CH−π相互作用是一种微弱但重要的分子间作用力，广泛存在于多种生物与化学体系中。尽管已有大量研究通过X射线晶体衍射、光谱学、量热学以及理论计算等多种手段，为CH−π相互作用的存在提供了充分证据，但由于常被其他更强的非共价相互作用所掩盖，实验上精确测量这类弱相互作用仍具有挑战性。相较于宏观尺度的研究方法，单分子测量技术为在复杂环境中解析特定分子间作用提供了更为精准和灵活的途径。近年来，单分子技术已成功应用于氢键、σ−σ堆叠、π−π堆叠及主客体相互作用等的研究。尽管如此，对较弱的CH−π相互作用进行直接实验测量，至今仍存在较大难度。近日，中国科学院化学研究所的吴海臣课题组与西华大学刘蕾团队合作，在蛋白质纳米孔内构建了一种单分子交换系统，实现了对苯丙氨酸衍生物与脂肪族氨基酸之间CH−π相互作用强度的精确比较。
该团队此前基于突变体α-溶血素纳米孔，利用葫芦脲[7]与苯丙氨酸衍生物之间的主客体相互作用，成功构建了单分子交换系统，并在单分子层次上揭示了π−π相互作用的驱动机制。在本研究中，他们将该策略进一步拓展至另一类非共价相互作用——CH(sp3)−π相互作用的研究。纳米笼内建立的单分子交换系统，借助葫芦脲[7]实现结构稳定。通过将纳米笼内的苯丙氨酸衍生物替换为含脂肪族侧链的氨基酸，研究团队获得了关于C–H键与芳香环之间相互作用机制的重要见解。
图1. 用于检测CH−π相互作用的纳米孔单分子交换体系
基于结合强度的定量对比分析，研究团队发现CH−π相互作用主要由分散吸引力主导，且酸性更强的C−H键会增强CH−π相互作用——这两点均与文献报道一致。尤为重要的是，他们解决了关于氘代同位素效应对CH−π相互作用影响的长期争议，并证实氘形成的CD−π相互作用比CH−π相互作用更弱。
图2. CH−π相互作用的D/H同位素效应研究
这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是西华大学的研究助理任倩媛和中国科学院化学研究所博士后郝文英。
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CH–π Interactions Elucidated at the Single-Molecule Level
Qianyuan Ren, Wenying Hao, Lixia Wang, Ke Zhou, Lei Liu*, Hai-Chen Wu*
J. Am. Chem. Soc. 2025, DOI: 10.1021/jacs.5c12708
通讯作者介绍
吴海臣，中国科学院化学研究所研究员，国家杰出青年基金获得者。2005年在剑桥大学化学系取得博士学位，博士毕业后到牛津大学化学系从事博士后研究至2008年底，主要研究方向为纳米孔DNA测序和纳米孔技术在化学生物学中的应用。2009年至2016年期间任中国科学院高能物理研究所研究员，开展了基于纳米孔的生化分析方法研究。2017年1月至今在中科院化学所活体分析化学实验室工作，开展纳米孔单分子分析方法和单分子测序研究。在Nat. Methods, J Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun.等国际知名期刊发表论文60余篇。
https://www.x-mol.com/university/faculty/49877
刘蕾，西华大学副教授，2024年四川省天赋峨眉计划创新领军人才。2008年中国科学院力学研究所博士毕业。2008年7月至2024年07月在中国科学院高能物理研究所任副研究员，2024年作为创新型高层次领军人才被西华大学重点引进。一直致力于分析测量学领域的研究，建立和发展了一系列纳米孔单分子传感与检测的新方法和新技术。在有机小分子和生物大分子的高灵敏、特异性检测和蛋白质测序方面取得一系列具有重要意义的研究成果。近年来以第一作者或通讯作者身份在Nat. Nanotech., Nat. Methods, Nat. Commun., Nat. Protocols, Angew. Chem. Int. Ed.等杂志发表文章20余篇。主持国家自然科学基金面上项目3项，青年项目1项。
