生物分子识别的共同特征是与结构相似的底物精确结合。然而，用合成主体实现这种选择性可能非常具有挑战性，尤其是在区分底物细微差异方面。在此，南华大学杨刘攀、王力立教授和University of Manitoba的Georg Schreckenbach教授设计了一种新颖的策略，该策略涉及组合不同的刚性骨架来调整腔内识别位点之间的距离，从而可以高度选择性地识别氢键互补底物，例如4-色满酮。X射线单晶结构和密度泛函理论计算证实，刚性腔内内官能化基团的距离对于通过氢键实现高结合选择性至关重要。热力学数据和分子动力学模拟揭示了疏水腔对结合亲和力的显著影响。新受体具有高选择性和高亲和力，为定制受体的设计提供了有价值的见解。这篇文章于2023年以“Precise
recognition in Water by an Endo-Functionalized Cavity: Tuning the
Complementarity of Binding Sites”为题，发表于Angewandte Chemie (IF=16.1)上。生物受体通常具有精确的结合位点，可以选择性识别具有细微结构差异的底物，而这些细微结构差异对于维持正常的生物活性至关重要。了解控制这种选择性识别的机制可以大大增强对生物过程的掌握，并有助于药物设计。例如，金黄色葡萄球菌的N-H基团突变为氧原子，导致万古霉素对细菌肽链的亲和力降低1000倍，从而产生抗生素耐药性。生物受体对底物的高亲和力和选择性源于其特定的结构和化学性质：a）受体内的疏水口袋通常具有裂隙或空腔形状，为结合底物提供了有利的环境；b）腔内向内极性或带电氨基酸残基的精确排列可以通过氢键和其他相互作用与底物上的极性或带电基团有效地相互作用。受生物受体的启发，许多合成主体被设计成在水中实现高亲和力的分子识别。一般来说，疏水效应被认为是实现高结合亲和力的关键因素，一些具有疏水腔的大环主体已表现出卓越的分子识别能力。然而，由于疏水效应的各向同性，这还不足以实现高度选择性的识别。定向非共价相互作用，如氢键和盐桥，通过赋予特定的方向和互补性（角度和距离）来决定结合选择性，从而允许在主体-客体复合物形成中具有高选择性和特异性。例如，具有许多极性结合位点的Davis葡萄糖受体对D-葡萄糖表现出显着的亲和力（Ka≈18000 M-1），而其他糖类由于功能团排列和可用性的差异而表现出较弱的结合亲和力（大约低100 倍）。值得注意的是，Flood的C-H氢键笼可以选择性识别水中的氯离子，且亲和力为阿摩尔，而对其他卤素离子则不敏感，这仅仅依赖于多个合适的C-H···Cl氢键。除此之外，还有一些其他受体可以选择性识别水中的特定客体，在传感器、离子载体、萃取剂等方面有广阔的应用前景。尽管合成受体在选择性识别方面表现出良好的前景，但通过水中定向非共价相互作用实现受体选择性的精确控制并准确预测其对结构相似底物的选择性仍然具有挑战性。据作者所述，目前还没有关于通过定制人工受体区分水中结构相似的客体的研究。为了精确识别结构相似的底物，定向非共价相互作用应与刚性腔相结合。此外，刚性骨架的结构应该是可替换的，以使受体和底物的极性结合位点能够互补（如图1所示）。![]()
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1. A schematic representation of the selective recognition of specific
molecules by regulating the distance of binding sites in an endo-functionalized
cavity.
