分子猪笼草——杯芳烃离子阱

猪笼草是一种神奇的热带食虫植物，因其拥有一个独特的形似猪笼的营养器官——捕虫笼而得名。捕虫笼呈圆筒状，一端开口，开口小而下部膨大，昆虫不小心进入捕虫笼后会被困在其中。近期，中国科学院上海有机化学研究所赵延川（点击查看介绍）课题组设计合成了新型超分子受体——杯芳烃离子阱（Calix[4]trap），它具有和猪笼草类似的结构特点：一端开口，通道口小而内部空腔较大，而它的猎物——金属阳离子进入空腔后会被困在其中 (图1)。

图1. 杯芳烃离子阱（Calix[4]trap）与猪笼草

猪笼草和杯芳烃离子阱都包含一个具有明确出入路径的受限空间，这样的体系常常以高度受控的方式与外界进行物质及能量交换，在复杂环境中实现特定的功能，同时有效避免外界干扰。在功能分子创制中引入受限空间的设计理念可以更精细地调控分子识别行为，因而有望解决分离、分析、分散、组装和催化等领域中的难题。中科院上海有机所赵延川课题组一直致力于研究基于受限空间的有机功能分子。此前，课题组报道了含有空间受限手性络合空腔的含氟探针分子，实现了各种手性分子去的快速区分检测并用于高通量的ee值测定 (Cell Rep. Phys. Sci., 2020, 1, 100100)。在最近杯芳烃离子阱的研究工作中，该课题组揭示了受限空间对主客体行为的独特影响。

图2. 杯芳烃离子阱的合成

首先，该团队设计了巧妙的“翻转-锁定”一锅法合成策略 (图2)，将经典的冠醚结构置于受限空间中。首先加入钾盐，使超分子受体2a发生构象翻转，之后利用烯烃复分解关环反应将超分子的构象锁定。由于冠醚两侧的离子络合通道被屏蔽，离子只能从狭长的离子络合孔道进入超分子受体内部。因此，通过结构改造，经典的冠醚转变成空间受限的离子阱。利用穴醚攫取络合的钾离子，即可得到不含金属离子的杯芳烃离子阱。实验结果表明，在毫摩级别浓度下，一价离子，比如钾、铷离子完全进入杯芳烃离子阱3a的速率很快，仅需数秒，但逃离的速率却非常慢，半衰期为数小时至数天，可以确保离子的可控释放。

作者随后对杯芳烃离子阱的主客体行为进行系统的研究。结果表明，杯芳烃离子阱3a具有极高钾钠选择性。在含水环境中，钠离子的络合变得极其微弱，而钾离子络合所受影响较小。受限的空间的存在使离子的去溶剂化难易对络合强度的影响更为显著，是实现高离子识别选择性的重要因素。

图3. 杯芳烃离子阱3a的离子分离应用

研究发现不同的金属离子与杯芳烃离子阱具有不同的络合强度。其中，钾和铷离子具有相近的络合强度，而铯络合较弱，钠络合最弱。有趣的是，杯芳烃离子阱可以利用络合速率的差异很好地区分半径不同的一价阳离子，其与离子的络合速率随着离子半径的增大而显著减小。利用这一特点，可以很好分离具有相近络合强度的钾离子和铷离子。此外，由于杯芳烃离子阱的空间隔离作用会破坏络合离子与抗衡阴离子的静电吸引力，使得具有高电荷数的二价阳离子进入络合空穴在热力学上变得不利，因此杯芳烃离子阱可以高效地区分一价和二价阳离子。

考虑到杯芳烃离子阱具有疏水的表面，可以极大改善被络合离子在低极性溶剂（如二氯甲烷）中的溶解性，作者尝试将其应用于离子分离。利用络合速率的差异，钾离子 (钾>99%) 可以被高选择性地从含有等量钾、铷、铯离子的混合物中提取出来。利用络合强度的差异，常见的金属离子混合物 (锂、钠、钾、钙、镁、锌和钡) 中的钾离子也可以大于99%的纯度被专一地提取分离 (图3)。基于多样化的分离机制，可以对Rb⁺/Ba²⁺、Rb⁺/Cs⁺、Rb⁺/Na⁺等不同离子进行有效分离。

图4. 主客体识别机理研究

通过对络合热力学与动力学数据的测量，作者发现铯离子与杯芳烃离子阱3b之间的络合极慢。进一步研究表明，在铯离子进入杯芳烃离子阱的空穴前，与离子阱入口处有弱的相互作用；而随着时间延长，铯离子慢慢进入到空穴内部。离子进入杯芳烃离子阱之前先被快速识别，然后再被“吞”入内部空腔 (图4)，因此这种独特识别机制可望用于设计智能分子识别系统。

小结

赵延川研究团队发展了一类新型超分子受体——杯芳烃离子阱。这类具有受限空间的超分子受体同时具备基于热力学和动力学区分机制，可在平衡态与非平衡态实现对客体的高选择性识别。同时，受限空间及连续络合位点可以有效控制离子络合路径，模拟了离子通道中的离子迁移过程。阐释了脱溶剂化过程和动态识别对选择性的影响。基于受限空间的设计策略有望用于建立多种分子识别过程高效并行的仿生系统。

上述研究得到了国家自然科学基金委的资助，并于近期发表在《美国化学会刊》(Journal of the American Chemical Society)，论文的第一作者是中国科学院上海有机化学研究所博士生徐振创。论文作者感谢张丽君、朱苏珍、蔡娴、赵新研究员、蒋舒岩等对本研究工作的帮助。

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）：

Calix[4]trap: A Bioinspired Host Equipped with Dual Selection Mechanisms

Zhenchuang Xu, Nie Fang, Yanchuan Zhao*

J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 3162–3168, DOI: 10.1021/jacs.0c12223

导师介绍

赵延川

https://www.x-mol.com/university/faculty/65906