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型二聚体笼(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(图1)。
2026年3月18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。

图1. (a)Ex-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。

图2. (a)Ex-MC的自组装及X射线晶体结构;(b)配体Ex-1及(c)Ex-MC的部分1H NMR和2D DOSY谱图;(d)Ex-MC的ESI-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)2按2:1摩尔比在DMSO中加热自组装,定量获得灯笼形Pd2L4纳米笼Ex-MC。1H NMR中α-吡啶质子显著向低场位移,2D DOSY确认单一物种形成,ESI-MS精确吻合理论分子质量(图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盐客体(G1–G5)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 ± 0.2)′105 M-1,G4/G1选择性达380。单晶X射线衍射证实,Ex-MC在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(图3)。

图3. (a)五种磺酸盐客体G1–G5的化学结构;(b)加入G1–G5后Ex-MC的部分1H NMR谱图;(c)Ex-MC、G3@Ex-MC和G4@Ex-MC的晶体结构;(d)静电势图;(e)IGMH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-MC。1H 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-MC以52°扭转角互穿,形成三个孤立内腔,每个腔室各封装一个BF4 ̄(图4)。

图4. (a)I-Ex-MC和Ex-MC的1H NMR变化对比图;(b)[I-Ex-MC-5BF4 ̄]5+的ESI-MS谱图;(c)I-Ex-MC的侧视与俯视晶体结构;(d)I-Ex-MC的弱相互作用分析。

图5. (a)Ex-MC转化为I-Ex-MC的变温1H NMR;(b)Ex-MC与I-Ex-MC的物种分布曲线;(c)lnK对1/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-1、ΔS = +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-MC的DMSO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(图6)。

图6. (a)通过添加和去除DMAP实现纳米笼的解组装-重组过程。(b)Ex-1;(c)Ex-MC;(d)I-Ex-MC;(e)用8.0当量DMAP处理的I-Ex-MC;(f)DMAP;(g)Pd2+与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(j)TsOH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(图7)。

图7. (a)阴离子交换触发I-Ex-MC的变构结构转变;(b)I-Ex-MC和(c)ReO4 ̄@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的应用潜力。
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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