图1.通过调节内功能化腔中结合位点的距离来选择性识别特定分子的示意图。
在作者之前的研究中，他们报道了几种利用刚性双萘裂缝构建的基于萘酚的大环主体，称为萘管。水溶性酰胺萘管1a和1b（如图2a所示）对结构相似的有机分子表现出明显的选择性。例如，它们对1, 4-二氧六环（>104 M-1）的结合亲和力明显高于1, 3-二氧六环（210 M-1）。最近，作者开发了一种基于弯曲蒽二聚体的新型仿生主体2（如图2b所示），用于选择性识别醌。值得注意的是，这两种刚性骨架均可用于构建深腔，但两种骨架的开口大小和宽度在一定程度上有所不同（如图2a、2b所示）。作者推测将这两种刚性骨架结合起来可以调整腔内N-H键之间的距离。这可能有助于识别尺寸介于二氧六环和醌之间的分子，例如吡喃酮，因为改变的距离可以调整内官能化的N-H键和吡喃酮之间的氢键。在这里，作者报道了一对基于双萘裂解和弯曲蒽二聚体的混合酰胺管3和4（如图2c所示）。3c和4c腔中两个N-H键之间的距离介于1a、1b和2之间（如图2d所示）。因此，这些混合酰胺管由于能够形成强氢键而表现出对尺寸匹配的有机分子（如4-色满酮和邻苯二甲酰亚胺）的选择性和有效识别。![]()
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2. The chemical structures of (a) rigid bisnaphthalene cleft, host 1a and 1b,
and (b) bent anthracene dimer, and host 2. (c) Chemical structures of the new
hybrid amide tubes 3 a–3c and 4 a–4 c. (d) Comparison of distances between two
H atoms (N-H bonds) in the cavities of water-soluble hosts with
energy-minimized structures and a comparison of the distance of
hydrogen-bonding acceptors for the optimal guests of each host.
图2.（a）刚性双萘裂隙、主体1a和1b以及（b）弯曲蒽二聚体和主体2的化学结构。（c）新型混合酰胺管3a–3c和4a–4c的化学结构。（d）比较具有能量最小化结构的水溶性主体腔体中两个H 原子（N-H键）之间的距离，以及比较每个主体的最佳客体的氢键受体距离。
环化前产物的制备方法已有报道，通过采用类似于酰胺萘管的大环化方法，并采用同时构建策略，成功合成了混合酰胺管。由于二酸和二胺位于不同的刚性骨架上，分别得到了两种不同的混合管3（产率3a：36
%和3b：35
%）和4（产率4a：33
%和4b：38
%）。水解3b和4b的酯基侧链，分别得到水溶性主体3c和4c。这六个大环主体通过1H
NMR、13C
NMR和HRMS光谱法进行表征。由两个萘亚基和两个蒽亚基组成的新主体有望显示蓝色荧光。在水中对3c和4 c进行了紫外/可见光和荧光实验。结果表明，3c和4c的吸收光谱相当，范围从300
nm到420 nm，最大吸收带出现在约356
nm、374 nm 和396
nm。此外，3c和4c的最大激发波长分别确定为436
nm和452 nm。进一步进行了实验，以研究水溶性主体3c和4c在水溶液中的溶解度。通过核磁共振光谱和紫外光谱确定3c的临界聚集浓度（Critical
Aggregation Concentration: CAC）为1.25
mM。该浓度使得能够使用常规方法研究3c的主体-客体特性。然而，核磁共振光谱和荧光光谱均显示4c的CAC非常低，仅为0.04
mM。4c在水中有明显的聚集趋势，4c在甲醇中的溶解度可以提高。但总体而言，由于4c的CAC低，因此很难研究其在水中的分子识别特性。由于3c和4c之间的结构差异很小，而且3c的20号质子发生了显著的高场位移，人们推测同型二聚体的形成是通过疏水效应和CH···π相互作用与两个3c/4c分子自缔合而发生的，而这些相互作用是由3c/4c的刚性双萘裂隙轻微变形引起的。然而，4c中刚性双萘裂隙附近存在亚甲基，这增强了其柔韧性，使其比3c更容易聚集。密度泛函理论(Density Functional Theory: DFT) 计算支持同型二聚体中存在分子间相互作用，与两个单个分子相比，其能态更有利。考虑到4c在水中的聚集，只有3c的质子可以通过2D
NMR光谱法归属，后续研究仅集中于3c的分子识别能力。刚性双萘裂缝和弯曲蒽二聚体的开口大小和宽度不同，导致新主体3和4中内功能化的N-H键之间的距离会因这些刚性骨架的约束而发生变化。利用DFT计算获得了三类水溶性主体的能量最小化结构。随后测量了这三类主体腔内两个N-H键之间的距离，结果显示其顺序为1a≈1b<3c≈4c<
2（如图2d所示）。3a和4a的单晶结构进一步证实，调控刚性骨架的结构可以有效调节结合位点之间的距离。如图3所示，3a和4a中的N-H键均向内朝向边界清晰的腔体。3a和4a腔内两个N- H键之间的距离分别为7.65
Å和7.54 Å，这些值与之前的计算一致，表明腔内N-
H距离有1 Å的微小变化。此外，还获得了3a在正己烷/CH2Cl2中，3b在丙酮/CH2Cl2中，以及4a在丙酮/CH2Cl2中的晶体结构，进一步证实了主体结构的真实性。这些晶体结构表明溶剂分子可以通过形成弱的非共价相互作用（例如氢键）驻留在这些主体的腔内。这些结果表明主体能够包覆客体。此外，主体3和4均具有深度疏水腔（约8
Å，如图3所示），这有助于通过疏水效应识别客体分子。![]()
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3. Top view and front view of X-ray single-crystal structures of (a) 3a (in
acetone/CH2Cl2) and (b) 4a (in methanol/CH2Cl2).
