研究背景
長(zhǎng)烷基鏈化合物在天然產(chǎn)物、藥物及有機(jī)合成產(chǎn)物中具有廣泛的應(yīng)用，然而，由于其靈活的分子結(jié)構(gòu)和較難結(jié)晶的特性，傳統(tǒng)的單晶X射線衍射（SCXRD）方法難以應(yīng)用于這類化合物的結(jié)構(gòu)確定。
與傳統(tǒng)的結(jié)晶方法相比，長(zhǎng)烷基鏈化合物的單晶生長(zhǎng)極具挑戰(zhàn)性，導(dǎo)致其分子結(jié)構(gòu)的解析成為一大難題。為了突破這一瓶頸，科學(xué)界迫切需要一種新的有效方法來(lái)解決這一問(wèn)題。然而，長(zhǎng)烷基鏈的靈活性和分子運(yùn)動(dòng)往往使得其結(jié)構(gòu)難以通過(guò)常規(guī)手段獲得準(zhǔn)確的分析結(jié)果。
有鑒于此，浙江大學(xué)黃飛鶴教授、陳志杰教授、華彬研究員等人提出了“超分子對(duì)接”（Supramolecular docking）這一創(chuàng)新概念，利用基于超分子大環(huán)的金屬有機(jī)框架（MOFs）作為“分子捕手”，通過(guò)特異性地識(shí)別和結(jié)合長(zhǎng)烷基鏈化合物，從而實(shí)現(xiàn)其單晶結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性測(cè)定。相關(guān)研究成果以《Supramolecular docking structure determination of alkyl-bearing molecules》為題，于2025年4月9日發(fā)表在《Nature》雜志上。
“超分子對(duì)接”方法的提出解決了傳統(tǒng)方法在長(zhǎng)烷基鏈化合物分析中的難題。該方法通過(guò)將目標(biāo)分子高效地嵌入到金屬有機(jī)框架中，使其能夠在一個(gè)有序的環(huán)境下排列，極大地減少了長(zhǎng)烷基鏈化合物的構(gòu)象運(yùn)動(dòng)，從而促進(jìn)了單晶的形成和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便、所需時(shí)間短，且適用的底物范圍廣泛，尤其是在藥物、天然產(chǎn)物及有機(jī)合成產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)分析中展現(xiàn)出了極為廣闊的應(yīng)用前景。
這一方法的創(chuàng)新性不僅在于其獨(dú)特的超分子對(duì)接理念，還為基于框架的結(jié)構(gòu)分析提供了新的策略，為科學(xué)家們開(kāi)辟了新的研究方向，顯著推進(jìn)了結(jié)構(gòu)確定領(lǐng)域的發(fā)展。更為重要的是，團(tuán)隊(duì)的研究進(jìn)一步拓展了金屬有機(jī)框架的應(yīng)用范圍，使其在分子識(shí)別和結(jié)構(gòu)分析方面發(fā)揮了更加重要的作用。
論文的共同第一作者為浙江大學(xué)化學(xué)系博士后吳奕韜、浙江師范大學(xué)特聘教授史樂(lè)與南京大學(xué)徐磊博士，通訊作者包括浙江大學(xué)化學(xué)系黃飛鶴、華彬、陳志杰以及德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Jonathan L. Sessler教授。
研究亮點(diǎn)
（1）實(shí)驗(yàn)首次提出了“超分子對(duì)接”方法，通過(guò)將含長(zhǎng)烷基鏈的分子嵌入基于超分子大環(huán)的金屬有機(jī)框架（MOFs）中，成功解決了傳統(tǒng)單晶X射線衍射（SCXRD）無(wú)法有效分析這類分子的問(wèn)題。
（2）實(shí)驗(yàn)通過(guò)Pillar[5]芳烴摻入的MOF框架，利用其對(duì)長(zhǎng)烷基鏈化合物的特異性識(shí)別和宿主-客體相互作用，成功實(shí)現(xiàn)了48種含烷基鏈分子，包括6種天然產(chǎn)物、2種藥物和18種定制化合物的單晶結(jié)構(gòu)的測(cè)定。
（3）該方法的優(yōu)勢(shì)在于操作簡(jiǎn)便，實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間短，且無(wú)需復(fù)雜的溶劑交換過(guò)程，相較于傳統(tǒng)的CS和MOF方法具有更高的效率和普適性。
（4）實(shí)驗(yàn)還通過(guò)SCXRD成功地解析了來(lái)自粗反應(yīng)產(chǎn)物的含烷基鏈分子的結(jié)構(gòu)，表明該方法在結(jié)構(gòu)解析中的高效性和廣泛適用性。
（5）此外，通過(guò)該方法，還成功解決了14個(gè)未知化合物的結(jié)構(gòu)，結(jié)合核磁共振（NMR）和質(zhì)譜數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了其在未知化合物結(jié)構(gòu)解析中的有效性。
圖文解讀
圖1.超分子對(duì)接策略的概念總結(jié)
圖2.利用超分子對(duì)接策略確定的目標(biāo)分子1~63的化學(xué)結(jié)構(gòu)
圖3.EtP5-MOF-2中目標(biāo)分子1–25、40–56和58–62的單晶結(jié)構(gòu)
圖4.EtP5-MOF-2中目標(biāo)分子50–63的盲實(shí)驗(yàn)
結(jié)論展望
總之，本文報(bào)告了一種超分子對(duì)接策略，旨在解決與含烷基鏈分子結(jié)構(gòu)測(cè)定相關(guān)的挑戰(zhàn)。該方法在結(jié)構(gòu)分析中可能發(fā)揮重要作用，特別是在分析在典型實(shí)驗(yàn)室條件下獲得的各種產(chǎn)品（如液體、粘性物質(zhì)、固體或不穩(wěn)定樣品及混合物）時(shí)具有應(yīng)用潛力。
值得注意的是，金屬有機(jī)框架（MOF）載體的合理設(shè)計(jì)一直是基于框架的結(jié)構(gòu)測(cè)定中的一個(gè)挑戰(zhàn)。超分子對(duì)接方法為框架結(jié)構(gòu)分析提供了一個(gè)概念性指導(dǎo)原則，利用可設(shè)計(jì)和定向的超分子宿主-客體識(shí)別策略，顯著推動(dòng)了結(jié)構(gòu)測(cè)定領(lǐng)域的發(fā)展。然而，當(dāng)前方法仍面臨一些潛在的局限性，特別是在高分子量和結(jié)構(gòu)復(fù)雜分子的結(jié)構(gòu)測(cè)定中。未來(lái)的研究將聚焦于將多種超分子對(duì)接宿主整合進(jìn)MOFs中，以促進(jìn)對(duì)各種化合物的結(jié)構(gòu)測(cè)定。
原文詳情：
Wu, Y., Shi, L., Xu, L. et al. Supramolecular docking structure determination of alkyl-bearing molecules. Nature (2025).
https://doi.org/10.1038/s41586-025-08833-2
