第一作者：张政、邓云虎

通讯作者：郎建平

通讯单位：苏州大学

理解并调控分子构象是实现生物功能与合理设计人工合成体系的核心。在生物学领域，生物构象组装体（BCAs）可响应内源性或外源性刺激发生精准调控的结构变化，这一特性是分子转运、信号传导及酶催化等关键生命过程的基础。此类行为源于由多肽、手性配体及酶参与的弱非共价相互作用网络。尽管生物构象组装体本身具备柔性，且存在多种潜在立体异构状态，但自然界仅会选择性稳定某一种具有特定功能的优势构象（图1a）。尽管如此，仍有大量构象难以通过实验手段捕获，这也凸显了其构象分布格局的复杂性。

相比之下，人工合成有机构象组装体（OCAs）面临的挑战更为艰巨。这类体系通常通过多组分共价策略来构建，在溶液中多以动态混合体系形式存在，这给单一构象的分离与表征带来了极大困难（图1b）。一种极具前景的解决方案是在动态构象骨架中引入金属簇单元。金属簇兼具结构刚性、固有多功能性及对外界刺激的响应性，既能够稳定原本短暂存在的构象状态，又可实现可逆的构象切换。将此类金属簇引入人工合成组装体，不仅能够获得原本因动力学限制而难以形成的构象，同时还能提供可通过化学手段调控的作用位点。此研究中，报道了一种簇介导的构象组装策略（CMCA），该策略充分利用上述优势，成功构筑笼状构象组装体（CCAs）（图1c），该结构固有的柔性，结合团簇的多齿配位环境，共同构成了广阔的构象空间。

图1. 天然与人工体系中的构象异构。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

苏州大学郎建平教授（点击查看介绍）团队长期以来致力于簇基超分子组装化学及其性质的研究。近日，该团队以[Tp*WS₃Cu₃]²⁺ 簇为核心，通过三个柔性bpmb配体桥联形成CCAs。bpmb配体以1,2-二取代苯为骨架，带有两个-CH₂-S-Py（Py = 吡啶），在C-S键区域具有多个旋转自由度，且吡啶基团可作为电子调控位点。这种固有的柔性与金属簇的多齿配位环境相结合，为实现刺激响应型构象的调控奠定了良好的基础。

固态下bpmb存在四种能量相近的构象（Z₁、Z₂、U₁、U₂），DFT 计算表明四种构象能量差异极小，Z₂和U₂仅比Z₁和U₁稳定0.0017和0.0053 kcal/mol^-1，U型构象比Z型构象能量高约1.07 kcal/mol^-1，热力学上略微偏向Z型构型（图2a）。单晶X射线衍射显示该CCA具有一个笼状结构，其中三个bpmb配体桥接两个[Tp*WS₃Cu₃]²⁺ 节点（图2b）。构象预测结果表明，理论上三个bpmb配体可产生64种构象序列；经对称性等效化归一后，这些序列可归类为8个独立构象家族和20种独特构象（图2c）。20种实验可能观测到的构象展示于图2d。

图2. bpmb及簇介导组装体的构象多样性。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

作者发现，在AC-d₆中，将 [Tp*WS₃Cu₃]²⁺ 与bpmb按2:3的比例混合，可实现笼状结构的形成（图3a），Cu(I)配位作用引发的H_d质子特征低场位移，验证了这一结论（图3b）。向该CCA溶液中滴定[Et₄N]I时，体系出现新的¹H NMR信号，同时初始信号强度减弱，该现象与I^-的封端作用一致（图3c）。客体分子的封装作用以溶剂依赖的方式稳定了卤化物封端的笼状结构。在CD₃CN中，向CCA-I中加入[Et₄N]PF₆后，得到了峰形尖锐的¹H NMR信号，该信号与被封装的[Et₄N]⁺相符（图3d）。

图3. CCA的液相组装与构象转换。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

在 1,5-I-DMF体系中，卤素取代（I^-→ Br^- 或Cl^-）仅引发微小变化，体系仍以1α′、1β及5β三种构象为主（图4a）。相比之下，经丙酮封端的笼状配位组装体在CH₂Cl₂中结晶时，会发生6β → 6α的构象转变，最终生成构象1与6的近似1:1混合物（图4b）。改变溶剂条件同样能调控构象的选择性：水-丙酮混合溶剂可稳定构象3（图4c）。值得注意的是，卤素封端策略可选择性地稳定6α这一构象（图4d）。体系中存在多种可逆构象转变，例如加水后发生的3 → 1转变、在DMF中发生的5 → 6转变，这些转变充分体现了该构象集合体系的结构适应性（图4e）。

当体系中存在I^- 时，在CH₂Cl₂体系中，会生成构象2的混合相（图4f）。在MeCN体系中，[Et₄N]⁺的封装作用与溶剂分子的配位作用相互竞争，最终促使构象1和4成为优势产物（图4g,4h）。与真空状态的能量相比，丙酮可提升绝大多数构象的稳定性，唯有7α构象的稳定性未受影响（图4i）；最后，采用SMD 溶剂化模型探究了1α与1α-Cl两种构象的溶剂依赖性能量特征。在 M062X-D3/def2-SVP计算级别下进行的结构优化结果显示1α的相对稳定性存在显著差异：在MeCN中稳定性较差，在DMF中稳定性略有提升，在CH₂Cl₂中稳定性达到最高（图4j）。

