超分子“烤串”：从构象适应性的环套环组装体到高阶二聚体结构

非共价键相互作用广泛存在于自然界中，参与生物体中各种复杂结构的形成，例如酶、转录因子、膜受体蛋白和类淀粉纤维蛋白在生物体内的二聚都离不开亚单元之间的非共价相互作用。尽管生物分子与人工分子体系之间存在着巨大差异，利用人工分子体系模仿生物分子对于揭示高阶结构的奥秘和实现对自组装的精确调控仍有着重要意义。环套环组装体具有独特的拓扑结构，同时也成功地用于构筑各类超分子组装体，利用这类结构有助于理解自然界中的复杂分子结构。

近日，四川大学袁立华教授（点击查看介绍）团队与杨成教授（点击查看介绍）团队、深圳大学李霄鹏教授（点击查看介绍）团队合作，基于含有嘧啶结构单元的氢键芳酰胺大环1a（简称嘧啶环[8]）与阳离子环番客体（o-Box/p-Box）形成的环套环组装体，构筑了具有“烤串”结构形式的超分子高阶二聚体H7G2和H8G2（图1）。

图1. 嘧啶环[8]和o-Box/p-Box的结构及其组装示意图

在过去的二十多年中，随着机械互锁分子的不断发展，环套环体系吸引了越来越多研究者的注意，不同于大环互穿形成的环套环组装体——索烃，非互穿型环套环体系是构筑许多奇特超分子结构，如俄罗斯套娃组装体、Borromean环等的重要前体。另外，大多数环套环体系的构筑依赖于三维主体，比如环糊精、杯芳烃、葫芦脲、纳米管、胶囊以及分子笼等。利用具有二维刚性骨架的大环将会给此领域带来新的发展，例如合成多个大环套入同一大环形成非互穿型环套环复合物。为了得到适合用于环套环体系的二维大环，作者设计合成了一种新型的氢键芳酰胺大环，即嘧啶环[8]，它具有许多特性：1）在骨架中引入嘧啶单元，既保留了传统氢键大环中起到预组织作用、赋予大环刚性的三中心氢键，又增加了大环的溶解度；2）空腔直径近12 Å，且有八个指向环内的羰基氧，可作为潜在的结合位点络合阳离子环番客体；3）由于嘧啶环[8]结构较为平面，降低了空间拥挤程度，使得单一环番客体可以与多达五个主体大环组装；4）大的π平面和多个C-H…O接触协同作用，确保了有足够强的π-π堆积和氢键作用稳定高阶组装体；5）构象适应性使得在单一轴线上可以堆叠多个大环。

将o-Box/p-Box与嘧啶环[8]以不同比例混合，作者得到多种比例的主客体复合物（1:1→5:1）并获得与o-Box形成的H4G/H5G复合物单晶（图2）。在单晶中可以看到各个大环骨架都发生了一定程度的弯曲，说明大环具备一定的构象适应性；另外，在H5G中客体表现为与H4G中不同的构象，表明在此体系中，客体也具有一定的构象适应性。环套环体系的构象适应性与整个超分子结构的稳定化有关，而后者取决于体系中多重非共价作用的协同结果。

图2. 环套环复合物H4G和H5G的晶体结构及其主客体分子的构象自适应现象。

除了上述预料之中的环套环复合物外，在质谱中还发现了由七个或八个嘧啶环[8]与两个o-Box/p-Box组成的复合物，即H7G2和H8G2。这种复杂的化学计量比引起了作者的极大兴趣。为了探明这两种复合物的组装形式，首先通过理论计算得到了H7G2和H8G2的能量最小化结构，并通过晶体培养和单晶XRD测试解析，最终成功获得了H7G2 (o-Box, 图3) 和H8G2 (p-Box, 图4) 两种复合物的固态结构。

图3. 高阶二聚体H7G2的晶体结构及其分析

H7G2和H8G2可视为是由两个环套环复合物通过中间嘧啶环[8]（紫色/红色）桥接形成的更高阶的二聚体（图3a和图4a），两个环套环组装体通过界面处π-π、C-H•••π以及氢键作用桥接（图3b和图4b）。在晶体结构中，嘧啶环[8]分子之间存在紧密的π-π堆叠（3.3 Å-3.6 Å），且上下两端的嘧啶环[8]呈明显的碗状弯曲。界面连接处的大环也由单体中的弯曲状转变为了平面状以使两个环套环单体更好的连接。

图4. 高阶二聚体H8G2的晶体结构及其桥接部分

在以o-Box/p-Box为客体形成的环套环复合物中，多个大环通过调整自身构象以使分子间相互作用力达到最大，以确保H7G2/H8G2型二聚复合物的形成，避免超分子聚合物的产生。这与H4G/H5G中观察到o-Box呈现的两种不同构象相互呼应，表明环套环体系中的构象适应性可以由主、客体双方诱导而产生。本工作发现多个环能够同时穿入一个环，进而形成离散的二聚体超分子结构，展现出二维氢键大环用于构筑高级复杂结构所具有的独特性。这一结果有助于理解高阶纳米组装体形成过程中涉及到的界面作用及构象适应性现象。

这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，共同第一作者为四川大学化学学院博士生王真文和中科院高能物理所梅雷研究员。通讯作者为四川大学化学学院袁立华教授、杨成教授以及深圳大学化学与环境工程学院李霄鹏教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Supramolecular Shish Kebabs: Higher Order Dimeric Structures from Ring-in-Rings Complexes with Conformational Adaptivity

Zhenwen Wang , Lei Mei, Chenxing Guo, Song Huang, Wei-Qun Shi, Xiaowei Li, Wen Feng, Xiaopeng Li, Cheng Yang, Lihua Yuan

Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202216690

导师介绍

袁立华

https://www.x-mol.com/university/faculty/12802 

杨成

https://www.x-mol.com/university/faculty/12793 

李霄鹏

https://www.x-mol.com/university/faculty/347485