深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院王恒副教授團(tuán)隊(duì)最近在配位超分子自組裝領(lǐng)域取得了一項(xiàng)重要突破。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)在多臂結(jié)構(gòu)基元中引入酸堿響應(yīng)型配體2,6-雙(咪唑-2-基)吡啶（H2DAP），發(fā)展了配位超分子原位穩(wěn)定化策略，成功實(shí)現(xiàn)了配位超分子組裝體精準(zhǔn)性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的協(xié)同提高。自組裝（Self-assembly）是一種自下而上的、用于精準(zhǔn)構(gòu)筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能性強(qiáng)的納米結(jié)構(gòu)的策略。其中，自組裝構(gòu)筑結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)性主要依賴其將分子組分以動(dòng)態(tài)和可逆的方式連接在一起的能力。在各類動(dòng)態(tài)相互作用中，由于配位作用力具有良好的動(dòng)態(tài)性和方向性，同時(shí)可用于自組裝的配體和金屬離子豐富多樣，因此被廣泛用于構(gòu)建復(fù)雜的配位超分子。然而，分子間動(dòng)態(tài)可逆的配位作用力雖然有利于超分子結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)構(gòu)建，但也造成超分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較低的問題。例如，配體與金屬離子間動(dòng)態(tài)可逆性使超分子在改變濃度、溶劑及溫度條件下易于發(fā)生結(jié)構(gòu)的變化甚至解離；此外，多數(shù)配位鍵的酸堿耐受性較低，使得組裝結(jié)構(gòu)易于被體系中的酸或堿破壞。超分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)和熱不穩(wěn)定性不僅使其化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)難以被準(zhǔn)確表征，還限制了其在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或高溫等條件下的應(yīng)用。因此，在配位超分子自組裝系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)自組裝可逆性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性之間的微妙平衡成為該領(lǐng)域的主要問題之一。研究團(tuán)隊(duì)將酸堿響應(yīng)型三齒配位基元H2DAP引入配位超分子自組裝中，發(fā)展了配位超分子原位穩(wěn)定化策略（圖1），即利用中性環(huán)境下H2DAP與Co(II)的配位動(dòng)態(tài)性，精準(zhǔn)構(gòu)筑了超分子四聚體TA/TB/TC-Co(II)。超分子四聚體具有較高的動(dòng)態(tài)性，通過(guò)改變濃度能夠?qū)崿F(xiàn)該四聚體和二聚體之間的可逆轉(zhuǎn)化，且不同超分子四聚體間可以發(fā)生配體的動(dòng)態(tài)交換。在堿性條件下，超分子中的Co(II)能夠被空氣中的氧氣迅速氧化成Co(III)，即將配位位點(diǎn)由<H2DAP-Co(II)-H2DAP>2+高效轉(zhuǎn)變?yōu)?lt;DAP-Co(III)-DAP>?。更為重要的是，原位脫氫氧化后，超分子TA/TB/TC-Co(III)及DA-Co(III)的幾何形狀未發(fā)生變化，而其動(dòng)態(tài)性顯著降低且化學(xué)穩(wěn)定性大幅度提高。此外，這種具有不同動(dòng)力學(xué)特性和穩(wěn)定性的金屬籠TC-Co(II)/TC-Co(III)對(duì)納米尺度的量子點(diǎn)(QDs)顯示出獨(dú)特的封裝和釋放行為。
圖1.（a）配體的合成路線。（b）配位超分子籠的自組裝及原位穩(wěn)定化。（c-d）超分子籠二聚體和四聚體的模擬結(jié)構(gòu)。利用逐級(jí)串聯(lián)質(zhì)譜(gMS2)技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)動(dòng)態(tài)籠TA-Co(II)和穩(wěn)態(tài)超分子籠TA-Co(III)在氣相條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行了深入研究。在較高的測(cè)試電壓下，TA-Co(II)被完全解離，而配體結(jié)構(gòu)不被破壞。與之相比，原位反應(yīng)后超分子TA-Co(III)骨架能承受更高的碰撞能量，且當(dāng)超分子側(cè)鏈烷基鏈開始解離時(shí)，分子骨架結(jié)構(gòu)仍能保持穩(wěn)定，說(shuō)明脫氫穩(wěn)定化后的新配位鍵強(qiáng)度高于C?C和C?O等共價(jià)鍵（圖2）。理論計(jì)算同樣顯示<DAP-Co(III)-DAP>?的解離能106.1 kcal/mol遠(yuǎn)高于<H2DAP-Co(II)-H2DAP>2+的解離能41.9 kcal/mol，進(jìn)一步證明了原位脫氫氧化后超分子的超高穩(wěn)定性來(lái)源于配位位點(diǎn)穩(wěn)定性的大幅提高。
圖2.原位穩(wěn)定化前后（a）動(dòng)態(tài)超分子籠TA-Co(II)和（b）穩(wěn)態(tài)超分子籠TA-Co(III)的梯度串聯(lián)質(zhì)譜(gMS2)圖譜。（c）在56 V電壓下對(duì)b圖的放大。
