正如读者所见图1（a）是我们在高中就介绍过的化合物——冠醚。冠醚可以通过中心带负电的氧原子所形成的空腔来选择性地吸附一些阳离子。比如图1中的18-冠醚-6可以特异性识别并吸附半径在260pm~320pm的离子，如钾离子等。通过这种化合物可以实现将溶液中钾离子与其他离子分离。图1（a）.18-冠醚-6的分子结构示意图，使用xtb软件[1]的GFN2-xtb方法[2]在GBSA隐式溶剂模型[3]下进行优化，并使用可视化软件VMD[4]来观看分子结构(若无特殊说明下面各图都采用这种优化与观看方式)（图源自作者）（b）.杯[8]芳烃吸附碳60时的分子结构示意图(图源自作者) (c). [5]中分子笼上的亚氨基与二氧化碳的加成反应的过渡态(图源自参考文献[5])（d）.结合了一分子水与两个锂离子的分子机舱1(复合物结构来源于CCDC数据库[6]，图源自作者)图1(b)则是另一种化合物--杯酚，这种化合物可以通过中心空腔上的羟基对物质进行吸附。如图中的杯[8]芳烃可以特异性吸附碳60从而可以用于碳60与碳70的分离。如今还有许许多多的超分子被用作物质的特异性识别，其作用机理是大多是靠一些弱相互作用从而达到对一些分子进行选择性的吸附/脱附。近年来，一类超分子化合物因其独特而稳定的结构以及多样的功能，引起了研究任意的广泛关注，这类化合物被称为“分子笼”(又称“分子监狱”)。由于其独特的物理化学性质，分子笼已被广泛应用于催化，分离，生物医疗等领域。例如，最近在CCS杂志上发表的一篇文章报道了一种用于吸附二氧化碳的分子笼。该分子笼的表面含有许多亚氨基，通过亚氨基与二氧化碳的加成反应捕获二氧化碳，并可通过脱羧反应释放二氧化碳[5]，反应为一步反应，过渡态如图1(c)所示。此外，最近在JACS上发表的另一篇文章中，研究人员报道了一种能够捕获水分子的分子监狱。文中描述了将水分子与两个锂离子“关押”在分子监狱中，如图1(d)所示。该结构使水分子表现出一些在常规条件下难以观察到的性质，例如水分子在此环境中可作为卤键的受体[7]。
初步了解这些形形色色的超分子化合物之后，问题也随之浮现，我们应该如何运用它们的特性。化疗是目前治疗癌症的主要方法之一，但是化疗药物在杀死癌细胞的同时也会杀死正常细胞，杀敌一千自损八百，存在很大的副作用。如果能用一些方法将有细胞毒性的药物定点运输到指定部位，并杀死癌细胞，这样就能大幅度减少化疗的副作用，从而加大癌症病人的存活率。而分子监狱的性质恰好符合。去年就有研究人员报道了一种能将有细胞毒性的砷酸根离子给‘囚禁’住，从而使其失去细胞毒性的新型化合物——超蕃1,如图2所示。该研究表明了分子监狱可以很好的把内容物与外界分割开，从而避免了砷酸根离子的直接释放，大大减少了砷酸根离子的细胞毒性，从而减少了药物对正常细胞的误伤[8]。图2.囚禁砷酸根离子后的超蕃化合物分子结构示意图(分子结构来源于CCDC数据库[6]，图源自作者)也有研究者利用了分子笼的稳定性，构建了一系列稳定的带多个正电荷的刚性塔形分子笼——塔笼（Purgos[n]caegs）[9]。由于其表面能够均匀分布大量正电荷并且可以保持分子自身的稳定，所以这类塔笼分子表现出了很强的杀菌能力。这类分子与细菌的细胞膜和DNA的负电区域有着很强的静电相互作用，通过破坏细菌的细胞膜结构并干扰细菌的代谢以达到杀菌的目的。还有研究者利用分子笼能客体与外界隔绝的特性，将过渡金属团簇给封装到了笼内[10]。这种做法既保留了团簇的大部分催化位点，又可以限制金属团簇的生长，防止团簇的聚集，还能把金属团簇分散在溶剂中，增大团簇与底物接触机会，大大提高了催化剂的活性与稳定性。图3. 传统和新型抗菌剂的说明性结构及其作用机制。(A) AMP 和超分子大环类抗菌剂和 (B) 塔笼类抗菌剂。(C) 塔笼体外和体内杀死金黄色葡萄球菌的拟议机制 [9]图4. (a) 水相中由 I-Cage–Cl（Cl 作为抗衡离子）稳定的金属团簇的合成方案。(b) I-Cage–X封端的金属团簇在水相和乙酸乙酯相之间进行阴离子交换驱动的相转移[10]
但是我们马上就遇到了一个比较大的问题：把分子关进监狱之后，该怎么把它们释放出来？我们能不能给监狱安一扇门，在运载过程中把门关闭，等到监狱运载到目的地的时候再将其打开？一个比较可行的方法就是用光，或者说是用电磁波。如果有这么笼子上有这么一个开关，用第一种光一照就打开，再用第二种光一照就关闭。通过不同光的照射来控制门的打开与关闭，这是一种比较理想的方法。所幸的是正好有这样的门。一个比较常用的‘门’就是一种在高中就提到过的稠环化合物——蒽(图5(a))。图5.a.蒽单体的分子结构示意图（图源自作者）b.蒽的二聚体的分子结构示意图（图源自作者）蒽是一类稠环芳香烃。蒽有一个比较有趣的反应就是在大约365nm波长的光照射下两个平行的蒽分子之间会发生二聚化，生成一个蝴蝶状的分子(图5(b))；而在254nm波长的光照射或者是加热条件下二聚体又会发生解聚反应[11]，所以可以通过蒽分子的这种特性来控制分子的吸附与释放。作为最常用的分子开关之一，这里有必要对蒽单体的二聚与解离机理做一下详细说明(至于其他更复杂的蒽衍生物的光反应机理，见参考文献[11])。图6. 