【Angewandte】金属-有机骨架对多侧链的识别和排序促进了己烷异构体的分离

文献摘要：多孔材料可以通过其框架结构和底物之间的相互作用进行分子筛选、分离和转化。蛋白质也可与分子相互作用以影响化学转化，但依赖于氨基酸构建单元在共同的多肽骨架上的精确序列来最大化其性能。在多孔框架上对侧链进行位置排序以使内部表面化学性质多样化的设计策略来增强对底物的控制。本文表明，通过在合成过程中识别不同的化学成分，不同的侧链可以被有序地排列在一个金属-有机框架上。侧链之所以被识别，是因为每一个侧链都可以作为共同构建单元形成不同的构象和扩展结构。由此产生有序排列的侧链，使得己烷异构体分离性能优于仅用一种类型的侧链装饰的框架。分离的分子由此产生不同排列的几何结构，反映了它们由有序侧链精确创造的强烈分化环境。通过控制识别和排序多种侧链功能的框架的发展，为多孔材料家族的内部表面提供了定制可能，从而可以在分子水平上指导相互作用。

相关研究成果：D. Markad，L. J. Kershaw Cook，R. Pétuya，Y. Yan，O. Gilford，A. Verma，B. P. Mali，C. M. Robertson，N. G. Berry，GR Darling，M. S. Dyer，D. Antypov，A. P. Katsoulidis，M. J. Rossei， Angew. Chem. Int. Ed. 2024，e202411960. DOI: 10.1002/anie.202411960.

       金属有机骨架（Metal-organic frameworks, MOFs）是一种通过配位键将无机金属节点与有机连接体连接形成具有良好孔隙度的延伸结构，从而获得优异的性能的多孔材料。有机连接体的大小、形状和金属结合的多样性提供了设计具有特定孔隙几何形状的框架结构的可能，并使得孔隙可以被功能性基团修饰。在框架中结合各种功能基团是一种模拟蛋白质在催化和分离过程中产生特异性结构的一种方法。多种功能化的配体被混合以产生同构框架称为多元金属有机框架（MTV-MOFs），其中位置无序的功能性基团协同作用以优化药物的释放和催化转化。然而，由公共骨架连接构建单元的 MOF 上多个官能团的周期性排列仍然难以捉摸。相比之下，蛋白质中的多肽链是由一个共同的氨基酸骨架构建单元形成的，但连接到单个单元的侧链的位置是有序的，并且因为它们的化学性质不同可以被识别出来，从而在组装过程中被加以区分。

       H2XPyr连接体系列（图1a），其中X是一个氨基酸残基，结合了两种末端金属结合的化学物质，具有一系列潜在的侧链功能。XPyr2- 的吡唑酸盐（Pyr）和羧酸基团在有机连接体带状的两侧交替，并连接相邻的 ZnO2N2 四面体形成无机棒状结构，形成具有中心通道和三个外围三叶草形孔洞（X=L-Ala如图1b所示）的 ZnXPyr 单连接体开放框架系列。当 X=Gly 时，每条带状上的连续连接体在 c 滑移下互为镜像且等效，因此  [Zn2(GlyPyr)2] 采用 R3c 对称。ZnXPyr 框架结构所需的连接构象被拉伸，使 Gly 残基的前手性 α 碳（Cα）上的两个碳氢键中的一个与框架主链上羧酸基的一个碳氢键形成重叠关系。在 [Zn2(LAlaPyr)2] 中引入手性的 X=L-Ala （图1b），保留了 [Zn2(GlyPyr)2]的多孔骨架，但在晶体学上沿任意带的两个交替连接体是不同的，因为是不存在连接同手性单元滑动的，并降低了 R3 的对称性。

       连续的 L-AlaPyr 由于甲基侧链在其手性 C - α 处的不同环境，沿带状的连接体具有不同的构象和应变能(图1c)。在 1号位点，甲基处于远离骨架的有利位置，并且 Cα 的四面体几何形状几乎是规则的。在位点 2 , L-AlaPyr 构型将 C - α- CH3 键与羧酸基的一个碳氧键置于重叠关系中。由于靠近甲基侧链的框架，2 位 Cα 的四面体几何形状被扭曲，连接体通过围绕 Cα- N 键旋转来重新调整其构象。因此，位点 2 的 L-AlaPyr 的计算应变能(77.6 kJmol-1)高于位点 1 的计算应变能(58.3 kJmol-1)。L-AlaPyr 的手性区分了 ZnXPyr 支架上与 GlyPyr 等同的两个连接位点，同时保持了相同的框架结构.

