中大吴凯/苏成勇教授报道基于氧化还原Coᴵᴵ/Coᴵᴵᴵ笼的动态/稳态立体化学控制与康顿效应

金属-有机笼（metal-organic cages, MOCs）具备可调控的微环境、易于功能化的空腔以及优良的溶解性，被视为具有模仿蛋白质功能潜力的人工组装体。作为金属-有机笼不可或缺的组成部分，金属中心的性质对于笼功能和结构多样性发挥着关键作用。由动态活性金属中心构建的动态笼结构可以对外部输入信号（如客体、溶剂和阴离子等）表现出智能响应和适应性，从而实现结构和功能的多样性。反之，动力学惰性的金属中心能够更好地维持结构稳定性，不仅表现出高度的形状持久性，还能有效稳定手性金属中心的立体构型。因此，如何实现单一笼结构动态与稳态的切换并调控分子笼构效关系与客体识别具有重要意义。

在生物系统中，氧化还原敏感的氨基酸残基可作为调节模块，通过与活性氧物种（reactive oxygen species, ROS）的相互作用，调控局部氧化还原敏感位点的结构特征，从而影响整个生物大分子的稳定性、异质性和活性。因此，在人工组装体中通过氧化还原过程实现类似的结构功能调控是非常有前景的方法。

近日，中山大学吴凯/苏成勇教授团队报道了一种独特的基于氧化还原Co中心的菱形十二面体Co₈Pd₆异金属-有机笼。对于钴配合物来说，处于还原态的Co^II具有更长的Co^II-N键，因此其配位几何构型具有更大范围的配位扭转角，通常应用于动态性结构构筑当中；而氧化态的Co^III则具有更短的配位键以及更高的结构惰性，由此组装得到的结构也具有更高的稳定性。作者通过H₂O₂/对苯二酚氧化还原剂对Co₈Pd₆异金属-有机笼整体的价态调控，实现了动态与稳态两种笼状态的切换（图1）。

图1. 利用Co^II/Co^III基金属配体构筑氧化还原活性菱形十二面体金属-有机笼

在前期工作中，该课题组在手性分子笼构筑及金属中心调控主客体作用模式领域取得了一系列研究成果（Nat. Commun. 2016, 7, 10487；J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 18183; J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 23361; Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202315053）。在本文中作者将具有氧化还原活性的Co^II/Co^III金属中心引入三脚金属配体，进一步与Pd^II进行二次组装，分别得到了二价Co^II中心的Λ₈/Δ₈-[Pd₆(Co^IIL₃)₈](BF₄)₂₈以及三价Co^III中心的Λ₈/Δ₈-[Pd₆(Co^IIIL₃)₈](BF₄)₃₆ 两对非对映异构体超分子笼。

通过循环伏安实验，作者确定了笼中Co^III/Co^II氧化还原电位为–0.01 V (vs. Fc)，表明相较于其它金属中心，在较温和的条件下即可实现笼的Co中心氧化还原转化。由于Co^II中心的顺磁性，Co^IIL₃以及Co^II₈Pd₆的核磁信号均会向低场显著位移，而抗磁性的Co^III金属配体和笼的信号出现在正常的核磁范围，可以轻易地通过核磁来判断笼中Co中心的价态。经过对氧化还原试剂的筛选，作者最终选取了较温和的H₂O₂/对苯二酚作为氧化还原剂。这能够在保持笼结构构型的同时，通过氧化还原反应实现笼整体价态在28+与36+之间转换（图2）。

图2. Co^II/Co^III分子笼的氧化还原和立体化学调控

由于组成笼配体之间较强的机械耦合作用，笼在组装过程中倾向于形成八个金属中心手性相同的同手性结构。然而，具有高动态性的Co^II中心笼在PF₆⁻阴离子诱导共晶下，笼结构由同手性转变为四个Λ与四个Δ中心交替出现在同一个笼中的meso-Co^II₈Pd₆内消旋结构。与之对比的是，处于氧化态具有较高稳定性Co^III中心的Co^III₈Pd₆笼在相同的条件下仍然维持原有的同手性中心构型。这表明两种价态的Co₈Pd₆笼具有显著的动态性差异。

