具有多种反应活性状态的可变化的四重互锁笼结构

蛋白质通常具有多个相互关联的空腔结构，这些结构在信号传递、营养物质运输以及通过结合配体来激活各种蛋白方面发挥着重要作用，这种复杂性使得蛋白质成为生命活动中的重要角色，而这一切功能的实现，都依赖于其内部精巧的结合口袋之间的协同作用。互锁笼(IC)，这种结构由两个或多个笼状化合物相互穿插合成，笼与笼之间有多个关联的结合口袋，这样的互锁笼结构能够模拟蛋白质的功能。其中，Pd2L4型金属笼容易在不同阴离子的诱导下通过静电作用（Pd²⁺···X^-）和氢键（C―H···X^-）等弱作用力作用下形成两重互锁笼，这类互锁笼有两个外阴离子结合口袋和一个内阴离子结合口袋。

近期，Shuichi Hiraoka教授团队将两个Pd2L4笼子与不同卤素离子反应形成互锁结构 (IC)，并在卤素离子、Lewis酸和Ag⁺的影响下产生了7种形态。除此之外，笼体在形成ICs结构后还可通过滑动（E-form或C-form）和扭曲（T-form）形成不同的构象（图1A）。该成果发表在Chem期刊上。

图1. A) IC由两个互锁的[Pd₂L₄]⁴⁺笼在阴离子模板存在下形成，IC由3个阴离子结合口袋，其大小可以通过[Pd₂L4]⁴⁺笼的滑动和扭曲引起的构象变化来调节，产生伸展（E）、收缩（C）和扭曲（T）三种构象；B) 在Ics中卤素离子与8个吡啶基在空腔内的α-H之间存在多个氢键；C) 配体1, 2的化学结构及其两个py-N之间的距离；D): 阴离子匹配指数（AMI）的定义；E): 配体1, 2与F^-, Cl^-, Br^-组装的IC的AMI数据表。

这项研究中，作者提出了阴离子匹配指数(AMI）的概念（图1D），并使用AMI指数判断互锁笼的结构稳定性。其定义为AMI (X, Y) = d_L-2d_X-2d_Y，其中d_L表示单个金属笼中两个Pd²⁺之间的距离，d_X和d_Y分别为Pd²⁺与阴离子X^-/Y^-的距离。这个概念用来形容笼体间的互锁程度，AMI越小，表示两个笼体靠的越近，互锁程度越深，值为0时，空腔与阴离子完美匹配；AMI越大则表示两个笼体离的越远，互锁程度越浅甚至只是简单的堆积，即AMI ≈ 0，空腔与阴离子完美匹配；AMI > 0，空腔过大；AMI < 0，空腔过小。

图2. A) 配体2和互锁笼IC中游离质子的标记；¹H NMR: B) 配体2；C) (F·F·F)-IC；D) (Cl·Cl·Cl)-IC；E) (Cl·F·Cl)-IC；F) (F·Cl·F)-IC；G) (F·F·F)-IC和BF₃在CD₃NO₂中形成的亚稳态的(U·F·U)-IC；H) (Cl·Cl·Cl)-IC与BF₃在CD₃NO₂中反应生成[2]-catenane 3。

作者用Pd(3-chloropyridine)₄(BF₄)₂和配体2（图1C）与n-Bu₄NFꞏ3H₂O在CD₃CN中加热，得到(F·F·F)-IC(产率88%)。在成功合成出(F·F·F)-IC 之后，作者又尝试了其他卤素离子对这类金属笼的诱导作用，得到了(Cl·Cl·Cl)-IC(产率96%)，除了配体1和F^-的反应失败，其他条件都成功诱导出IC。

研究合成的互锁笼AMI指数发现，AMI(F, Cl)和AMI(Cl, F)的值均为+ 0.558 Å，而AMI(F, F)和AMI(Cl, Cl)的值分别是+ 1.63 Å和- 0.514 Å，这说明(Cl·F·Cl)-IC和(F·Cl·F)-IC比(F·F·F)-IC和(Cl·Cl·Cl)-IC更稳定。然后作者通过¹H DOSY探究热力学控制下(F·F·F)-IC和(Cl·Cl·Cl)-IC中卤素离子的选择性交换。向(F·F·F)-IC中分3批加入3 eq的n-Bu₄NCl，以95%的产率得到了(Cl·F·Cl)-IC（图2E），该结构内腔的F_J =12.3 Hz，高于(F·F·F)-IC内腔F_J =10.2 Hz，说明该结构中F^－与笼子的结合更强，且在343 K和过量卤素离子环境下也不会引起(Cl·F·Cl)-IC的分解，表现出良好的热稳定性。

图3. (F·F·F)-IC到(Cl·F·Cl)-IC在不同时间尺度下的阴离子交换路径。

通过¹H NMR来监测阴离子交换动力学（图3），向(F·F·F)-IC中分批次加入3 eq的n-Bu₄NCl后形成(F·Cl·F)-IC和(Cl·F·Cl)-IC的混合物。加入1 eq Cl^-反应4 h后组分不再变化，包含36.7%(Cl·F·Cl)-IC，55.8%的(F·F·F)-IC和7.5%的其他组分，113 h时再加入1 eq Cl^-，反应9 h后(F·F·F)-IC含量为22.7%，(Cl·F·Cl)-IC含量为73.8%，128 h加入第3 eq Cl^-，反应10h后(Cl·F·Cl)-IC含量为95.2%且组分含量不再变化。

