，探索不同取代基对孔道连通性的影响，优化气体扩散通道；其次，通过掺杂金属离子或功能基团，开发具有催化活性的分子笼材料；最后，研究其在极端条件（高压、高温）下的稳定性，以拓展实际应用场景。这些延伸研究将有助于实现从基础科学发现到工业应用的跨越式发展。