超分子籠“分子燒瓶”

Fujita教授課題組的超分子籠最早報道于1995年的Nature（圖1）。[1] 該型超分子籠金屬中心為單核的钯，面配體是三吡啶三嗪（TPT）。钯一般是四配位，于是他們使用了cis-乙二胺保護的钯硝酸鹽作為原料。這個金屬配合物是溶于水的，他們先把這個水溶性配合物溶在水裡配成溶液，将不溶于水的TPT有機配體懸浮于溶液中，通過加熱和攪拌，原本不溶于水的TPT逐漸溶解，通過核磁他們發現了一個新的配合物，這就是M6L4超分子籠。由于這裡有六個金屬中心，四個三齒的有機平面配體，他們也把這稱為“由十個分子組裝得來的納米級有機主體框架”。值得一提的是，在嘗試獲得這一超分子的單晶時，作者添加了金剛烷甲酸。有趣的是，在解析晶體的過程中，不僅超分子籠的框架結構可以清楚的解析出來，還可觀測到金剛烷甲酸分子被吸附在超分子籠的空腔裡。這種主客體作用力誘導的客體吸附能力，以及可以通過單晶解析其結構的特點，為超分子籠之後二十年持續在這一領域做出傑出貢獻奠定了基礎。

圖2. Fujita M6L4籠在Diels-Alder反應中展現的位置選擇性調控能力。(A) D-A反應和底物。（B）D-A加成的産物。（C）1,4-加成的D-A産物被包裹于超分子籠的空腔（X-射線數據）。（D）反應底物的雙烯和親雙烯體被共包裹于超分子籠的空腔（X-射線數據）。

Fujtia于2012年在JACS上報導了超分子籠對Knoevenagel反應的催化，這種能力對于超分子籠來說并不多見。[3] 超分子籠一如既往的包裹了其中一個反應底物2-萘甲醛，而另一個反應底物米氏酸（Meldrum's acid）則由于有一定水溶性而遊離于籠外的水溶液中（圖3a）。通過加熱，作者發現原本澄清透明的溶液變渾濁了，而通過核磁他們發現超分子籠空腔中并沒有産物（圖3b）。這是怎麼回事？原來這次比較湊巧，反應産物由于體積過大，自動的被超分子籠“踢”出了空腔，反而因此完成了催化循環。混濁的物質是反應産生的産物，不溶于水，通過有機溶劑萃取就可以得到大量的産物（圖3c）。

圖3. Fujita M6L4 籠在Knoevernagel反應中展現的催化能力。(a) M6L4籠包裹反應底物2-萘甲醛（澄清）。（b）M6L4和反應産物分相（渾濁）。（c）核磁表征M6L4籠包裹反應底物以及萃取産物。

這個故事對剛踏入研究領域的朋友們有着重要的指導意義。首先就是要認真觀察實驗現象。對于水溶性籠體系，澄清意味着溶解性很好，而渾濁往往意味着超分子籠體系遭受破壞，其有機組分析出。本文裡的類似現象，通過作者的細緻研究，原來是不溶于水的反應産物在“搞事”。另外，對于實驗現象還要多做分析和思考。Fujita課題組在進行産物溶液的核磁研究時，開始沒有發現産物的信号，這意味着超分子籠裡面并沒有生成産物，這時候很多小夥伴可能就要放棄或者下結論“反應失敗”。而Fujita課題組結合對實驗現象的觀察，想到了更加深入：有沒有可能是産物離開了超分子籠空腔，因此在核磁表征中沒有信号？結果正是證實了他們的猜想，從而發現了超分子籠除了作為分子反應器，還具有催化能力。所以，在研究中一定要通過多種表征手段去驗證實驗結果，不要輕易放棄。

仿病毒結構的超分子球

除了超分子籠反應器，Fujita教授另一個獨具特色的工作就是仿病毒結構的超分子球。我們知道，化學學科是一門實驗科學，很多實驗結果無法預料。如果有人在實驗之前，就畫出一個未來20年的路線圖（Roadmap）來規劃自己的研究方向，并預測自己的研究結果，恐怕大多數化學研究者都要對此嗤之以鼻吧。讓人驚訝的是，Fujita教授的超分子球卻是一個20年前就已經規劃好的方向，他們通過多年研究，一個一個地獲得了哪些存在于預測中的結構。

病毒分子是一個極其複雜的球型蛋白質組裝體。例如前一段時間很火的寨卡病毒結構（圖4）。[4] 通過配位化學來模拟病毒結構，有助于人類認識病毒的構成，進而找到擊敗他們的辦法。

圖4. 3.7 Å分辨率冷凍電鏡下寨卡病毒（ZIKV）結構。

MnL2n結構超分子球就是一個模拟病毒的很好樣闆。二價的钯或鉑金屬離子（M）一般和四個吡啶配位形成平面正方形結構。如果一個有一定夾角的剛性配體（L）通過兩端的吡啶和M配位反應，可以形成閉合的球狀分子，平均每個金屬離子分得兩個配體，最簡式為MnL2n。抽象來看把M視為多面體頂點而L視為多面體邊，從數學角度可以推算出符合MnL2n的多面體隻有下面五種（圖5）。得到這些結構取決于L的夾角角度，原則上來講，越大的夾角可以得到更大的球。

圖5. 預測的MnL2n結構超分子球（至2017年，M30L60及其以前的四個超分子結構都已經得到）。

2004年，Fujita課題組使用120度夾角的配體，得到M12L24截半立方體球（cuboctahedron）。[5] 作者使用了單晶、核磁和質譜表征了這個結構（圖6）。

