SCOPUS
SCIE
Controlling Switching in Bistable [2]Catenanes by Combining Donor–Acceptor and Radical–Radical Interactions
저자
Zhu, Zhixue ; Fahrenbach, Albert C. ; Li, Hao ; Barnes, Jonathan C. ; Liu, Zhichang ; Dyar, Scott M. ; Zhang, Huacheng ; Lei, Juying ; Carmieli, Raanan ; Sarjeant, Amy A. ; Stern, Charlotte L. ; Wasielewski, Michael R. ; Stoddart, J. Fraser
발행기관
학술지명
권호사항
발행연도
2012
작성언어
-등재정보
SCOPUS,SCIE
자료형태
학술저널
수록면
11709-11720(12쪽)
제공처
<P>Two redox-active bistable [2]catenanes composed of macrocyclic polyethers of different sizes incorporating both electron-rich 1,5-dioxynaphthalene (DNP) and electron-deficient 4,4′-bipyridinium (BIPY<SUP>2+</SUP>) units, interlocked mechanically with the tetracationic cyclophane cyclobis(paraquat-<I>p</I>-phenylene) (CBPQT<SUP>4+</SUP>), were obtained by donor–acceptor template-directed syntheses in a threading-followed-by-cyclization protocol employing Cu(I)-catalyzed azide–alkyne 1,3-dipolar cycloadditions in the final mechanical-bond forming steps. These bistable [2]catenanes exemplify a design strategy for achieving redox-active switching between two translational isomers, which are driven (i) by donor–acceptor interactions between the CBPQT<SUP>4+</SUP> ring and DNP, or (ii) radical–radical interactions between CBPQT<SUP>2(•+)</SUP> and BIPY<SUP>•+</SUP>, respectively. The switching processes, as well as the nature of the donor–acceptor interactions in the ground states and the radical–radical interactions in the reduced states, were investigated by single-crystal X-ray crystallography, dynamic <SUP>1</SUP>H NMR spectroscopy, cyclic voltammetry, UV/vis spectroelectrochemistry, and electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy. The crystal structure of one of the [2]catenanes in its trisradical tricationic redox state provides direct evidence for the radical–radical interactions which drive the switching processes for these types of mechanically interlocked molecules (MIMs). Variable-temperature <SUP>1</SUP>H NMR spectroscopy reveals a degenerate rotational motion of the BIPY<SUP>2+</SUP> units in the CBPQT<SUP>4+</SUP> ring for both of the two [2]catenanes, that is governed by a free energy barrier of 14.4 kcal mol<SUP>–1</SUP> for the larger catenane and 17.0 kcal mol<SUP>–1</SUP> for the smaller one. Cyclic voltammetry provides evidence for the reversibility of the switching processes which occurs following a three-electron reduction of the three BIPY<SUP>2+</SUP> units to their radical cationic forms. UV/vis spectroscopy confirms that the processes driving the switching are (i) of the donor–acceptor type, by the observation of a 530 nm charge-transfer band in the ground state, and (ii) of the radical–radical ilk in the switched state as indicated by an intense visible absorption (ca. 530 nm) and near-infrared (ca. 1100 nm) bands. EPR spectroscopic data reveal that, in the switched state, the interacting BIPY<SUP>•+</SUP> radical cations are in a fast exchange regime. In general, the findings lay the foundations for future investigations where this radical–radical recognition motif is harnessed in bistable redox-active MIMs in order to achieve close to homogeneous populations of co-conformations in both the ground and switched states.</P><P><B>Graphic Abstract</B>
<IMG SRC='http://pubs.acs.org/appl/literatum/publisher/achs/journals/content/jacsat/2012/jacsat.2012.134.issue-28/ja3037355/production/images/medium/ja-2012-037355_0011.gif'></P><P><A href='http://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/ja3037355'>ACS Electronic Supporting Info</A></P>
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