图4. 构象能量分布及对外界刺激的结构响应。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

此外，作者还在加入[W₆O₁₉]^2-的溶液滴定实验中，发现CCA原本的¹H NMR信号峰消失，同时出现新的特征信号峰（图5a），这一现象与客体诱导的构象重排过程一致。HRESI-MS证实了[W₆O₁₉]^2-的封装行为：实验测得的质荷比（m/z）与组分{[W₆O₁₉]@[(Tp*WS₃Cu₃)₂(bpmb)₃]}²⁺的理论值高度吻合（图5b）。通过缓慢扩散法结晶，得到了含构象7和8的主-客体晶相，而这两种构象仅在[W₆O₁₉]^2-存在时才会形成。在7-W₆O₁₉-AC中，7α/7α′和7β/7β′构象被稳定存在（图5c）；而在8,3-W₆O₁₉-AC中，占有率为0.6的8α/8β构象与占有率为0.4的3α/3β构象共存（图5d）。客体封装作用还诱导形成了一种罕见的陀螺状组装体，其中的[W₆O₁₉]^2-基团充当中心旋转轴，赋予组装体动态运动（图5c）。此外，获得的共结晶产物（包括1,5-W₆O₁₉-AC 和1,3,5-W₆O₁₉-AC）也展现出丰富的构象多样性。相比之下，Na₂(DNSDS)仅能选择性稳定构象3（即3α和3β）（图5e），这一现象凸显了客体分子的尺寸、形状及电荷性质对组装体构象的调控作用。

向W₆O₁₉@CCA体系中加入I^-后，体系内被封装的客体分子发生解离，该陀螺状组装体随之转变为封端结构（图5a）。随后，通过加入AgOTf进行滴定，以AgI形式捕获I^-，成功恢复了笼状结构对W₆O₁₉@CCA；而重新引入I^-时，该过程可完全逆转，体现出该体系完整的可逆性。连续六次循环，这种静态-陀螺构象切换过程始终保持完全可逆，表明该结构响应在实验条件下具备抗疲劳性。时间分辨UV−Vis光谱测试结果显示，I^-诱导的W₆O₁₉@CCA结构转变过程十分迅速，在约420秒内即可完成约90%的转化，且动力学拟合证实该转变符合一级反应动力学特征。

IGMH分析揭示了关键的稳定化作用机制：Cu-I配位作用，以及[W₆O₁₉]^2-阴离子与CCA表面之间的外围相互作用（图5f,g）。典型的C-H···π作用键长范围为2.54-3.34 Å，而观测到的C-H···S作用键长范围则为3.15-3.41 Å。ESP分析进一步表明，客体封装与卤素封端这两种作用均会改变C-S键处的局域电子云密度，进而调控了分子内旋转并促进了构象转变（图5h）。

图5. 客体诱导的构象稳定化与电子调控。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

总结与展望

作者展示了一种CMCA策略，其中柔性芳基硫醚配体（bpmb）桥接[Tp*WS₃Cu₃]²⁺ 簇，生成20种不同的构象，这些构象源自8种主要几何构型，突显了bpmb的结构柔性如何调控组装体的适应性。在计算预测的64种可能状态中，对称性约束限制了实验观察到的状态集。研究还表明，卤离子、[Et₄N]⁺、[W₆O₁₉]^2-及(DNSDS)^2-在内的客体物种，可作为构象调节剂，通过几何封端效应与电子效应发挥作用；而[W₆O₁₉]^2-客体封装则能实现组装体在静态与陀螺态构象之间的可逆切换。该研究结果为人工合成组装体的构象调控建立了通用设计原则。通过将结构可塑性与环境响应性相结合，这类CCAs为推动动态超分子化学的发展提供了一个多功能平台，在分子识别、自适应材料和响应型化学系统等领域展现出潜在应用前景。

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）：

Conformationally Adaptive Molecular Cages Enabled by Metal Cluster-Mediated Assembly

Zheng Zhang,^# Yun-Hu Deng,^# Lao-Bang Wang, Yi Tan, and Jian-Ping Lang*

J. Am. Chem. Soc. 2025, DOI: 10.1021/jacs.5c17947

郎建平教授简介

郎建平，苏州大学材料与化学化工学部讲席教授。1993年南京大学配位化学研究所获博士学位，1995-2001年日本名古屋大学化学系JSPS博士后、美国哈佛大学化学与化学生物系博士后。2001.3苏州大学任研究员，博士生导师。历任化学化工学院副院长、院长，材料与化学化工学部执行主任、主任，研究生院常务副院长、院长，校学位评定委员会副主席兼秘书处秘书长(2018.1-至今)。现为中国化学会无机化学学科委员会委员(2009.12-至今)、中国化学会分子筛专业委员会委员(2018.9-至今)、江苏省化学化工学会第10-13届理事会理事(2009年-至今)、中国化学会会士(2024年-至今)、英国皇家化学会会士(2014年-至今)、RSC中国高级专家委员会委员(2022年-至今)。2001年以来，在国内外核心化学期刊如Chem. Soc. Rev., JACS, Angew. Chem., Nat. Commun., Adv. Mater.等发表正式论文500多篇，发表SCI检索论文被他引15000多次，获中国和国际发明专利授权45项。他曾获评国家杰出青年科学基金项目 (2005年)、新世纪百千万人才工程国家级人选(2007年)、教育部全国优秀教师(2004年)、国务院政府特殊津贴(2005年)、教育部长江学者奖励计划特聘教授(2011年)、全国五一劳动奖章(2011年)，教育部高等学校科学研究优秀成果奖(自然科学)(2011年)、江苏省科学技术进步奖(2010年)、中国石油和化学工业协会科学技术进步奖 (2009年)。目前，他担任英国皇家化学会期刊Dalton Transactions国际顾问编委(2010年-至今)、Springer Nature 出版社Scientific Reports国际编委(2015年-至今)、《无机化学学报》编辑委员会委员(2019年-至今)，《结构化学》编辑委员会委员(2020年-至今)等。

https://www.x-mol.com/university/faculty/390701