人工合成的分子笼可以提供仿生微环境来研究腔内的弱相互作用，就像生物体中普遍存在的精密自组装功能结构一样。尽管超大型三维超分子结构在生物系统中普遍存在，如各种球形病毒衣壳，但用化学合成方法人工构建与生物分子尺寸相当的超分子结构仍然充满挑战。例如，大多数病毒衣壳的直径从几十到几百纳米不等，最小的动物病毒约为二十纳米，然而人工合成的直径在10nm以上的笼状超分子却非常罕见。
近日，广州大学大湾区环境研究院研究团队，通过预组织的金属有机六足三吡啶配体与金属离子的自组装，合成了两个超大的双壳超分子笼，命名为俄罗斯套状分子立方体。不同于单纯的三足配体形成的棱柱体混合物，重新设计的金属有机六足配体具有较高的几何约束，导致了独特的双壳结构的形成。这些独特的巢状结构尺寸分别达到12.0nm和13.2nm，分子量分别达到75,232和77,667 Da，是迄今为止报道的最大的笼型超分子结构之一。这项工作为超分子材料领域中各种客体分子的功能识别、传递和检测提供了一个潜在的模型。相关研究成果近期发表在国际化学领域顶级学术期刊Journal of the American Chemical Society，并被选为主封面（Front Cover）。
图1. 三足配体配位组装形成多面体混合物和双层六足配体组装形成双层立方体示意图。
图2. 金属有机配体L1和L2的合成路线及双层立方体C2结构图。
通过外层配体的引入，一方面内外两层结构空间上的相互制约，能够抑制中间三叉结构的扭曲，从而得到离散单一的超分子组装体；另外一方面，内外两层的协同配位能够增加配位键密度，得到热力学更加稳定的超分子结构。基于此，作者进一步设计合成了如图2所示，不可逆节点连接的三联吡啶金属有机配体L1和L2，金属有机配体在外部增加三个三联吡啶配位基团，形成了具有双层配位点的结构。按照精确的1/3 (配体/金属离子)的摩尔比，混合金属有机配体L1（或L2）与Zn2+，通过配体和金属离子配位驱动的自组装，最终量化地得到了巨大的双层立方体结构C1和C2。这两个俄罗斯套娃形式的双层立方体结构也通过一系列表征手段进行了充分的测试确认，如 HR-ESI-MS及TWIN-MS等。如图3所示，ESI-MS（电喷雾电离质谱）显示得到一系列连续电荷数的分子离子峰，对应的质荷比结果与理论模拟的结果相符，验证了配合物的结构组成。更进一步，TWIM-MS （行波离子移动质谱）测试结果显示出一个系列连续的信号，没有其他的信号出现，说明组装形成了单一的离散的超分子结构，没有异构体或者其它形式的结构形成，支持了双层立方体的形成。
图3. 配合物C1的(A)电喷雾质谱(ESI-MS)和(B)二维行波离子移动质谱(2D ESI TWIM-M); 配合物C2的(C)电喷雾质谱(ESI-MS)和(D)二维行波离子移动质谱(2D ESI TWIM-M)。
总而言之，作者运用双层结构空间上相互制约，同时增加配位键密度的策略，成功地合成了两个巨大的俄罗斯套娃形式的笼状结构，这些结果为进一步设计合成巨大的三维结构提供了方法。观察配合物C1和C2巨大的三维分子结构，我们可以发现该类型结构拥有一个中间的立方体空腔和周围的六个碗状空腔，并且这些空腔的大小能够通过改变配体的尺寸进行调节，这些巨大的空腔为识别和稳定特定的大结构客体分子提供了可能，相关的研究工作也正在进行中。
该工作是继王平山教授团队2020年在国际顶级期刊美国化学会会志——（J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 52, 21691-21701；J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 17, 7987-7994；J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 16, 7690-7698）发表工作之后，取得的又一科学研究成果。大湾区环境研究院青年讲师刘叠为论文的第一作者和共同通讯作者，副教授陈名钊为论文的共同通讯作者，广州大学为论文的第一通讯单位。
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c11703
论文题目：Russian-Doll-Like Molecular Cubes
论文作者：Die Liu, Kaixiu Li, Mingzhao Chen, Tingting Zhang, Zhengguang Li, Jia-Fu Yin, Lipeng He, Jun Wang, Panchao Yin, Yi-Tsu Chan, Pingshan Wang