作者进一步验证了两种类型笼的化学稳定性，在1 M浓度的D₂SO₄条件下，Co^II₈Pd₆发生完全解离，而氧化态的Co^III₈Pd₆则只发生了部分解离，这表明Co^III₈Pd₆具有更高的结构稳定性，笼的氧化还原过程可能具有调控分子笼动态性以及稳定性的能力。

图3. 变温核磁监测单一手性Δ₈-Co^II₈Pd₆笼与Δ₈-Co^III₈Pd₆笼的立体化学稳定性以及阴离子PF₆^–诱导的内消旋化

进一步，为了探究价态转化过程对笼的手性中心稳定性影响，作者利用该分子笼对手性诱导剂S/R-BINOL客体的识别特性，成功识别并诱导得到手性的Co^II₈Pd₆笼。然而，由于Co^II中心具有较高的动态性，手性Co^II₈Pd₆笼在溶液中易发生快速消旋。当通过原位氧化的方式将手性Co中心从二价氧化至三价后，由于Co^III中心的结构稳定性，手性Co^III₈Pd₆构型则可以得到稳定。然而，在相同的诱导条件下，Co^III中心笼只显示出较弱的手性信号。因此，通过Co金属中心的氧化还原可以实现分子笼整体的手性构型的锁定与打开。此外，动态性的手性Co^II₈Pd₆在加入相反构型的手性诱导剂时会出现手性反转，而稳定性的手性Co^III₈Pd₆在相似的条件下并未出现手性反转。在手性笼的氧化还原过程中，位于~300 nm的康顿效应（Cotton effects）发生显著变化，因此可通过CD光谱特征信号来鉴别和跟踪不同手性、不同价态的S1、S2、L1、L2四种笼状态的变化（图4）。

作者利用变温CD光谱对手性笼的消旋动力学进行了详细研究，对于两种价态的手性分子笼，还原态的动态Co^II笼的消旋反应活化能为9.43 ± 0.78 kcal mol^–1，而氧化态的稳态Co^III笼为25.44 ± 1.44 kcal mol^–1。因此，手性Co^II₈Pd₆笼更容易经过meso-Co^II₈Pd₆内消旋态转化为相反的手性，进而发生快速消旋。因此，手性诱导剂可轻松驱动还原态Λ₈-Co^II₈Pd₆ 与Δ₈-Co^II₈Pd₆之间的可逆手性转化，而氧化还原过程作为手性开关，可以控制Co₈Pd₆笼在二价动态与三价稳态之间的切换，进而通过氧化还原和S/R-BINOL诱导输入驱动四种状态的转换，并通过动态和稳态的切换实现康顿效应的输出与控制，展示了一种利用分子笼立体化学调控来实现截然不同的康顿效应的开关逻辑门。

图4. Co₈Pd₆具有不同氧化及不同手性四种状态转化的示意图及其消旋活化能

上述研究成果发表于J. Am. Chem. Soc.，文章的第一作者为中山大学博士后鲁玉麟，通讯作者为中山大学吴凯教授和苏成勇教授。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东珠江人才计划、中央高校基本科研业务费以及中国博士后科学基金的支持。

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）：

Stereochemical Control of Redox Co^II/Co^III-Cages with Switchable Cotton Effects Based on Labile-Static States

Yu-Lin Lu, Kai Wu,* Yin-Hui Huang, Wei-Chun Li, Zhong-Min Cao, Xiang-Han Yan, Xiao-Dong Zhang, Chen-Hui Liu, Jia Ruan, Hai-Sen Xu, Mei Pan, and Cheng-Yong Su*

