南开大学刘育团队Angew：生物燃料驱动的分级手性超分子转移容器

方案1 生物燃料驱动的分级手性超分子转移容器

在本文中，作者发现六阳离子三苯胺笼可以有效地封装客体ATP，通过强的结合亲和力来增强主体荧光，并形成可逆的热响应自适应手性超分子。此外，生物分子ATP可以在手性超分子容器中充当生物燃料，通过串联酶的催化作用实现分步调控的手性转移，并成功应用于信息加密。

图1 ( a ) H和TPA在25℃下的归一化紫外可见光谱和荧光光谱；( b ) ATP、( c ) ADP和( d ) AMP在25℃下的紫外可见光谱。

作者通过两步SN₂反应合成了六阳离子笼。具有富电子三苯胺单元和吸电子吡啶盐单元的六阳离子笼H表现出良好的光物理性质。与无环TPA相比，H的吸收峰出现在430 nm，发生了5 nm的蓝移，H的荧光信号蓝移至580 nm。H的QY也高于TPA，从1.6 %提高到6.5 %，表明笼子的三个亚甲基苯基桥的共价连接限制了三苯胺单元的振动和旋转，从而有利于发光。

受体H在水中表现出良好的发光性能，并且具有刚性的三苯胺单元和空腔结构，适用于识别底物。基于这一特征，作者通过UV - vis滴定实验考察了H与核苷酸的结合行为，在加入ATP后，H的特征吸收峰从430 nm红移至450 nm。根据450 nm处吸收峰的变化，作者测得H与ATP之间采用1：1的结合比，表观结合常数为5.37 × 10⁵ M ^{- 1}。加入ADP、AMP和腺苷( AD )后，H的吸收信号也分别红移至448 nm、440 nm和434 nm，存在较弱的结合亲和力。与H / ATP相比，AMP与H之间的结合常数降低了5.2倍，这是因为AMP具有较少的磷酸单元，因此不能像ATP那样提供足够的静电相互作用位点。特别是不含阴离子基团的腺苷与笼子的结合常数很弱，比H / ATP下降了106倍，表明该阳离子笼具有优异的选择性识别能力。

图2 ( a ) 25 ° C时，向H的D₂O溶液中加入ATP的¹H NMR谱图；( b ) 25 ° C时，ATP滴定H ( 0.01 mM )的ITC谱图。

随后，作者利用NMR和等温滴定量热( ITC )实验来研究笼子与核苷酸的结合行为。在向H的D₂O溶液中滴加ATP的过程中，ATP上对应的1，2质子吸收峰分别向高场移动，说明三苯胺笼包裹了ATP的腺嘌呤和核糖单元。同时，笼子的e，f质子吸收峰也发生了变化，表明ATP腺嘌呤基团与三苯胺之间的π - π和疏水作用，以及笼子空腔对ATP单元的屏蔽作用。ITC实验表明，结合过程是由电子互补和多非共价相互作用产生的焓驱动的，包括受体与ATP之间的静电、π - π、氢键和疏水相互作用。

图3 ( a ) 25 ° C条件下向H溶液中加入ATP的CD谱图；( b )在ATP存在下，H在465nm处的CD强度的变化；( c )在25℃下，加入ADP后，H的CD光谱；( d ) ADP存在下H在465 nm处CD强度的变化。( e )加热和( f )冷却条件下的CD图谱