圖6. M12L24超分子球的X-射線單晶結構。

2009年，Fujita課題組意識到，具有90度夾角的配體可以得到更小的立方體球（cube）。于是作者付諸了實踐，果然得到了M6L12。[6] 同樣的，作者給與了全面表征（圖7）。由于同一時期，已經有Yaghi、Zaworoto和Eddaoudi分别報道了M6L12和M12L12超分子球，把球做大成了Fujita組的急切目标。這裡也可以看到，大牛的研究也不一定完全按照路線圖從小到大的得到超分子球，第一和第二個球的順序颠倒了一下，這也許也代表了化學這一實驗學科的偶然性吧。

圖7. （A）M6L12超分子球的核磁譜圖（由于高對稱性，配體的氫隻有一套峰）。（B）M6L12超分子球的質譜圖。（C）M6L12超分子球的X-射線單晶結構。

到了2010年，他們終于得到了M24L48超分子球的單晶結構（圖8）。[7] 據Fujita組畢業的留學生所述，其實自從2004年他們得到M12L24球時已經開展了這個M24L48超分子球的研究，中途換了好幾屆博士生，雖然得到了核磁和質譜，但始終無法得到單晶。這裡就不得不說這個MnL2n體系的結晶難度。由于配體本來就很難溶，他們一般都使用DMSO或DMF這些高沸點溶劑進行晶體生長。可想而知，由于自身揮發很緩慢，這些大球本身很“嬌貴”，在結晶過程中要麼得到澄清溶液，要麼得到粉末。即使偶爾得到的單晶也會面臨離開溶劑不穩定、衍射點不足、溶劑喪失導緻的晶體死亡的等問題。終于在2010年由當時還在東京大學讀博的孫慶福研究員（現任職于中國科學院福建物質結構研究所研究員，“青年千人”）經過反複嘗試，最終得到了單晶而“一錘定音”，将M24L48超分子球在Science 上展示出來。這不得不讓筆者想到曾志偉在《無間道》裡說的“一将功成萬骨枯……”，哦，不不不，是愛迪生的名句“天才是百分之一的靈感加上百分之九十九的汗水……”。開個玩笑，請孫老師不要見怪。對于目标的堅持，不斷的努力和嘗試是取得科研成功的充分不必要條件。繼續說正題，配體結構夾角對超分子球結構具有巨大影響。例如，具有149度夾角的配體1可以得到M24L48超分子球2，而隻有127度夾角的配體3可以得到M12L24超分子球4。

圖8. （A）149度夾角的配體1可以得到M24L48超分子球2。（B）127度夾角的配體3可以得到M12L24超分子球4。（C）M24L48超分子球2的X-射線單晶結構。

又過了六年，Fujita課題組在Cell 姊妹刊Chem 的創刊号上以封面文章的形式發表了M30L60超分子球的單晶結構（圖9）。[8] 這個大球具有90個組分，8.2納米的直徑和157,000 Å的空腔容積。配體的柔韌性是形成這個組裝體的關鍵。他們發現，之前預測的能形成M30L60超分子球所需要的是接近150度理想夾角，而具有149度夾角的噻吩配體隻能形成M24L48超分子球。如果持續加熱M24L48的溶液，他們在質譜上發現了微量的M30L60。于是他們繼續改進配體，改變了配體柔韌性，終于配體3d可用于合成M30L60。通過延長配體，減少配位點附近位阻，然後通過加入甲基取代限制C-C δ鍵的旋轉，從而如願以償得到了M30L60 超分子球（點擊閱讀詳細）。至此，他們路線圖上倒數第二塊拼圖得以完成，相信在不久的将來他們一定會完成那最後一塊拼圖。

圖9. （A）擁有不同柔韌性的噻吩配體3a-3d。（B）M30L60超分子球的X-射線單晶結構。

一直以來，超分子化學帶來了不少漂亮的結構，但被人诟病的是難以找到相應的應用。于是，2012年Fujita組使用他們超分子球族譜中一個較小的球，包裹了蛋白質Ubiquitin，并結合單晶衍射和最大熵方法（maximum entropy method，MEM）表征了包裹在籠空腔中的蛋白質的電子密度圖（圖10）。[9] 他們通過修飾有機配體的endo 位點，通過共價鍵引入固定在配體上的蛋白質。這個超分子結構最終包裹了一個蛋白質分子（Ubiquitin），這對于通過化學手段調控蛋白質的結構和功能來說走出了一條新路。

圖10. （a）M12L24超分子球包裹蛋白質示意圖。（b）M12L24超分子球包裹Ubiquitin的X-射線單晶結構（電子雲密度圖顯示客體分子）。

——小結——

Makoto Fujita課題組自1995年首次報道M6L4超分子籠，經曆了20年的發展，在客體識别、客體包裹、反應選擇性調控、反應催化以及構象穩定上做出了深入研究。M6L4超分子籠确實是實至名歸的“分子反應器（Molecular Flask）”，還意外發現了催化有機反應的活性。另外，Makoto Fujita教授自2004年首次提出MnL2n結構超分子球路線圖，經曆了12年的研究，先後合成并得到了M6L12、M12L24、M24L48和M30L60的晶體結構，并且找到了這些大型超分子結構的一些生物方面的應用。請允許筆者用“超分子美學家”來稱呼本次獲得沃爾夫獎的Fujita教授以及其他在背後默默做出貢獻的超分子化學家。雖然超分子結構有很多，但超分子化學的應用還處在方興未艾的階段，希望更多的研究者加入進來，拓展這一學科的應用，使其在配位化學中成為至關重要的一個分支。

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