       这种对称性破缺提供了对两个连接体 XPyr 和X’Pyr进行排序的机会，它们在整个共同骨架上承载不同的氨基酸残基，模拟了一个肽主链上氨基酸残基的顺序。这是通过连接手性 Cα 到侧链的键被 C-O 向量遮蔽的连接体位点局部产生的应变能来驱动的，从而使该位点所需的构象与占据它的连接体所携带的侧链相匹配。本文用 X=Gly , X ' =L-Ala 来检验这个假设，Zn(NO3)2·6H2O 与 H2GlyPyr 和 L-H2AlaPyr 反应得到新的双连接材料 [Zn2(L-AlaPyr)(GlyPyr)] (图1d)，该材料具有与单连接材料[Zn2(GlyPyr)2]和[Zn2(L-AlaPyr)2]相同的框架结构。[Zn2(L-AlaPyr)(GlyPyr)] 以 R3 对称结晶，表明存在两个不同的晶体学连接体位点。单晶 x 射线衍射揭示了这两个连接体确实沿着带排列， L-AlaPyr 占据位点 1，这使得它的应变能较低，因为 Cα- CH3 键是远离框架的，GlyPyr 占据位点 2 ，重叠的 Cα- H 键不会给形成框架所需的连接体增加进一步的应变能(图1e)。在假设的反向连接有序结构 [Zn2-(GlyPyr)(L-AlaPyr)] 中， L-AlaPyr 连接体占据了2号位点，其甲基处于不利的重叠位置(图1f)，具有 20.7 kJmol-1 的高应变能。两个仅通过用甲基取代单个氢而不同的连接体沿着有机带交替存在，并且所有甲基仅定位在孔洞的一侧，这使得两个不同的侧链附加到相同的 ZnXPyr 支架上的同一骨架构建单元。

       该体系与 MTV-MOFs 明显不同，在 MTV-MOFs 中，混合连接体(即由具有不同侧链功能的骨架连接体构成)在 x 射线衍射确定的平均结构中占据同一骨架上的单一晶位。因此，没有官能团的周期性排列，它们在位置上是无序的，并在整个 MTV-MOF 中产生局部环境的异质分布。相反， L-AlaPyr 和 GlyPyr 连接体及其附加基团在[Zn2(L-AlaPyr)(GlyPyr)] 中不同晶体位置远程排序的构象应变驱动路线给物质在孔洞中的形成创建了精确刻画的局部环境。

       在 [Zn2(L-AlaPyr)(GlyPyr)] 中，侧链位置顺序是由共同 XPyr 构建单元承载的不同侧链和 ZnXPyr 结构识别及具体定位而实现的，并由每个连接体的应变状态与框架组装过程中创建的可用位点相匹配产生远程顺序。这种机制可以扩展到在 ZnXPyr 支架上有序排列的任何一对手性不同的 XPyr 和 X'Pyr 连接体使其带有不同的功能。例如，如果考虑对映体相反的 L-AlaPyr 和 D-AlaPyr 连接体，则 L-AlaPyr 将占据立体化学最有利的位点 1，而 D-AlaPyr 在位点 2 的甲基将位于远离框架的位置。Zn(NO3)2·6H2O 与 L-H2AlaPyr 和 D-H2AlaPyr 反应生成[Zn2(L-AlaPyr)(D-Ala-Pyr)]，保留了空间群 R3c (图2a,b)的 ZnXPyr 框架，这表明对映体相对的连接体沿带状排列在连续的位置上，使它们具有镜像相关的构象。每个连接体现在只占据两个可能位点中最有利的位置，对两者都产生最佳的局部应变，因此有序的双连接体结构比分离成单连接体框架更受青睐。[Zn2(L-AlaPyr)(D-AlaPyr)] 中两个对映体二聚氨基氨基酸残基的排序产生了与 [Zn2(L-AlaPyr)2] 截然不同的孔隙几何形状，因为甲基侧链在同一多孔框架骨架上的不同空间位置以不同的方式进行了调节(图2)，从而改变了中央通道和外围孔洞之间的连接。在 [Zn2(L-AlaPyr)(D-AlaPyr)] 中，相邻的甲基碳原子之间的距离为 3.8 Å ，而在[Zn2(L-AlaPyr)2]中有两个这样的距离，分别为 2.3 Å 和 5.2 Å (图2c,d)。由此产生了两个空间，它们沿着一维孔道[Zn2(L-AlaPyr)2] 交替出现：在2.3 Å 的区域，孔洞两侧的甲基结合在一起，将通道与孔洞分隔开来，而在5.2 Å 的区域，中央通道与外围孔洞之间有一个连续的、无障碍的垂直连接（图2e）。在 [Zn2(L-AlaPyr)(D-AlaPyr)] 中，在沿孔洞的任何位置，只有一个甲基位于中央通道和孔洞之间，侧链在孔洞壁相对两侧的交替位置，根据 c 滑移传播，使通道和孔洞之间有连续的开放通道(图2f)。

