南方科技大学蒋伟教授课题组：酰胺萘管对反应性有机分子的水相仿生识别与保护

有效保护反应性分子并降低其反应活性，在合成化学、药学和材料科学等领域具有重要的应用价值。基于分子识别的非共价保护策略，通过将客体分子封装于主体分子的空腔中，能够有效抑制反应性分子的化学反应。然而，在水环境中实现这一策略仍然面临重大挑战。这主要是因为当前缺乏能够在水溶液中选择性识别反应性官能团的主体分子，而水对非共价键具有较强的削弱作用。

针对这一难题，南方科技大学蒋伟教授（点击查看介绍）课题组长期致力于“水相仿生分子识别”研究，开发了能够在水环境下选择性识别极性分子及官能团的“内修饰”空腔主体分子（图1），例如酰胺萘管和酰胺蒽管等。这些主体分子通过模拟生物受体的结合空腔，将极性结合位点巧妙地置于疏水空腔内部，从而显著减少水对非共价键的削弱效应，实现了对特定官能团的选择性结合。基于上述识别模式，该课题组近期进一步探索了“内修饰”主体分子在水环境中保护客体分子的应用。这一突破不仅为非共价保护策略在水溶液中的实现提供了全新思路，也为反应性分子在复杂体系中的应用奠定了基础。

图1. (a) 基于“内修饰”空腔主体的仿生分子识别与保护。(b) 研究所涉及的酰胺萘管、酰胺蒽管和缩醛分子的化学结构式。

研究表明，酰胺萘管能够有效抑制多种缩醛类化合物（G1-G10，图1）的酸性水解反应。在pD = 4.4的酸性条件下，酰胺萘管的保护作用使模型化合物 G1 的半衰期延长了61倍，远远超过其他常见水溶性主体分子如 β-环糊精和葫芦[7]脲（图2）的保护效果。这一结果清楚地展示了酰胺萘管在水溶液环境中的显著优势。此外，通过进一步调节反应条件，酰胺萘管的保护效果得到了大幅提升，将 G1 的半衰期延长至3000倍以上。这一突破使得酰胺萘管成为当前最有效的缩醛保护策略之一，为水相反应体系中反应性分子的保护提供了新的解决方案。

图2. (a) 缩醛G1的酸性水解反应。(b) pD = 4.4和298 K下，G1（0.25 mM），及其与1.0摩尔当量的不同合成受体（1a、1b、β-CD和CB[7]）混合后的水解的动力学曲线

实验进一步揭示了主客体间弱相互作用，尤其是氢键，在酰胺萘管对缩醛类分子保护中的关键作用。单晶结构分析显示，酰胺萘管的酰胺 NH 基团能够与缩醛类分子的缩醛氧原子形成中等强度的氢键。这种氢键作用将缩醛基团有效封装在萘管的深空腔内，从而与外部环境实现隔离，极大地抑制了其水解反应（图3）。进一步的DFT计算结果与单晶结构高度吻合，证明了复合物在水溶液中的键合模式与固态结构相似，进一步支持了氢键在分子保护中的作用机理。此外，反应动力学分析揭示，缩醛基团在萘管空腔内的水解速率显著低于其在空腔外的水解速率。这一现象清楚地展示了萘管深空腔提供的有效保护效应。值得注意的是，该保护策略表现出极高的底物选择性，能够实现具有相近水解活性的缩醛异构体的动力学拆分（图4）。这一结果不仅展示了酰胺萘管在保护反应性分子方面的广泛应用潜力，也为动力学拆分提供了新的解决方案。

图3. (a) G1@3b、(b) G4@3b、(c) G7@3b和 (d) G8@3b的单晶X射线衍射结构。绿色虚线表示分子间N−H•••O氢键。

图4. 基于萘管1b的缩醛异构体G2与G4混合物的动力学拆分。

此外，酰胺萘管和酰胺蒽管展现出对多种水溶液化学反应的广泛抑制作用。这些反应包括：

• 水解反应：有效抑制酯基化合物的胺解、碱催化水解及酶催化水解；

• 加成与还原反应：抑制烯烃加成反应和二硫键还原；

• 光化学反应：控制光致变色分子的异构化过程。

这些结果表明，利用内修饰位点的人工主体（酰胺萘管和酰胺蒽管），能够在水环境中实现对多种反应性有机分子的选择性结合与保护。这一发现进一步揭示了“内修饰”空腔主体在水相分子保护中的广泛适用性，为反应性分子保护策略提供了重要工具。

该研究由南方科技大学蒋伟教授课题组主导完成。课题设计、论文起草、修改及发表过程中，得到了北京师范大学龚汉元教授、德州大学奥斯汀分校 Jonathan L. Sessler 教授、香港大学 David Lee Phillips 教授以及南方科技大学谢小江副教授的大力支持与帮助，作者特此致谢。

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）：

Amide-Based Naphthotubes as Biomimetic Receptors for Acetal Protection and Other Substrates in Water via Noncovalent Interactions

Hang Zhou, Xin-Yu Pang, Xiaojiang Xie, David Lee Phillips,* Han-Yuan Gong,* Jonathan L. Sessler,* and Wei Jiang

J. Am. Chem. Soc.,2024, DOI: 10.1021/jacs.4c13907

导师介绍

蒋伟

https://www.x-mol.com/university/faculty/26767