Solvent molecules are omitted for clarity.
图3.
(a) 3a（在丙酮/CH2Cl2中）和 (b) 4a（在甲醇/CH2Cl2中）的X射线单晶结构的顶视图和正视图。为清晰起见，省略了溶剂分子。
内功能化的主体分子腔内有两个氢键供体，因此选取一系列具有双氢键受体的中性客体来研究识别选择性（如图4a所示）。4-色满酮（7）作为黄酮类化合物的核心结构之一，广泛存在于许多天然产物中，常被用作药物设计的构建基块。因此，设计一种能够选择性识别4-色满酮而非其他类似物的大环主体分子具有十分重要的意义（如图4a所示）。主体分子3c具有深疏水腔，腔内识别位点的距离可得到很好控制。这些识别位点可用于与4-色满酮形成强氢键。![]()
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4. (a) Chemical structures of the guests involved in this study. (b) Partial 1H
NMR spectra (500 MHz, D2O, 0.5 mM, 25°C) of 3c(bottom), the
equimolar mixture of 7+8+3c (top), and 7@3 c and 8@3 c (middle).
图4.（a）本研究中涉及的客体的化学结构。（b）3c（底部）、7+8+3c的等摩尔混合物（顶部）以及7@3c和8@3c（中间）的部分1H NMR 光谱（500
MHz，D2O，0.5 mM，25°C）。
研究3c对这些客体在水中的结合亲和力。当3c与客体以1:1的比例在D2O中混合时，主客体信号和客体信号均发生了显著变化。图4b显示了当等量的7和8分别添加到3c时3c的NMR信号变化，质子14出现明显的上场偏移。此外，客体信号发生显著的上场偏移或消失，表明它们被封装在3c的深腔内。这些结果表明客体和3c之间发生了有效结合，支持主客体复合物的形成。为了进一步证实主体的识别选择性受到调控，分别测量了三类主体（1a、1b、2和3c）与这些客体的亲和力。所有结合常数均通过等温滴定量热法(ITC) 滴定法确定，并列于表1中。ITC实验支持所有客体和主体的1:1结合化学计量法。一般而言，腔内内功能化结合位点的距离有效地决定了对特定客体的识别选择性。腔体较小且结合位点之间距离较短的主体1a和1b由于形成了合适的氢键而表现出对客体5的选择性识别。然而，随着客体两个氢键受体之间的距离或方向发生变化，主体与客体6–11之间的结合亲和力会降低，这可能主要由疏水效应驱动。对于结合位点之间距离较长的主体2，客体8被认为是最佳客体（Ka=1.9×106M-1），因为它具有互补的几何形状和尺寸，可以有效地与主体2中的氢键位点相互作用。此外，主体2 对几乎所有客体都表现出强大的结合亲和力，Ka>105 M-1。尽管如此，这种高亲和力可能导致对结构相似的底物缺乏特异性和选择性。根据作者的设计，他们观察到3c与客体7之间的亲和力比具有类似结构的客体更高。具体而言，7的缔合常数比5高6.3倍，比8高18倍。为了确认主体3c对7而非8的特定选择性，进行了NMR竞争实验。将7、8和3c的当量混合后，发现三元配合物的信号与7@3
