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手性软胶囊紧密自适应包合氙

氙气(Xe)是一种重要的惰性气体,129Xe(天然丰度26.4%)具有优越的核磁共振性质,如化学位移范围宽、对周围环境敏感、超极化后灵敏度可提高104倍等。近些年来基于氙的核磁共振成像展现了较好潜力,通过发展有效的氙结合主体可望实现高灵敏和特异性的生物检测。然而,氙缺乏明显结合位点,结合驱动力主要依赖于范德华作用,实现高效结合挑战性大。目前报道的能够结合氙的主体分子主要以葫芦脲和穴番等共价大环化合物为代表,具有合成简便、易于模块化和动态可逆特性的组装主体非常少见。


最近,中国科学院化学研究所王其强研究员(点击查看介绍)团队,报道了一种稳定的手性大环二聚组装“软”胶囊,能够有效地包合氙气,并具备动态、自适应的结合特征,为理解氙的主客体化学,发展高效氙结合主体提供了一种新的思路。


王其强研究员团队一直从事大环超分子化学与超分子催化研究。前期他们发展了一类四氨基双硫脲多功能手性大环,实现了底物诱导组装的仿酶协同不对称催化(Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 2623-2627,点击阅读详细)。作者设想在先前报道的大环中引入额外的脲羰基位点,通过与硫脲基团间的多重互补氢键作用,构筑稳定的大环组装体。依此设想,他们从手性环己二胺出发,经过几步简单转化,以71%成环产率高效合成了手性双脲-双硫脲大环M,并便利地实现了克级量制备(图1)。

图1. 手性双脲-双硫脲大环M与二聚组装胶囊M2的结构


单晶X-ray衍射显示,双脲-双硫脲大环采取碗形构象,两个大环分子十字交叉互扣,通过四重C=O∙∙∙H–N分子间氢键组装形成二聚胶囊结构。值得指出的是,硫脲单元采取反常的syn-anti 构型,在组装体上、下底部形成两对平行的C=S∙∙∙H-N分子内氢键,进一步锁定大环分子的碗形构象。同时,多个苯环间的相互交错堆积提供了额外稳定化作用(图2)。通过上述方式,二聚胶囊形成一个完全闭合的空腔,并在晶体中显示了两种不同大小的空腔结构(72 Å3和36 Å3)。作者分析发现,两种空腔结构的差异是由于胶囊中部硫脲单元处的曲面拱起程度不同造成的,表明大环分子骨架具有较大柔性。

图2. 二聚胶囊M2的晶体结构


作者通过一系列核磁研究发现,大环分子在溶液中如(CDCl2)2中形成了与晶体中相似的二聚胶囊结构。二聚组装后大环分子对称性由D2降低为C2,核磁谱图上显示了两组强度相等的信号峰(图3)。二维交换谱显示两组质子间存在位置交换,表明硫脲基团能够发生syn-anti 构型的翻转。由于在组装体内部多个构型锁定的硫脲基团同步翻转很难实现,作者推断位置交换是通过二聚胶囊解组装-再组装的机制完成的。变浓度核磁和等温量热滴定显示二聚胶囊具有良好的热力学稳定性,二聚结合常数高达(1.9 ± 0.3) × 104 M-1


随后作者开展了氙气的结合研究。在溶液中鼓入氙气后,氢谱上出现了一组全新的更加尖锐的信号,并发生了显著的化学位移变化(图3)。作者认为这表明二聚胶囊相当柔性,能够通过自身结构的调整适应氙的包合,显著有别于传统的刚性共价大环主体。129Xe NMR也显示类似的慢交换过程,包合氙的信号显著高场位移(Δδ = −53.4 ppm)。氢谱测定显示二聚胶囊对氙的结合常数为99 ± 4 M-1,显著优于已有的组装体(16 M-1)。利用上述独特的位置交换过程,作者进一步通过变温核磁研究发现,氙气结合后二聚组装体在动力学上也变得更加稳定,表明氙诱导产生了一个更加紧密的组装体结构。

图3. 氙气包合前后的1H NMR和129Xe NMR


最后,作者获得了两种结合氙气的二聚胶囊晶体结构。尽管晶体空间群不同,两种结构中氙原子均被二聚胶囊完全密闭包合,显示非常契合的空腔占有率(51-61%)和很高的晶体学占有因子(0.85和0.94),表明二聚胶囊与氙形成非常有利的结合。氙原子与周围两个大环骨架上的多个碳、氢和氮原子保持范德华接触。同时,包合氙后二聚胶囊的空腔体积增大(69-81 Å3),再次显示二聚胶囊具有动态的柔性结构和自适应包合氙的能力。

图4. Xe ⊂ M2的晶体结构


作者报道的这一例不寻常的能够自适应紧密包合氙的软二聚胶囊结构,增进了人们对氙主客体化学的理解,为发展高效的氙结合主体和开展氙核磁共振成像与生物检测方面的应用提供了新思路。


这一成果近期发表在Nature Communications 上,聂世歆郭豪为共同第一作者。文章发表后被选为编辑亮点(Editors' Highlights)。该项工作得到了国家自然科学基金委和中国科学院的资助。


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):

Xenon binding by a tight yet adaptive chiral soft capsule

Shi-Xin Nie, Hao Guo, Teng-Yu Huang, Yu-Fei Ao, De-Xian Wang, Qi-Qiang Wang

Nat. Commun., 2020, 11, 6257, DOI: 10.1038/s41467-020-20081-8


导师介绍

王其强

https://www.x-mol.com/university/faculty/38315


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