       为了探索 ZnXPyr 框架上不同侧链顺序对两种不同孔结构中客体分子的位置和取向的影响，我们进行了液相客体交换实验，并对每个装载个体客体的 MOF 的结构进行了晶体学评估。之所以选择正己烷、均三甲苯、 1,5-戊二醇(1,5- pd)和 N,N-二乙基甲酰胺(DEF)作为探针是因为它们具有相近的化学性质、分子形状和大小，其动力学直径从 4.3 到 7.4 Å ，两种主体结构的孔隙收缩在 3.2 到 9.4 Å 范围内。正己烷是唯一在 [Zn2(L-AlaPyr)2]和[Zn2(L-AlaPyr)(D-AlaPyr)]中有序的客体，在材料的孔隙中分别表现不同的位置和方向。这证明了 [Zn2(L-AlaPyr)2] 和[Zn2(L-AlaPyr)(D-AlaPyr)] 中因甲基侧链的不同排列所产生的独特的孔隙几何形状对客体位置的影响(图3)。

       回顾图3中两种孔系统对正己烷的不同影响，本文对装载其他单个己烷异构体的 MOF 结构进行了实验晶体学评估。在 [Zn2(L-AlaPyr)2]中， 2-MP 客体在跨越通道和孔洞的位置上几乎垂直于孔隙方向，与正己烷在同一孔洞中的行为明显不同，而 3-MP 很无序以至于无法为其改进模型。因此 [Zn2(L-AlaPyr)2] 能很好地区分正己烷和 2-MP 的位置，但不能很精确地区分 2-MP 和 3-MP ，这与它的分离性能一致。相反，[Zn2(L-AlaPyr)(D-AlaPyr)] 在结构上将 2-MP 和 3-MP 排列在但不同的位点上。2-MP 位点类似于孔洞中正己烷的位点，但进一步倾斜到几乎垂直的方向，分支端位于中央通道，而 3-MP 位于孔洞入口附近，其分支甲基指向外围孔洞。[Zn2(L-AlaPyr)(D-AlaPyr)] 中这两个客体的明确的反映了其在分离方面优于[Zn2(L-AlaPyr)2] 的性能，强调了对 C6 客体定位的优越控制。

       综上所述， ZnXPyr 框架由一个中心通道和三个外围孔洞组成的三叶草形状的特征孔洞，可以有效分离己烷异构体，增强的性能来自于孔壁上侧链的规则排列，并且通过在这个共同框架上排列两个氨基酸(X)残基以产生不同的底物环境。当一个框架识别出不同的连接体构象时，选择性地定位仅侧链不同的连接体时，就会出现侧链顺序。相同的构象应变驱动的侧链顺序路径可以在包含多种构象的连接体主链中其他的 MOF 结构实现。通过附加基团来功能化连接体，可以创建具有不同应变能量的构象异构体，这将在共同框架上提供多个连接体及其附加侧链的顺序。

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