蒽二聚过程的激发态势能面的示意图 [11]如图6所示，两个蒽单体结合成蒽二聚体这一过程有两种可能的途径，一种是一个蒽单体吸收一个光子，跃迁到S1态的FC点，再与另外一个蒽单体弛豫，形成激基缔合物E，再通过一个势能面交叉点，到达避免交叉点P，最后通过非辐射跃迁回到基态，生成蒽二聚体A2。另一种可能的路径是两个处于T1态的蒽单体弛豫到P点后直接通过非辐射跃迁回到基态，形成二聚体。蒽二聚体解离成两个蒽单体的路径与二聚路径类似，也是有两种可能的解离方式。如图7所示，在高温(293K)时，蒽二聚体在吸收一个光子后主要是通过弛豫到避免交叉点Xs或者是弛豫成激基缔合物(A*A)后再逐步解。在低温(77K)时，蒽二聚体在吸收一个光子跃迁到S1态后主要是通过系间穿越到达T1态后再逐步解离。如果我们把之前的冠醚给接上这个开关(图8)，会发生什么呢？图8.将冠醚与蒽结合到一起的假想物质（图源自作者）虽然我们不能直接合成这种化合物，但我们可以使用一些计算软件对这种化合物进行模拟。我们使用了开源量子化学计算软件Orca[10]的MD模块结合了GFN2-xtb方法对该体系进行了Metadynamics[13]模拟，结果如图9，图10所示。图10.开关处于开启状态时的MD轨迹(图源自作者)我们会发现在二聚化的时候，在6个皮秒内钾离子并不会脱离冠醚的控制，而在解聚之后，冠醚会很快的开环，钾离子会直接暴露到周围溶剂环境中，然后中间的钾离子就有可能因周围的溶剂水的吸引而发生脱附。这些计算结果表明，我们可以通过控制蒽分子的二聚反应及其逆反应来控制分子的吸附与脱附，而使用不同波长的光的照射就可以很容易地控制这个开关的打开与闭合。
文中所构建的模型虽然粗糙，与实际问题中的复杂情况有着一定差别，但是对于复杂问题的探索也是从理想化的模型开始，对于可控分子笼的探索与研制，依旧是世界前沿的高难度科研问题。该模型的构建与笔者对该问题的思考，所希望的是能够起到抛砖引玉的效果，在看完本文章后，如果你对该领域产生了兴趣，超分子化学的大门将为你敞开。[1]Bannwarth, C.; Caldeweyher, E.; Ehlert, S.;
Hansen, A.; Pracht, P.; Seibert, J.; Spicher, S.; Grimme, S. Extended tight-binding quantum chemistry
methods. WIREs Comput. Mol. Sci., 2020, 11, e01493.[2]Bannwarth, C.; Ehlert, S.; Grimme, S. GFN2-xTB—An Accurate
and Broadly Parametrized Self-Consistent Tight-Binding Quantum Chemical Method
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Chem. Theory Comput., 2019, 15 (3),
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Implicit Solvation Model for Fast Semiempirical Methods. J. Chem. Theory
Comput., 2021, 17, 4250-4261[4]Humphrey, W.; Dalke, A.; Schulten, K. VMD: Visual
Molecular Dynamics. J. Molec. Graphics, 1996, 14, 33-38.[5]Li, A. M.; Liu, Y. C.; Luo, K.; He, Q. CO2 Capture in Liquid Phase and Room-Temperature Release
and Concentration Using Mechanical Power. CCS Chem. 2024, 0, 1-13.[6]Groom, C. R.; Bruno, I. J.; Lightfoot, M. P.;
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system-Version 5.0. WIREs Comput. Mol. Sci., 2022, 12, e1606.[13]Laio,
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99(20), 12562–12566.
该科普论文的选题很好，主要科普了分子“牢笼”的作用、优势和应用。整体来说比较有趣，但是也存在一些写作上的问题，需要进一步完善：1. 引言部分应该精简，主要说明这种“牢笼”分子的存在，以及一些简单的用途，为下文它的应用做铺垫。合并引言中三张图为一个fig。2. 在应用中，应该详尽的说明多个方面的应用及优势，而非只写作一个化疗。3. 在洗脱附机理的说明中，应该切中要害，详细的说明其在某些应用中的最重要的机理。4. 全文检查语言写作，尽可能的减少口语化的表达。作者邮箱：zhouzijie@hnu.edu.cn
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