c的信号一致，证实了3c对7的高选择性（如图4b所示）。然而，归因于客体8的信号消失了，表明在NMR时间尺度上客体8的交换速率可能为中等。同样，对于相同的平面结构，色原酮6的缔合常数高于8。与7相比，五元环苯并呋喃酮9仅少一个亚甲基，亲和力降低了6倍。环酯10与3c只能形成一个氢键，导致其结合亲和力相对于7下降了210倍。相比之下，1a和1b对7和10的选择性都很低，而2对7的选择性仅比10高8倍。这凸显了合适的氢键对识别选择性的关键作用。此外，由于合适的氢键长度和较强的疏水效应，N-甲基邻苯二甲酰亚胺11（Ka=2.4×105M-1）及其衍生物沙利度胺12（Ka=4.0×106M-1）与3c的结合常数也较大。相对而言，当主体3c与12结合时，疏水效应更加增强，与11相比，其结合亲和力更强。表1：通过 ITC 滴定测定的1a、1b、2 和 3c 与中性客体的结合常数（Ka，M-1 ），以及 3c 与客体在 25°C 水中的热力学参数（ΔGo，kJ/mol；ΔHo，kJ/mol；-TΔSo，kJ/mol）。数据取自两次或三次独立滴定的平均值，结合常数的标准偏差显示在括号中。[b] 这些结果之前已经报告过。[19b,20][c]这些结合常数太低，无法测量。
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从ITC滴定中获得的热力学数据为结合机制提供了有价值的见解（如图5和表1所示）。通常，三种类型的主体与几乎所有客体的结合主要由焓驱动，具有轻微的有利或不利的熵贡献。这种现象在每种类型的主体的最佳客体中尤为明显，其中焓始终是最有利的，尽管熵的贡献可能同样不利。例如，3c和7之间的结合显示出有利的焓贡献-40.1
kJ mol-1，这是所有其他类似物中最高的，这可能是由于3c和7之间在水中最适合的氢键以及强的疏水效应造成的。此外，三种主体类型的结合数据显示了弱的焓熵补偿（如图5所示）。有趣的是，同一种客体在与不同类型的主体结合时表现出不同的熵贡献，这表明这三种类型的主体之间存在显著的结构差异。例如，客体7在与主体2结合时表现出有利的熵，而与主体3c结合时则表现出略微不利的熵贡献。这种差异可能是因为与主体3c相比，主体2的腔体更坚固、边界更清晰。![]()
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5. Thermodynamic data (ΔH° and TΔS°) for the binding of guests with 1 a (pink
triangles), 1b (black diamonds), 2 (red dots), or 3c (blue squares).
图5.客体与1a（粉色三角形）、1b（黑色菱形）、2（红色点）或3c（蓝色方块）结合的热力学数据（ΔH°和TΔS°）。
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6. X-ray single-crystal structures of (a) 5@3 a, (b) 6@3a, (c) 7@3 a, and (d)
11@3a. Green dotted lines indicate the C-H···π and hydrogen-bonding
interactions.