J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c06102

通讯作者简介

苏成勇，中山大学教授。1991年本科毕业于兰州大学，1996年获兰州大学博士学位，1996年至2003年先后在中山大学、香港中文大学、德国斯图加特大学、美国南卡罗莱纳大学从事博士后与洪堡学者研究工作，1998年就职于中山大学化学院。2018-23年连续入选科睿唯安（Clarivate）全球高被引科学家，学术论文他引4万余次，H因子97。曾主持科技部国家重点基础研究发展计划（973项目首席科学家）、国家基金委创新群体等科研项目。担任国际晶体学会IUCrJ 期刊Co-editor，英国皇家化学会J. Mater. Chem. A期刊顾委、中国晶体学会副理事长。2005年获杰出青年科学基金，2007年获教育部特聘教授，2015年入选国家百千万人才工程。曾获教育部自然科学奖一等奖、国家自然科学二等奖。

导师介绍：

https://ce.sysu.edu.cn/zh-hans/teacher/857 

https://www.x-mol.com/university/faculty/15344 

吴凯，中山大学教授，国家高层次青年人才，逸仙学者计划“优秀学者”。2013年于兰州大学获得学士学位，之后于中山大学获得博士学位。2018年起分别在多特蒙德工业大学Guido Clever教授课题组和剑桥大学Jonathan Nitschke教授课题组开展博士后研究，于2024年加入中山大学。代表性论文包括Nature Chem.（1篇）、Nature Synth.（1篇）、J. Am. Chem. Soc.（2篇）、Nature Commun.（1篇）、Natl. Sci. Rev.（1篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（4篇），总引用2,300余次（Web of Science），H-因子23。担任Chinese Journal of Structural Chemistry期刊第四届青年编委、并担任Aggregate, ACS Materials Letters等期刊审稿人。

导师介绍：

https://ce.sysu.edu.cn/zh-hans/teacher/8510 

该课题组与剑桥大学Jonathan Nitschke教授联合招收博士研究生和博士后研究员

Jonathan Nitschke group website: 

https://www.nitschkegroup-cambridge.com/ 

研究重点涉及但不限于如下方向：

1. 超分子组装：配位超分子拓扑结构、可控合成与构效关系；

2. 超分子催化：微纳限域配位空间的识别、响应与催化行为；

3. 多功能配位笼结构多样性设计、多功能集成化

4. 超分子材料：吸附、分离、发光、动态金属-有机功能材料。

应聘条件

【博士】

参考中山大学“申请-考核”制招收博士研究生招生简章

https://ce.sysu.edu.cn/zh-hans/article/8468 

【博士后】

1. 具有扎实的专业理论知识及创新意识，良好的科学道德和严谨科学态度，有强烈的上进心；

2. 具有较好的沟通能力和团队合作精神，并具备独立开展工作的能力；

3. 年龄35岁以下，近三年获得或即将获得配位化学/物理化学/有机化学等相关专业博士学位。

4. 较好的科技英语写作和表达能力；

5. 近5年以第一作者在国际高水平刊物发表过学术论文。

薪酬待遇

【博士后】

1. 根据中山大学博士后资助标准；课题组另将根据应聘人员科研业绩额外发放绩效奖励；

2. 享受中山大学博士后相关福利待遇（优惠价格租赁教师公寓、子女入托等）；

3. 根据工作表现，导师及学院给予绩效奖励；支持申请“逸仙博士后”（不低于50万元/年）“博士后创新人才支持计划”、“中国博士后科学基金”、基金委青年项目。

4. 人事关系进入学校后从事博士后研究工作2年及以上，可申报学校高级专业技术职务，出站考核优秀的博士后可优先推荐申报学校固定编制，或推荐至海外知名高校（如剑桥大学、多特蒙德工业大学等）进行学术深造；

5. 提供国际化科研环境和参加国内外高水平学术会议学习交流的机会；

应聘方式

有意者请将以下材料发至wukai9@mail.sysu.edu.cn，邮件标题请注明“研究生/博士后应聘+本人姓名”，邮件备注预期入职时间，对于符合要求并通过初审者，将会通知安排面试。

1. 详细个人简历

2. 研究成果总结（注明个人贡献）

3. 两封推荐信（可于面试后补交）

4. 学历学位及获奖证明材料

本招聘启事长期有效，期待你的加入！！