近日，英國(guó)皇家科學(xué)院和歐洲科學(xué)院院士、化學(xué)與分子工程學(xué)院教授李大為(David Leigh)團(tuán)隊(duì)第一次通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了分子結(jié)的緊致程度對(duì)物質(zhì)理化性質(zhì)的重大影響并首次實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的后修飾合成。相關(guān)成果以華東師范大學(xué)為第一單位在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》(Effects of Knot Tightness at the Molecular Level, PNAS, 2019, 116, 2452-2457)和《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》(Coordination Chemistry of a Molecular Pentafoil Knot, JACS, 2019, 141, 3952–3958 )上發(fā)表。
扭結(jié)（Knot）是拓?fù)鋵W(xué)當(dāng)中的一類(lèi)圖形，指三維空間中不與自身相交的封閉曲線(xiàn)，通俗一點(diǎn)說(shuō)就是無(wú)法被解開(kāi)的圓環(huán)。在分子層面，天然的分子結(jié)（Molecular knot）存在于DNA、蛋白質(zhì)和一些長(zhǎng)鏈的高分子當(dāng)中，這些三維結(jié)構(gòu)能夠影響一些物理化學(xué)性質(zhì)，并影響著一些生物大分子的功能表達(dá)。探究這些復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)對(duì)分子理化性質(zhì)的影響是超分子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。同時(shí)，如何通過(guò)組裝方式獲得不同的金屬分子結(jié)也是該領(lǐng)域的研究難點(diǎn)之一。李大為教授團(tuán)隊(duì)近期的研究成功解決了上述問(wèn)題，是分子拓?fù)鋵W(xué)領(lǐng)域取得的重要成果。
一、在分子層面探究分子結(jié)緊致程度對(duì)分子骨架理化性質(zhì)的影響
目前，對(duì)扭結(jié)這一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如何影響分子自身理化性質(zhì)的研究主要停留在模擬計(jì)算層面，實(shí)驗(yàn)報(bào)道較少。如同宏觀(guān)世界中，打結(jié)的松緊對(duì)于外在功能的影響一樣，在分子層面，分子結(jié)的緊致程度可能對(duì)其性質(zhì)及應(yīng)用有至關(guān)重要的作用。為了揭示這一現(xiàn)象的本質(zhì)以及提供有效調(diào)節(jié)分子結(jié)松緊從而拓展其結(jié)構(gòu)的應(yīng)用價(jià)值，李大為院士課題組在過(guò)去分子819扭結(jié)（Leigh, D. A. et al. Science 2017, 355, 159-162.）合成的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)節(jié)配體鏈中柔性脂肪鏈的長(zhǎng)度，合成了一系列單分散性分子結(jié)，其骨架分別含有192個(gè)（1），216個(gè)（2）以及240個(gè)原子（3）（monodispersed synthetic molecular knots），如圖1所示。其中，1和3分別為最緊和最松的結(jié)。
圖一：分子結(jié)1-3的合成
通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)手段，作者證實(shí)了分子結(jié)松緊程度在分子層面對(duì)于骨架物理化學(xué)性質(zhì)有顯著的影響。碰撞誘導(dǎo)解離串聯(lián)質(zhì)譜（CID-MS-MS）實(shí)驗(yàn)表明，分子結(jié)的松緊程度決定了分子的共價(jià)鍵斷裂難易程度，更緊的分子結(jié)其共價(jià)鍵的斷裂更容易一些，作者推測(cè)可能由于更緊分子結(jié)中的共價(jià)鍵的扭曲程度更大一些。