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吉大杨英威、港中大(深圳)唐本忠、深大王东/李政 ACS Nano:可重构机械互锁金属有机纳米笼实现自适应客体识别与变构调控
2026-03-19  来源:高分子科技

  受生物纳米机器中刺激响应构象变化的启发,化学家们致力于构建具有类似动态行为的人工纳米结构。配位笼因其本征空腔、机械互锁及变构可控等特点,成为实现刺激响应与变构调控的理想平台。然而,如何在复杂拓扑组装体之间实现主客体的诱导契合与变构调控,至今仍是超分子化学领域的重要挑战之一。


  近日,吉林大学杨英威教授联合香港中文大学(深圳)唐本忠院士、深圳大学王东教授及李政博士,报道了一种基于三苯胺(TPA)骨架的可重构Pd2L4纳米笼(Ex-MC),并实现了其向机械互锁Pd4L8二聚体笼(I-Ex-MC)的热触发转变,建立了一个集选择性识别、可逆机械互锁与阴离子诱导变构调控于一体的多功能分子平台(1)。


  2026318日,该工作以Reconfigurable Mechanically Interlocked Metal-Organic Nanocages for Adaptive Guest Recognition and Allosteric Regulation”为题发表在《ACS Nano》(ACS Nano 2026, DOI: 10.1021/acsnano.6c01125)。该研究工作第一作者为吉林大学化学学院在读博士生吴东蒲,通讯作者为吉林大学杨英威教授、香港中文大学(深圳)唐本忠院士、深圳大学王东教授和李政博士。



1. aEx-MC对客体的主客体识别及向I-Ex-MC的可控转变;(b)金属有机笼的刺激响应结构转变与阴离子变构调控示意图。



2. aEx-MC的自组装及X射线晶体结构;(b)配体Ex-1及(cEx-MC的部分1H NMR2D DOSY谱图;(dEx-MCESI-MS谱图。


  作者以三苯胺为核心设计并合成了具有延伸双吡啶臂的自适应配体Ex-1,将其与[Pd(CH3CN)4](BF4)22:1摩尔比在DMSO中加热自组装,定量获得灯笼形Pd2L4纳米笼Ex-MC1H NMRα-吡啶质子显著低场位移,2D DOSY确认单一物种形成,ESI-MS精确吻合理论分子质量2)。


  在主客体化学研究中,作者系统考察了Ex-MC对五种不同尺寸及电荷的磺酸客体(G1G5)的识别能力。1H NMR滴定与ESI-MS共同证实了主客体包合物的形成,其中G4的结合常数高达(1.9 ± 0.2105 M-1G4/G1选择性达380。单晶X射线衍射证实Ex-MC结合不同客体时苯环扭转角从69.2°分别调整至46.8°G3)和43.6°G4),体现出典型的诱导契合自适应机制。分子静电势图和弱相互作用分析进一步表明,静电互补与多重非共价相互作用协同驱动了高选择性识别(3)。



3. a)五种磺酸客体G1G5的化学结构;(b)加入G1G5Ex-MC的部分1H NMR谱图;(cEx-MCG3@Ex-MCG4@Ex-MC的晶体结构;(d静电势图;(eIGMH分析。


  将Ex-MC溶于CD3CN中加热,原位变温NMR监测到单体笼中间体逐步转化,4小时后定量形成互锁二聚体I-Ex-MC1H NMR中吡啶质子的分裂信号、DOSY单一扩散带及ESI-MS多电荷态峰系共同确认了Pd4L8结构,单晶衍射进一步揭示两个Ex-MC52°扭转角互穿,形成三个孤立内腔,每各封装一个BF44)。



4. aI-Ex-MCEx-MC1H NMR变化对比图;(b[I-Ex-MC-5BF4 ̄]5+ESI-MS谱图;(cI-Ex-MC的侧视与俯视晶体结构;(dI-Ex-MC弱相互作用分析。



5. aEx-MC转化为I-Ex-MC的变温1H NMR;(bEx-MCI-Ex-MC物种分布曲线;(clnK1/T的线性关系。


  变温1H NMR实验(273–343 K)系统揭示了互锁热力学:van’t Hoff分析给出ΔH = +36.6 kJ mol-1ΔS = +105.5 J mol-1 K-1,临界温度347 K与实验结果高度吻合,表明互锁过程为熵驱动的吸热过程(图5)。向I-Ex-MCDMSO溶液中加入4-二甲氨基吡啶(DMAP,碱性竞争配体),可立即解组装释放Ex-1;再加入对甲苯磺酸(TsOH)后,Ex-MC重新生成,实现了酸碱可控的可逆循环(6



6. a)通过添加和去除DMAP实现纳米笼的解组装-重组过程。(bEx-1;(cEx-MC;(dI-Ex-MC;(e)用8.0当量DMAP处理的I-Ex-MC;(fDMAP;(gPd2+4.0当量DMAP;(h)加入8.0当量TsOH后的e溶液;(i)用8.0当量TsOH处理的Ex-MC和(jTsOH的部分1H NMR谱图。


  更为引人注目的是,向I-Ex-MC中加入过量ReO4,可触发显著的阴离子诱导变构效应中央腔Pd···Pd距离扩张,两侧外腔则向内压缩,TPA配体上苯环扭转角亦随之重新分布,高度模拟了生物受体中的变构响应机制(7)。



7. a)阴离子交换触发I-Ex-MC的变构结构转变;(bI-Ex-MC和(cReO4 ̄@I-Ex-MC中各关键距离汇总。


  综上所述,该工作将自适应客体识别、可逆机械互锁(热/酸碱双重调控)与阴离子诱导变构调控集于单一分子平台,为智能超分子纳米材料的设计提供了新策略,在选择性传感、分子分离和仿生纳米机器领域展现出广阔应用潜力


  该工作得到了唐本忠院士的悉心指导与支持,并受到国家自然科学基金项目(No. 22571119)、吉林省科技发展计划重点研发项目No. 20260203095SF)以及中央高校基本科研业务费(No. 2025-JCXK-24)等的资助。


  原文链接:https://doi.org/10.1021/acsnano.6c01125

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(责任编辑:xu)
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