圖3. 穩(wěn)態(tài)超分子籠TA-Co(III)在（a）過(guò)量三氟乙酸和（b）過(guò)量乙二胺四乙酸處理后的1H-NMR譜圖。穩(wěn)態(tài)超分子籠（c）TA-Co(III)和（d）DA-Co(III)的MALDI-TOF-MS譜圖。進(jìn)一步的研究表明，原位穩(wěn)定化之后的超分子四聚體TA-Co(III)在溶液中也具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性，其能在強(qiáng)酸（三氟乙酸）、強(qiáng)堿（NaOH）、強(qiáng)絡(luò)合試劑（EDTA）、高溫（100 oC）等條件下長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定。同時(shí)TA-Co(III)的高穩(wěn)定性使其可承受基質(zhì)輔助激光解析電離飛行時(shí)間質(zhì)譜（MALDI-TOF-MS）測(cè)試條件下的激光輻照，從而獲得高質(zhì)量的質(zhì)譜分析圖譜（圖3）。這說(shuō)明其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性已達(dá)到或接近共價(jià)聚合物的水平。
圖4.（a）量子點(diǎn)(QDs)在籠狀TC-Co(II)或TC-Co(III)中的封裝和釋放過(guò)程示意圖。分散在正己烷中的QDs與溶解在DMF中的H2LC、空白、TC-Co(III)或TC-Co(II)攪拌后溶液上下層的（b）熒光變化照片和對(duì)應(yīng)的（c）熒光光譜圖。TEM圖：（d）TC-Co(II);（e）QDs;（f）TC-Co(II)?QDs。（g）TC-Co(II)?QDs的元素分析。在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)并合成了內(nèi)空腔具有烷基鏈的超分子籠TC-Co(II)，通過(guò)烷基鏈與油溶性量子點(diǎn)（QDs）間的范德華作用力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)QDs的封裝。研究表明，僅有動(dòng)態(tài)的超分子籠TC-Co(II)能夠與QDs發(fā)生主客體作用，原位穩(wěn)定化后超分子籠TC-Co(III)不具備包裹QDs的能力。同時(shí)，TC-Co(II)?QDs復(fù)合物能夠通過(guò)原位穩(wěn)定化過(guò)程，將QDs鎖定在穩(wěn)態(tài)超分子籠的空腔中，阻止QDs的釋放。這一過(guò)程不僅充分驗(yàn)證了原位穩(wěn)定化前后超分子動(dòng)態(tài)性和穩(wěn)定性的變化，還有望實(shí)現(xiàn)對(duì)納米顆粒的有效保護(hù)、性能調(diào)控和定向遞送。相關(guān)成果以“Constructing Ultra-Stable Metallo-Cages via In-situ Deprotona-tion/Oxidation of Dynamic Supramolecular Assemblies”為題發(fā)表于J. Am. Chem. Soc.2023, DOI: 10.1021/jacs.3c06211。文章的第一作者為蘭州大學(xué)青年研究員蘇平如，深圳大學(xué)王恒副教授為唯一通訊作者。
王恒，深圳大學(xué)副教授。2009年和2015年于北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院分別獲理學(xué)學(xué)士和博士學(xué)位；2015年到2016年于日本北海道大學(xué)從事博士后工作；2016年至2020年分別于美國(guó)德克薩斯州立大學(xué)和南佛羅里達(dá)大學(xué)從事博士后工作。2020年加入深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，主要從事超分子化學(xué)和高分子化學(xué)領(lǐng)域的研究工作，研究方向包括具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)配位超分子的自組裝，配位驅(qū)動(dòng)自組裝構(gòu)筑構(gòu)象精準(zhǔn)聚合物、配位超分子的表界面逐級(jí)自組裝等。近五年作為第一作者或通訊作者發(fā)表論文15篇，其中11篇發(fā)表于J. Am. Chem. Soc. (8)、Angew. Chem. Int. Ed. (2)、Nature Commun. (2) 、Nat. Rev. Mater. (1)。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人承擔(dān)了國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目，深圳市科創(chuàng)委人才培養(yǎng)優(yōu)青項(xiàng)目等。
Email：hengwang@szu.edu.cn
主頁(yè)：http://chem.szu.edu.cn/szdw/jxdanwe/hxx/fjs/wh.htm蘇平如，男，博士。2020年12月于蘭州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院獲理學(xué)博士學(xué)位，導(dǎo)師為唐瑜教授。2021年4月至2023年6月，于深圳大學(xué)從事博士后工作。目前，在蘭州大學(xué)唐瑜教授課題組擔(dān)任青年研究員。近五年以第一作者在J. Am. Chem. Soc. , Natl. Sci. Rev，Chem. Eng. J等期刊以第一作者發(fā)表SCI論文9篇。研究興趣包括稀土配合物自組裝及其應(yīng)用研究，以及配位超分子自組裝等。
