广州大学王平山课题组Angew：利用张力驱动策略构建异形三空腔超分子笼

三维超分子笼拥有可调控的内部空腔，能够作为一类宿主系统广泛应用于化学传感、催化、药物分子释放和主客体化学领域中。为了应对更为复杂的应用场景，研究者们尝试在单个分子构造数个具有差异性化学环境的空腔结构，从而得到高度功能化的多空腔超分子体系。然而，考虑到线性多齿配体大多产生均匀大小的空腔，异形多空腔系统超分子笼的精准构筑仍是挑战性难题。通过分子应变设计具有异形三空腔的离散超分子笼还没有文献报道。

图1. 异形三空腔超分子笼的设计策略。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

近日，广州大学王平山教授（点击查看介绍）课题组提出了一种张力驱动的自组装策略，成功实现了异形三空腔超分子笼的精准构建。相比于传统单一线型配体的自识别组装，作者巧妙地设计了一种“支架-封顶（scaffold-capping）”的封装方法，利用封顶配体与支架配体间在几何结构上的细微错位制造出额外的张力，从而诱发配位中间体的自扩张过程，得到具有两种不同形状空腔的超分子笼结构。该论文发表在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition 上，并被评为 Very Important Paper (VIP)，广州大学为第一完成单位，该论文王俊博士后为第一作者，林一帆博士后、陈名钊副教授和王平山教授为共同通讯作者。

图2. 超分子笼S¹、S²、S³和S⁴的合成。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

作者首先设计合成了基于三联吡啶的金属有机配体L¹作为支架配体。以此结构为基础，利用尺寸适配的封顶配体L²/L⁴组装得到同形双空腔超分子笼S¹/S³，并通过配位臂长缩短的封顶配体L³/L⁵组装得到异形三空腔结构的超分子S²/S⁴。核磁共振氢谱和质谱分析表明，双空腔体系中的支架配体与封顶配体以[1+2]模式进行组装，而三空腔体系中则形成了更为复杂的[2+2]模式。对支架配体与封顶配体[1+1]组装的中间体研究表明，当封顶配体臂长缩短时，其 [1+1]中间体需要通过自扩张形成额外的空腔来稳定结构扭曲所带来的内部张力，从而形成具有不同空腔形貌的异形三空腔超分子体系。作者利用各种分析技术，包括（1D和2D）NMR、ESI-MS、TWIM-MS、AFM和SAXS分析，对所有多空腔分子笼进行了充分的表征。

图3. 超分子笼S¹、S²、S³和S⁴的能量最小化结构和AFM表征。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

分子模拟结合小角X射线散射（Small Angle X-ray Scattering，SAXS）进一步揭示了同形双腔和异形三腔超分子笼的结构特征。当封顶配体以三苯基苯为核心时，由于内部张力的影响，三腔笼S²中处于末端的两个空腔在容量上相比于双腔笼S¹被显著压缩，从2000 Å³以上大幅降低至1300 Å³左右。而当封顶配体以刚性更强的三苯甲烷为核心时，其三腔体系S⁴能够维持末端空腔的容量，而将张力传达至中部空腔，使其容量相比于S²降低了800 Å³左右。因此可以看出，这类异形多腔超分子笼体现出了对内部张力极强的应变性。

图4. 超分子笼S¹、S²、S³和S⁴的空腔体积模拟结构和SAXS表征。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

综上，该工作不仅提供了一种以张力诱导为驱动调控超分子笼内空腔形貌的可控手段，也为超分子体系结构复杂化和功能多样化的实现提供了新的途径。

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）：

Strain-Induced Heteromorphosis Multi-Cavity Cages: Tension-Driven Self-Expansion Strategy for Controllable Enhancement of Complexity in Supramolecular Assembly

Jun Wang, Zhilong Jiang, Jia-Fu Yin, He Zhao, Qiangqiang Dong, Kaixiu Li, Wanying Zhong, Die Liu, Jie Yuan, Panchao Yin, Yiming Li, Yifan Lin*, Mingzhao Chen*, Pingshan Wang*

Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202317674

导师介绍

王平山

https://www.x-mol.com/university/faculty/15157