在实验过程中作者发现，阳离子分子笼能选择性地将具有手性核糖单元的核苷酸封装。在加入ATP过程中，465 nm处CD峰增加，并在5.0 eq后达到平衡。在300 ~ 600 nm处出现的CD信号与H的UV - vis信号相对应，表明具有核糖基团的底物的手性转移到了主体上，形成了M旋转手性构象，计算得到圆二色谱的不对称因子( gabs )为+ 6.4 × 10 ^{– 4}。ADP也可以诱导非手性主体产生微弱的CD信号。然而，在H / AMP和H / AD中，在300 ~ 600 nm处观察到可忽略不计的CD信号，表明AMP和AD的手性不能有效传递给主体，进一步证实了强的主客体相互作用对于实现手性传递至关重要。与ATP相比，其他3种三磷酸腺苷(GTP、UTP、CTP)只能诱导H出现较弱的CD峰。GTP、UTP和CTP诱导的H的gabs分别为+ 1.1 × 10 ^{- 4}、+ 2.3 × 10 ^{- 4}和+ 5.2 × 10^-5。这些结果共同表明，超分子转移容器的手性性质可以通过结合亲和力来调节，实现对核苷酸选择性的手性响应。

具有三维空腔和π共轭芳香单元的六阳离子笼在封装ATP后形成的手性转移超分子容器，可以通过热和酶进行动态调节。随着温度从25℃升高到70℃，H / ATP的诱导峰465 nm逐渐降低，表明从ATP到笼子的手性转移被打断，这是由于手性超分子在热刺激下的解络合作用。然而，随着体系的冷却，自适应手性信号再次被观察到；因此，基于非共价相互作用的自适应手性超分子表现出热可逆的响应性能。

图4 ( a ) H / ATP与三磷酸腺苷双磷酸酶( AP )在25 ° C下的CD图谱；( b ) AP催化下ATP驱动的自适应手性转移超分子图解；( c ) 25 ° C下加入己糖激酶( HK )和葡萄糖( Glu . )的H / ATP的CD光谱；( d ) 25 ° C下H / ATP / HK / Glu .与AP的CD光谱；( e ) HK和AP串联催化ATP驱动的分级调节适应性手性转移超分子的示意图。

作者还以ATP为生物燃料，三磷酸腺苷双磷酸酶( AP )为催化剂，研究了酶响应的手性超分子。在AP存在的情况下，超分子的CD信号逐渐减弱，这意味着随着ATP的水解为AD和磷酸盐( Pi )，导致超分子失去适应性手性。随后加入ATP，在465 nm处重新诱导CD信号，表明手性超分子的出现具有可逆性。

除此之外，己糖激酶( HK )和AP的串联催化可以逐步调节自适应手性转移，从而实现可控调节的手性超分子。在HK的催化下，ATP的磷酸基团转移到葡萄糖( Glu . )上，得到ADP和葡萄糖- 6磷酸( Glu-6p )。因此，手性超分子在465 nm处的CD强度逐渐降低，并在20 min后达到平衡，这意味着手性转移减弱，形成了较弱的适应性手性超分子。在加入AP后，ADP被AP水解生成AD和Pi，体系的CD信号进一步降低至消失。然后，加入ATP后，CD信号在465 nm处重新出现，实现了HK和AP串联催化的可循环分级手性转移。这种独特的具有热和酶响应性的自适应手性超分子转移容器实现了手性超分子的可控分级调控。

综上所述，在本文中，作者以六阳离子三环笼为水溶性受体，ATP为生物燃料，构建了自适应手性超分子转移容器，这一结构具有良好的热响应性和酶响应性手性转移。由于具有刚性的三苯胺芳香单元，在有利的焓变驱动下，该笼可以有效地封装核苷酸，结合常熟为5.37 × 10⁵ M ^{- 1}。受体对手性核苷酸的强结合亲和力不仅可以有效地增强笼的发光性能，而且还能激活非手性主体，使其产生正的CD和CPL信号，实现从底物到三苯胺笼的有效手性转移。该超分子结构的自适应手性不仅能通过不同酶的串联催化实现逐级调控，还能在热刺激下表现出可逆的手性转移，使其成为具有不同手性性能的多态超分子。

Title: Biofuel-Driven Stepping Chiral Supramolecular Transfer Container

Authors: Jie Yu, Huijia Yu, Yugui Qiu, Heng-Yi Zhang, Xiufang Xu and Yu Liu*

To be cited as: Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202418938

DOI: 10.1002/anie.202418938