Tracking Noncovalent Interactions of π, π-Hole, and Ion in Molecular Complexes at the Single-Molecule Level

化学 堆积 非共价相互作用 分子 化学物理 分子识别 离子 分子动力学 分子结合 分子模型 计算化学 纳米技术 立体化学 氢键 有机化学 材料科学
作者
Hongyu Ju,Baoyi Wang,Mengmeng Li,Jie Hao,Wei Si,Shuxin Song,Kunrong Mei,Andrew C.‐H. Sue,Jinying Wang,Chuancheng Jia,Xuefeng Guo
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (36): 25290-25298
标识
DOI:10.1021/jacs.4c09504
摘要

Noncovalent interactions involving aromatic rings, such as π-stacking and π-ion interactions, play an essential role in molecular recognition, assembly, catalysis, and electronics. However, the inherently weak and complex nature of these interactions has made it challenging to study them experimentally, especially with regard to elucidating their properties in solution. Herein, the noncovalent interactions between π and π-hole, π and cation, and π-hole and anion in molecular complexes in nonpolar solution are investigated in situ through single-molecule electrical measurements in combination with theoretical calculations. Specifically, phenyl and pentafluorobenzyl groups serve as π and π-hole sites, respectively, while Li+ and Cl– are employed as the cation and anion. Our findings reveal that, in comparison with homogeneous π···π interactions, heterogeneous π···π-hole and π···cation interactions exhibit greater binding energies, resulting in a longer binding lifetime of the molecular junctions. Meanwhile, π···Li+ and π-hole···Cl– interactions present significantly distinct binding characteristics, with the former being stronger but more flexible than the latter. Furthermore, by changing the molecular components, similar conductivity can be achieved in both molecular dimers or sandwich complexes. These results provide new insights into π- and π-hole-involved noncovalent interactions, offering novel strategies for precise manipulation of molecular assembly, recognition, and molecular device.
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