将5 eq的n-Bu₄NF·3H₂O加入(Cl·Cl·Cl)-IC中，5 min后原料消失，得到多种组分的混合物，其中含量最高的是未表征中间体(Int)，5-245 min内，其他组分含量基本不变，(Cl·F·Cl)-IC主要由未表征中间体(Int)转化而来，由于外口袋阴离子交换迅速，推测Int为(F·Cl·Cl)-IC，245 min后Int含量变化较小，(Cl·F·Cl)-IC主要通过(F·Cl·F)-IC缓慢转化生成，反应经过125 h后体系中主要有4种组分，分别是(Cl·F·Cl)-IC、Int、游离配体2和(F·Cl·F)-IC，其中(Cl·F·Cl)-IC含量最高。这两个实验都说明在动力学控制下(Cl·F·Cl)-IC的结构是最稳定的。

图4. ICs的¹⁹F NMR (470 Hz, 298 K). A) (F·F·F)-IC (CD₃CN); B) (Cl·F·Cl)-IC (CD₃NO₂); C) (Cl·F·Cl)-IC (CD3CN). D) (U·F·U)-IC (CD₃NO₂).

图4展示不同IC结构中F^-的耦合常数，反应其氢键强度，且(F·F·F)-IC中内口袋和外口袋的F^-耦合模式不同说明其周围质子环境不同，也能证明笼子形成了四重互锁结构。

图5. A, B: (F·F·F)-IC; C- F: (Cl·F·Cl)-IC的单晶X射线结构

室温下，通过丙酮缓慢扩散至ICs的乙腈溶液中得到化合物的单晶，结果显示两个[Pd₂L₄]⁴⁺发生四重互锁，三个卤素离子被捕获在Pd²⁺之间形成的三个空穴中（图5A, B）。晶体学上有两种独立结构(Ⅰ和Ⅱ)，晶胞中各包含四个对应结构。结构I的外口袋更大，结构II则相反。虽然配体2的AMI (F, F) > 0，但(F·F·F)-IC中的[Pd₂L₄]⁴⁺笼并未发生扭转，这可能是由于笼体扭转会使Pd²⁺间距缩短，从而增强静电排斥作用。H^g与吡啶环平面的平均距离为2.95 Å，且¹H NMR向高场位移至4.3 ppm（图2D）。这些结果表明C-Hꞏꞏꞏπ相互作用稳定了该互锁结构。

此前类似研究中报道的IC结构AMI多大于1.0 Å，而本研究中成功将AMI降低至0.558 Å，更接近0，多项结构分析表明，AMI越接近0，IC的热力学稳定性越好。

图6. (FꞏFꞏF)-IC、(ClꞏClꞏCl)-IC和(ClꞏFꞏCl)-IC之间的阴离子交换路径和BF₃以及Ag⁺对IC结构的影响

此外，Lewis酸对IC结构也有影响（图6），CD₃NO₂为溶剂向(F·F·F)-IC中加入BF₃，可去除外口袋的F^-，形成仅内口袋结合阴离子的(U·F·U)-IC，继续向体系中加入卤离子可重新生成(F·F·F)-IC或得到(Cl·F·Cl)-IC，从该现象也可推断出外口袋阴离子的结合较弱。

向(U·F·U)-IC中加入弱Lewis碱3-choloropyridine也可重新生成(F·F·F)-IC，体系中存在BF₄^- + 3-choloropyridine ⇆ F^- + BF₃ꞏ3-choloropyridine的平衡。通常情况下3-choloropyridine和BF₄^-不反应，但(U·F·U)-IC的空腔对F^-的强结合力驱动反应进行。(ClꞏClꞏCl)-IC与BF₃生成了heteroleptic [2]-catenane 3（图6），继续加入F^-类索烃结构会转变回heteroleptic [2]-catenane 3。由于卤素离子可与Ag⁺形成沉淀，作者用Ag⁺测试IC结构的稳定性，(F·F·F)-IC和(ClꞏFꞏCl)-IC在过量的Ag⁺环境下很稳定，(ClꞏClꞏCl)-IC受Ag⁺影响会解体转变回两个笼子（图6）。

综上所述，作者基于AMI设计并合成了可结合三个卤素离子的IC结构。AMI可作为IC稳定性和反应性的指标，AMI越接近零IC越稳定。

将IC与卤素离子、Lewis酸和Ag⁺反应反应作者发现了IC的7种产物结构，这些结构上相似的Pd₄L₈ ICs通过调节口袋中的阴离子和化学环境从而获得不同的反应性，在模拟蛋白质功能和人工酶分子设计领域具有广阔的应用前景。

 文献解读学生：杨澳        校稿：徐尤智

 文献来源：Tsukasa Abe, Yutong Zhang, Keisuke Takeuchi, Shuichi Hiraoka. Transformable quadruply interpenetrated cage with multiple states of different reactivities. Chem 2025, 11, 7102453.