中南大学王平山课题组Angew：揭秘卟啉超分子笼的“呼吸-螺旋”动态——共存的多重分子笼构象

具有可调节空腔的配位金属超分子笼，因其空腔独特的物理化学环境而表现出对特定客体分子出色的识别和封装能力，在微反应、药物运载和催化等领域有着广泛的应用前景。在超分子笼的主客体系统中，具有半柔性框架的主体结构展现出了出色的动态适应性和优异的结构稳定性。在客体分子的诱导下，其腔体的变形、压缩或膨胀等动力学行为能够大限度地提高对内容物的亲和力，从而能够更好地稳定某些具有特定形状的大尺寸分子。研究发现，这种客体诱导的行为会为整个体系带来独特的构象变化。然而，在现有的配位金属超分子主客体中，半柔性框架的扭曲所带来的产物在构象上主要体现为单一手性或外消旋体，对复杂多重构象体系的构造依然难以实现。

近日，中南大学王平山教授团队提出了一种新型的具有可呼吸空腔和自由扭曲侧链的配位金属超分子笼结构。单晶X射线衍射揭示出超分子笼的半柔性框架具有独特的“呼吸-螺旋”动态系统，在C₇₀客体的封装锁定下，其主客体体系实现了前所未有的复杂多重构象的共结晶行为。这项工作为配位金属超分子笼的动力学研究提供了新的思路，同时也为超分子主客体系统下多重构象的精准构造开辟了新的途径。这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上。该论文中南大学为第一完成单位，董强强博士为第一作者，中南大学的王平山教授、刘叠副教授以及广州大学王俊副教授和顺德职业技术学院林一帆讲师为该论文共同通讯作者。

图1. 金属超分子笼的呼吸特性和客体诱导的多重构象构造研究示意图。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

单晶X射线表明，配位金属超分子笼S具有截锥形空腔和外围的三甲氧基苯基侧链，并以成对的非对映异构体形式存在于晶胞中。这一对非对映异构体具有不同尺寸的空腔，体现出了典型的“呼吸”特性。而在这一“呼吸”过程中，外围的侧链也随之表现出了不同的螺旋度。这种由柔性侧链所表达的螺旋性为主客体体系下多重构象的构造提供了极其精巧的结构基础。

图2. 金属有机笼S的单晶结构。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

当具有不同亲和力的客体分子引入时，配位金属超分子笼会表现出截然不同的主客体行为。如低亲和力的C₆₀分子在被包裹后，所形成的C₆₀⊂S主客体体系依然沿袭了与配位金属超分子笼S相似的结晶模式，晶胞中的非对应异构体依然保留了一开一合的“呼吸”状态。然而，处于“开放”状态下的配位金属超分子笼内部空腔过大，无法有效地稳定客体分子，因此部分C₆₀分子逃逸到非对应异构体的缝隙内，形成了独特的夹层式堆积结构。

图3. 主客体配合物C₆₀/C₇₀的单晶结构。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

然而，高亲和力的C₇₀客体分子则能够有效“锁定”配位金属超分子笼的“呼吸”特性，得到不同于非对映异构体的主客体体系。在C₇₀⊂S晶体中，所有的空腔中都填充有客体分子，并且被固定在了一个介于“呼”与“吸”的尺寸中。这种尺寸上的“锁定”使得客体分子在结晶过程中无法逃逸，因此只能通过柔性侧链的扭曲来尽可能地降低空间位阻。对分子排列的模拟结果表明，只有当C₇₀⊂S主客体体系中，顺时针螺旋的Rac-C₇₀⊂S^-C、逆时针螺旋的Rac-C₇₀⊂S^-A和C_2V对称的Sym-C₇₀⊂S三种构象共同存在时，晶体整体的堆积更稳定。因此，在“客体锁定”和结晶过程的共同作用下，C₇₀⊂S主客体体系实现了前所未有的复杂多重构象的精准构建。

图4. 金属有机笼S对C₇₀客体的选择性包裹。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

此外，对两种客体分子的选择性提取实验进一步验证了这一“呼吸-螺旋”动态系统的稳定过程。在配位金属超分子笼S、C₆₀分子和C₇₀分子为1:1:10的混合体系中，C₆₀⊂S会优先形成，然后在180分钟内逐步彻底地转化为C₇₀⊂S主客体体系。可以推测，超分子笼对低亲合力的C₆₀客体分子的包裹是一个动力学优势的过程，而对高亲合力的C₇₀客体分子的包裹则是一个热力学稳定的过程。这意味着客体分子对“呼吸-螺旋”动态系统的“锁定”极有可能在溶液中就已完成，预示着这一配位超分子动态系统的设计在分子识别领域中将有望体现出极大的应用价值。

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Guest-induced “breathing-helical” dynamic system of a porphyrinic metallo-organic cage for advanced conformational manipulation

Qiangqiang Dong, Fengxue Liu, Jun Wang*, Ermeng Han, He Zhao, Bangtang Chen, Kaixiu Li, Jie Yuan, Zhilong Jiang, Mingzhao Chen, Yiming Li, Die Liu*, Yifan Lin*, Pingshan Wang*

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202416327