迄今最大的单体分子笼--M30L60三十二面体

自组装（self-assembly），是指基本结构单元（分子、纳米材料、微米或更大尺度的物质）自发形成有序结构的一种技术。分子自组装过程并不是大量原子、离子、分子之间弱作用力的简单叠加，而是若干个体之间同时自发的发生关联并集合在一起形成一个紧密而又有序的整体，是一种整体的复杂的协同作用。在自然界中，球形病毒衣壳是由千百个相同蛋白亚结构单元自发并且精准的自组装所形成。例如，脊髓灰质病毒（poliovirus，下图）的生物结构具有由60个蛋白亚结构自组装形成的12个五聚物（pentamers），从而构成一个直径为30 nm的二十面体原壳体。

脊髓灰质病毒。图片来源：sciencephoto.com

很多科学家们的灵感总是来源于自然。近些年来，设计合成由二三十个组件自组装形成的多面体分子笼已经被实现。然而，在自然界中，自组装多面体分子笼的组成一般大于100个组件，这对合成化学家来说仍是一项巨大的挑战。下面笔者将介绍日本东京大学的Makoto Fujita教授在自组装大分子笼领域的重大突破。（Self-Assembly of M₃₀L₆₀ Icosidodecahedron. Chem, 2016, 1, 91-101, DOI: 10.1016/j.chempr.2016.06.007）

Makoto Fujita教授。图片来源：University of Tokyo

如果金属离子M位于多面体的顶点，并以平面四边形的配位方式与位于多面体边缘并且结构弯曲的配体L配位，即会形成球状多面体分子笼（M_nL_2n）。M₆L₁₂八面体分子笼（Figure 1, Chem. Comm., 2009, 1638）和M₁₂L₂₄十四面体分子笼（Figure 2, Angew. Chem. Int. Ed., 2004, 5621）分别在2009年和2004年被Fujita教授报道。

Figure 1.  Pd₆L₁₂八面体分子笼的合成与结构 图片来源: Chem. Comm.

Figure 2. Pd₁₂L₂₄十四面体分子笼的结构 图片来源: Angew. Chem. Int. Ed.

然而，Fujita研究组对构建更大的仿生自组装分子笼的野心并未停止。在2010年，M₂₄L₄₈菱方八面体（rhombicuboctahedron）分子笼也被成功突破（Figure 3, Science, 2010, 328, 1144）。值得注意的是，相比Pd₁₂L₂₄十四面体分子笼的制备，Pd₂₄L₄₈仅仅轻微的改变了配体L的柔性（flexibility）和大小。

Figure 3. Pd₂₄L₄₈菱方八面体的结构 图片来源: Science

接下去Fujita研究组要挑战的是M₃₀L₆₀三十二面体分子笼。直到2016年，Fujita研究组才成功攻破了Pd₃₀L₆₀的合成与表征（Figure 4），该化合物是迄今为止最大的单体球状大分子。Pd₃₀L₆₀三十二面体分子笼由90个组件（30个Pd²⁺和60个配体）自组装而成，分子直径为8.2 nm，其内腔足以装进一个蛋白分子。

Figure 4. Pd₃₀L₆₀三十二面体分子笼的制备与结构 图片来源: Chem

值得一提的是，Fujita研究组历时数年的时间才培养出适合X射线衍射的Pd₃₀L₆₀单晶。将乙酸异丙酯非常缓慢的挥发进入Pd₃₀L₆₀的DMSO溶液中，培养2-3个月后，可以得到Pd₃₀L₆₀的单晶。该晶体非常易碎并且在脱离溶剂的时候会分解，所以要在低温下来进行晶体的筛选。Figure 5列出了不同视角下Pd₃₀L₆₀三十二面体分子笼具体结构。在分子笼内，90%的内腔被溶剂分子所占据。N-Pd-N键角接近90°，BF₄^-阴离子分布在Pd²⁺周围。

Figure 5. Pd₃₀L₆₀三十二面体分子笼具体结构 图片来源: Chem

至此，Fujita研究组通过选用不同的配体L，成功设计合成了一系列自组装多面体分子笼M_nL_2n（Figure 6），其中Pd₃₀L₆₀三十二面体分子笼的内腔体积为157000 ų。该分子笼具有很大的潜在应用价值。例如可以承载不同的纳米材料或者大的蛋白质。笔者也很期待Fujita研究组突破M₆₀L₁₂₀分子笼。

Figure 6. 自组装多面体分子笼M_nL_2n  图片来源: Chem

http://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(16)30011-0

（本文由chemliu供稿）