基于819分子結(jié)本質(zhì)為手性分子，作者利用手性高效液相色譜分離了它們的對(duì)映異構(gòu)體并用圓二色譜法（CD）進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，每對(duì)對(duì)映異構(gòu)體給出強(qiáng)度相同符號(hào)相反的CD信號(hào)。由1到3，由于分子結(jié)的結(jié)構(gòu)逐漸變松，其中發(fā)色基團(tuán)的共軛程度的改變和分子構(gòu)象的增多導(dǎo)致了顯著的紅移現(xiàn)象且使信號(hào)變?nèi)?，如圖2所示。作者還利用分子動(dòng)態(tài)模擬（Molecular-dynamics simulation）對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，相關(guān)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了作者提出的理論構(gòu)想。
圖二：分子結(jié)1-3中每對(duì)對(duì)映異構(gòu)體的CD圖譜
這項(xiàng)工作第一次對(duì)于理解分子結(jié)的松緊如何影響分子的物理化學(xué)性質(zhì)提供了實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)未來(lái)設(shè)計(jì)和發(fā)展結(jié)狀和互纏繞的納米材料有著非常重要的意義，這項(xiàng)工作被意大利媒體Galileo進(jìn)行了亮點(diǎn)報(bào)道。
二、通過(guò)研究五葉結(jié)的配位化學(xué)實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的后修飾合成
金屬配位法廣泛應(yīng)用于分子結(jié)的組裝。李大為院士課題組通過(guò)金屬置換的策略，將不能作為構(gòu)筑分子結(jié)模板的配位金屬離子CoII，NiII和CuII分別與已被分子結(jié)結(jié)合的ZnII進(jìn)行置換，從而獲得了含有CoII，NiII或CuII的五葉結(jié)，如圖3所示。
圖三：金屬置換法構(gòu)筑五葉結(jié)
這項(xiàng)工作首先研究了不同鋅鹽與分子結(jié)配位的能力，發(fā)現(xiàn)ZnCl2可以定量形成相應(yīng)的金屬分子結(jié)。與之相反，第一過(guò)渡系中的其他金屬（FeII，CoII，NiII和CuII）則不能配位分子結(jié)形成相應(yīng)的金屬化的分子結(jié)。作者隨后設(shè)想，是否可以將含Zn的五葉結(jié)中不穩(wěn)定的鋅離子與過(guò)量的穩(wěn)定強(qiáng)度更高的其他金屬離子置換，從而分步制備具有不同金屬離子的分子結(jié)。這樣既保證了新分子結(jié)中各原子的相對(duì)空間位置穩(wěn)定，又減少了配體鏈重排所需的額外能量。隨后，作者發(fā)現(xiàn)過(guò)量的FeII(BF4)2可以完全置換出五葉結(jié)中的ZnII并用電噴霧離子化質(zhì)譜（ESI-MS）和氫譜（1H NMR）進(jìn)行了表征和監(jiān)控。除此之外，CoII，NiII和CuII也顯示出相似結(jié)果。單晶結(jié)構(gòu)顯示含有CoII，NiII和ZnII的分子結(jié)具有大致相似構(gòu)象，如圖4所示。作者還采用等溫滴定量熱法研究了配位不同金屬離子的分子結(jié)對(duì)Cl-的結(jié)合能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，配位不同金屬離子的分子結(jié)對(duì)Cl-表現(xiàn)了橫跨三個(gè)數(shù)量級(jí)的結(jié)合能力（8′104 M-1到3.3′107 M-1）。從而通過(guò)配位不同的金屬離子，實(shí)現(xiàn)了分子結(jié)對(duì)Cl-結(jié)合能力的調(diào)控。
圖四：[Co51·Cl](BF4)9, [Ni51·Cl](BF4)9, and [Zn51·Cl](BF4)9單晶結(jié)構(gòu)
這項(xiàng)工作為通過(guò)自組裝方式獲得不同配位金屬離子的分子結(jié)提供了新思路，并為進(jìn)一步探究其功能化奠定了基礎(chǔ)。
原文鏈接：
https://www.pnas.org/content/116/7/2452.abstract
https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/jacs.8b12548
圖文、來(lái)源｜化學(xué)與分子工程學(xué)院 編輯｜謝瑤姬 編審｜郭文君
