A charge-neutral organic cage selectively binds strongly hydrated sulfate anions in water

化学 笼子 硫酸盐 电荷(物理) 化学物理 无机化学 计算化学 有机化学 数学 量子力学 组合数学 物理
作者
Liuyang Jing,Evelyne Deplazes,Jack K. Clegg,Xin Wu
出处
期刊:Nature Chemistry [Nature Portfolio]
卷期号:16 (3): 335-342 被引量:64
标识
DOI:10.1038/s41557-024-01457-5
摘要

In biological systems, enzymes and transport proteins can bind anions in aqueous media solely by forming hydrogen bonds with charge-neutral motifs. Reproducing this functionality in synthetic systems presents challenges and incurs high costs, particularly when targeting strongly hydrated anions such as sulfate. Here we report a [2.2.2]urea cryptand (cage), synthesized in one pot, that selectively binds sulfate in a mixture of dimethyl sulfoxide and water and in water with affinities in the micromolar to millimolar range. The neutral cage bearing six urea groups donates 12 strong hydrogen bonds to encapsulate a sulfate anion, showing favourable enthalpy even in pure water. Sulfate binding can be further enhanced by using micelles to provide a low-polarity microenvironment. The cage finds utility in analysing divalent anions in water and beverage samples or in removing sulfate. The work demonstrates the achievability of robust and selective anion binding in water with minimal synthetic efforts, by using neutral NH hydrogen bonds akin to those found in biology. Very few charge-neutral synthetic anion receptors can function in water, and those known typically select weakly hydrated anions such as iodide. Now a neutral molecular cage capable of donating 12 hydrogen bonds has been synthesized and found to bind highly hydrated sulfate in water with a strong selectivity over weakly hydrated anions.
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