Systematic Synthesis of Large Porous Organic Cages Driven by Steric Hindrance

位阻效应 化学 合成子 十二面体 介孔材料 化学物理 拓扑(电路) 纳米技术 结晶学 立体化学 有机化学 催化作用 数学 组合数学 材料科学
作者
Ming Liu,Siyuan Yang,Jinjin Zhang,Junkai Sun,Yong‐Liang Su,Jiarui Hu,Xiaoyan Wang,Ming Liu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (34): 31060-31072 被引量:3
标识
DOI:10.1021/jacs.5c09357
摘要

Large organic cages (>3 nm) hold great promise for enhancing gas adsorption capacity and encapsulating bulky guests, such as nanoparticles and biomolecules. However, their synthesis remains challenging due to entropic penalties favoring smaller cages and interlocked byproducts during self-assembly. Here, we present a steric hindrance-driven strategy to systematically construct a series of stable [6 + 12] cages via imine condensation between tetratopic and ditopic synthons. Introducing bulky substituents to the tetratopic building blocks effectively suppressed entropic competition, directing assembly exclusively toward Tet6Di12 topologies. Notably, enhanced steric crowding induced an unprecedented triangular orthobicupola (Johnson solid J27) geometry─the first report of this topology in organic cages. Molecular dynamics and density functional theory calculations confirmed that the increased steric bulk thermodynamically favors Tet6Di12 over smaller analogs (Tet3Di6 and Tet4Di8). Single-crystal structures revealed that the large-sized cages self-assemble into unique spatial arrangements of alternating ultramicro-mesoporous three-dimensional pore networks, with intrinsic frustration in close packing conferring permanent porosity.
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