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上海交通大学张绍东课题组JACS:互锁笼的可控多级自组装

蛋白质的多级结构与其独特的生理活性密切相关,因此科学家不断发展全新的组装基元,尝试借助自下而上的策略,来完成对这些复杂自然组装体从结构到功能的模拟。但目前,人工构筑的组装结构仍相对简单;通过提升现有基元的结构复杂度,或者创造全新的组装基元,则有望达到以上要求。其中,由多个单笼互锁形成的互锁分子笼,由于具有丰富多样的衍生结构和动态的机械键连方式,从而会呈现出更加复杂精细的组装结构以及相应的独特功能。然而,上述领域的相关研究还未见报道。


上海交通大学张绍东点击查看介绍课题组此前报道了多种三棱柱型互锁分子笼的制备(Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 7113,点击阅读详细)。近期,该课题组进一步基于互锁分子笼丰富的结构衍生,实现了不同多级组装体的可控构筑(图1)。相关成果发表在《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc.)上,硕士生孙钟潍和博士后李攀为该论文的共同第一作者,上海交通大学的张绍东特别研究员为通讯作者。

图1. 用于研究多级自组装的三种分子笼锁烃。其中CSC-1具有四个刚性亚胺键连接的苯环面,CDC-1外侧两个苯环面通过柔性的胺键连接,CDC-5相比CDC-1在侧边进一步引入了六个位阻甲基。


研究人员选取了结构上具有细微差别的三种互锁分子笼,CSC-1具有四个刚性亚胺键连接的苯环面,CDC-1外侧的苯环面则通过柔性的胺键连接,CDC-5则在CDC-1基础上进一步在侧边引入了六个甲基,从而增大空间位阻。


在晶态结构中,CSC-1包含的两个单笼的臂旋转方向不协同,四个刚性亚胺键连接的苯环面平行排列形成分子内π-π堆积作用;CDC-1包含的两个单笼的臂旋转方向同样不协同,并且两端外侧的苯环面由于失去了刚性的亚胺键而显著扭曲,分子内π-π堆积作用大幅减弱;CDC-5包含的两个单笼则均具有典型的C3对称性,四个苯环面间形成了有效的分子内π-π堆积作用(图2)。

图2. CSC-1CDC-1CDC-5的晶体结构。(a, c, e) 俯视角度下拆分为两个单笼的空间填充模型;(b, d, f) 侧视角度下拆分为两个单笼的棍模型。


CSC-1在组装时先形成了由两个朝向相反的笼组成的二聚体,其进一步组装形成交错的螺旋柱,即三级结构。在每个螺旋柱中都存在一根轴,绕轴排列的CSC-1之间距离为3.4 Å,通过绕轴180º旋转以及垂直于轴的镜面操作即可与相邻的CSC-1分子重合。这样的排列可以看作螺距为29.0 Å的21螺旋。这些螺旋超分子柱进一步自排列形成了三维的网格状四级结构(图3)。

图3. CSC-1通过多级组装形成三斜晶相。a) CSC-1的棍结构模型;b) 由两个朝向相反的CSC-1组成的二聚体二级结构;c) 由二聚体组装形成的螺旋柱状三级结构;d) 由超分子柱平行自排列形成的四级结构。


CDC-1的分子结构最为无序和柔性。CDC-1的二级结构同样是由朝向相反的两个分子形成的二聚体。这些二聚体作为二级组装基元,以罕见的波浪状排列形成了三级结构(图4)。研究人员将二级结构抽象为“砖块”,以此来展示三级结构锯齿状的排列方式。蓝色与橙色用于区分朝向不同的二级结构单元,颜色深浅则用于区分二级结构单元的高低。CDC-1分子结构的无序、两端外侧苯环面的柔性以及外围较小的空间位阻可能在组装中起到了关键作用。

图4. CDC-1通过多级组装形成三维的波浪状超分子结构。a) CDC-1的棍结构模型 b) 由两个朝向相反的分子笼构成的二聚体二级结构;c) 通过简化的“砖块”模型表示的波浪状三级结构。砖块为二级结构的抽象模型,使用不同的颜色区分朝向与高度。


CDC-5沿着晶胞的c轴方向平行组装形成柱状二级结构。其中CDC-5按照重叠式排列,分子间3.8 Å的距离则带来了分子间π-π堆积作用。该作用力与分子内π-π堆积的协同调控确保了CDC-5在结晶过程中对称构型的保持。柱状超分子结构进一步紧密排列。形成了典型的六边形网格状的三级结构。经过尺寸计算可推断出,体积较大的二噻环位于柱间通道内,因此减小了空间位阻的影响并确保了CDC-5分子的紧密堆积(图5)。

图5. CDC-5通过可控多级自组装形成三方晶相。a) CDC-5的棍结构模型;b) CDC-5自组装形成的二级结构超分子柱;c) 由超分子柱组装形成的三级结构六方晶格,不同的颜色区分不同的超分子柱。上半部分显示了沿b轴方向观察的三个代表性超分子柱,下半部分显示了沿c轴的堆积情况。


在三种互锁分子笼中,CDC-5的分子结构与多级组装结构都是最为有序的。Connolly表面分析证实了CDC-5组装体中具有螺旋形的分子间孔道,这表明可以通过分子笼锁烃的可控多级组装获得多种分子间孔隙,使得它们在质子传导、铁电、催化等领域具有潜在的应用价值。


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Controlled Hierarchical Self-Assembly of Catenated Cages

Zhongwei Sun, Pan Li, Shijun Xu, Zi-Ying Li, Yoshiaki Nomura, Zimu Li, Xiaoyun Liu, and Shaodong Zhang*

J. Am. Chem. Soc., 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c03330


导师介绍

张绍东

https://www.x-mol.com/university/faculty/65945


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