图6. （a）5@3 a、（b）6@3a、（c）7@3a和（d）11@3a的X射线单晶结构。绿色虚线表示C-
H···π和氢键相互作用。
X射线晶体学可以提供证据来阐明主客体之间非共价相互作用的差异。尽管有几次尝试在水中生长主客体复合物单晶，但这种努力都没有成功。幸运的是，通过将正己烷扩散到CH2Cl2中，已经获得了几种合适的主客体复合物晶体结构（如图6所示）。这些结构表明客体分子可以完全封装在3a的腔内，并且可以清楚地观察到3a和客体之间的两个N-H···O氢键。例如，在复合物7@3a中，7中的Ar-O-CH2氧原子与3a中的N-H基团形成氢键，键角为173°，键长为1.9
Å。此外，7中的酮氧与3
a中的另一个N-H基团形成另一个氢键，键长为2.3
Å，键角为156°。同时，还观察到多个C-
H···π相互作用（如图6c所示）。相对而言，3a与5形成的氢键距离更长（2.3
Å），不利角度更多（160 °），稳定性低于3a和7（如图6a所示）。在平面分子6和11形成的复合晶体中，3a的构象略有扭曲，除了氢键之外，还实现了额外的C- H···π相互作用（如图6b、6d所示）。这些结果表明，7与3c具有比6更有利的氢键距离和角度，从而解释了主体3c对7的结合亲和力明显高于6。此外，仔细分析6@3a和11@3a的晶体结构后发现，3a的扭曲构象主要来自双萘裂隙部分的扭曲，这可能表明双萘裂隙比弯曲的蒽二聚体更灵活。因此，当二胺位于双萘裂隙侧时，会导致4c相对灵活并容易在水中聚集。此外，还获得了7@4a的合适晶体结构，其也表现出与7@3a中发现的类似的氢键和CH···π相互作用。这表明，尽管4c倾向于在水中聚集，但它也可能能够与这些客体结合。虽然3c对客体7表现出了独特的选择性，但值得注意的是，与3c相比，主体2通常表现出更优异的分子识别能力。此外，3c的分子识别能力比1a和1b都好。这些主体中的N-H键作为调节客体选择性的氢键位点。然而，主体与客体的有效结合很大程度上取决于其腔体的结构。具体而言，三种主体之间的结合亲和力差异与其腔体的疏水效应密切相关。 因此，进行了分子动力学(Molecular Dynamics: MD) 模拟，以研究这些水溶性主体腔内的水分子行为。先前的MD模拟表明，与本体水相比，1a和1b中的腔内水分子具有较少的氢键。因此，它们在络合时释放在能量上是有利的。在本研究中，对1a、1b、2、3c和4c进行了MD模拟，有或没有客体7。结果表明，主体2的腔内水分子数量最多，约为5.8个水分子（如图7a所示）。紧随其后的是3c（如图7b所示）和4c，分别有5.4个和5.5水分子。相反，1a和1b的腔内水分子最少，分别约为3.5和3.6个。腔内每个水分子的平均氢键数为2.1至2.3，明显低于本体水（3.62）。值得注意的是，由于主体2的腔体较大，腔体中的水分子更倾向于与其他水分子形成分子间氢键，而不是腔体中的N-
H键。释放到本体中后，这些腔体水分子可以形成更多的氢键。因此，这些弱氢键腔体水分子的释放是客体结合的主要驱动力。这些结果证实了主体腔体的疏水性以及腔体水分子与本体水相比的更高能态。MD模拟还表明客体7可以有效取代大部分腔体水。然而，2、3c和4c的腔体水数量非常相似，这无法解释7对2的亲和力高于3c。此外，通过模拟获得了2和3c的腔体形状。2的腔体形状比3c的腔体形状更平坦且轮廓分明，为客体7提供了更好的拟合度（熵贡献），这强调了疏水腔体大小和形状在决定结合亲和力方面的重要性。总体而言，合成受体分子识别的亲和力和选择性之间似乎存在着拉锯战。一方面，实现完美的疏水腔会对几乎所有客体产生较强的结合亲和力，但会降低N-H键提供的氢键位点的识别贡献，这将影响识别的选择性，就像在主体2中一样。另一方面，优异的氢键选择性往往会导致整体客体结合亲和力较弱，例如1a和1b。 从这个角度来看，混合酰胺管3c结合了两种方法的优势：它保持了与客体的高结合亲和力，同时提高了对客体的选择性。生物受体对底物的高亲和力和选择性源于其特定的结构和化学性质，受生物受体的启发本文作者通过组合不同的刚性骨架来调整腔内识别位点之间的距离，从而合成了具有高选择性和高亲和力识别氢键互补底物新受体，并可通过更换刚性骨架合成新受体，这为定制受体的设计提供了有价值的见解并且有助于药物设计。
个人简介：
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金羽冲，20岁，江苏南通人；
邮箱：1730075877@qq.com;
学习及工作经历：2022.09~2026.06 本科生 西华大学化学专业
