吉林大学杨英威课题组Angew.：新型苯基拓展雷锁[4]芳烃的合成及水中高效碘吸附

来源：吉林大学 2024-07-01

导读：大环芳烃是超分子化学理论与应用研究的重要工具，设计合成结构新颖、性能优异的大环芳烃一直是超分子化学领域内具有挑战性的课题。吉林大学杨英威教授团队长期致力于新型大环芳烃的设计开发，以结构为基础，功能为导向，设计合成出了多样化的超分子功能材料，并在晶体工程、吸附分离、传感检测以及药物递送等多个研究领域展现出了极高的应用潜力及价值。近日，吉林大学杨英威教授团队在该领域取得新的研究进展，相关研究成果以“Phenyl-Extended Resorcin[4]arenes: Synthesis and Highly Efficient Iodine Adsorption”为题发表在《Angew. Chem. Int. Ed.》期刊（DOI:10.1002/anie.202411261）。

在该研究中，作者采用两步片段环化的方法，将未取代的亚苯基单元引入到传统雷锁芳烃骨架中，成功设计合成了一类具有较大空腔尺寸且结构灵活的新型大环芳烃——苯基拓展雷锁[4]芳烃（ExR4）。同时，分子骨架上的极性羟基基团以及丰富的分子内和分子间氢键的存在，赋予了ExR4在水溶液中高效碘吸附方面的优异性能。此外，通过搭建柱吸附模型，利用其作为固定相有效去除流动相中的碘三负离子（I₃⁻），为其在大规模水处理中的应用奠定了基础，同时为解决碘污染问题提供了新的思路和可能。

图1.（a）分子的设计；（b）水中碘吸附示意图；（c）大环分子及其衍生物的合成路线。（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

作者通过在室温下缓慢挥发全羟基衍生化的大环OH-ExR4的丙酮及正己烷的混合溶液，成功得到了大环分子的单晶结构。结果表明，OH-ExR4由于大量分子内和分子间羟基的氢键的存在，使得大环骨架结构发生大幅度扭转，形成一种扭曲的“8字形”结构。

图2. OH-ExR4的晶体结构（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

此外，OH-ExR4对水溶液中的I₃⁻表现出了显著的吸附能力，能够达到1.18×10^-2 g·mg^-1·min^-1的动力学吸附速率，以及95%以上的吸附效率，这一性能优于许多现有的碘吸附材料。同时，OH-ExR4在酸性、中性以及碱性缓冲溶液中仍能够保持良好的稳定性以及较高的碘去除效率，且经过十次吸附-解吸循环后，其骨架稳定性以及吸附效率仍保持良好，这为其在实际应用奠定了基础。此外，对于碘吸附机理的探究结果表明，大环分子中的羟基基团与I₃⁻之间的静电相互作用以及大量的分子间氢键的协同作用是吸附过程的关键所在。这一发现为未来设计更高效的碘吸附材料提供了重要指导。

图3. 水溶液中碘吸附实验以及不同pH值的缓冲溶液中的碘吸附实验探究（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

总结

综上所述，该工作的研究亮点可总结为：（1）通过对传统雷锁芳烃骨架的修饰，引入未取代的亚苯基单元，提高了材料的疏水性能的同时，对大环的空腔尺寸进行了拓展，并增强了骨架的灵活性；（2）分子骨架上的极性羟基基团以及大量的分子内/分子间氢键的存在，赋予了大环分子良好的水溶液中碘吸附性能，这对于处理复杂水体环境中的碘污染具有重要意义。该工作得到了国家自然科学基金（52173200）、吉林省自然科学基金（20230101052JC）以及中央高校基本科研业务费专项资金支持。

Phenyl-Extended Resorcin[4]arenes: Synthesis and Highly Efficient Iodine Adsorption

Dongxia Li,† Gengxin Wu,† Yong-Kang Zhu, and Ying-Wei Yang*

Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202411261.

https://doi.org/10.1002/anie.202411261

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来源：吉林大学 2024-07-01