【超分子】南科大蒋伟课题组Angew：包埋盐桥实现有机羧酸的水相识别- 大数跨境

X-MOL资讯

2020-11-07

导读：南方科技大学蒋伟课题组通过模拟生物受体的键合模式，将盐桥键合位点内植于深穴疏水空腔之中，设计合成了新型水溶性“萘管”结构，在水中实现了对有机羧酸的高强度、高选择性识别。

盐桥广泛存在于蛋白质的结构中，在蛋白质的结构特异性、分子识别和催化等功能方面起着重要作用。位于蛋白质表面的盐桥没有被屏蔽，易被溶剂化，作用力相对较弱；而包埋于蛋白质内部的盐桥，处在低极性环境下，相互作用较强。盐桥是非常重要的非共价相互作用，在超分子化学领域被广泛探索与研究。然而，已经报到的超分子体系通常使用的是非屏蔽的盐桥，而关于包埋盐桥的研究却屈指可数。羧酸是一类非常重要的功能性基团，广泛存在于生物分子和药物分子中。羧酸也是形成盐桥的重要基团之一。通过研究包埋盐桥，将有助于实现对具有生物或环境重要性的有机羧酸的选择性识别。

通过模拟生物受体的空腔特征，南方科技大学蒋伟课题组提出了“内修饰空腔”的研究理念（Acc. Chem. Res., 2020, 53, 198; Chem. Soc. Rev., 2020, 49, 4176），设计并合成了一系列具有自主知识产权的新型大环主体（Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 709; Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 7809; Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 15136; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 19945; JACS, 2019, 141, 4468; JACS, 2020, 142, 3306; Nat. Commun., 2020, 11, 2740），并将其命名为“萘管”（naphthotube），解决了“极性分子水相识别”的难题（JACS, 2018, 140, 13466; CCS Chem., 2020, 2, 1078），拓展了分子识别在环境分析（JACS, 2016, 138, 14550）、手性物质检测（JACS, 2017, 139, 8436; CCS Chem., 2020, 2, 440; Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202011566）、耗散自组装（Nat. Chem., 2019, 11, 470）等方面的应用。近日，他们通过模拟生物受体的键合模式（图1左），将盐桥键合位点内植于深穴疏水空腔之中（图1右），设计合成了新型水溶性“萘管”结构（图2a），在水中实现了对有机羧酸（图2b）的高强度、高选择性识别。相关工作发表于Angew. Chem. Int. Ed.。

图1. 具有盐桥键合位点的“内修饰空腔”的仿生设计。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

图2. (a) 仲胺萘管的化学结构；(b) 羧酸客体及相关化合物的化学结构。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

作者研究发现，包埋盐桥和疏水效应是有机羧酸选择性键合的主要驱动力。此外，客体上的其他官能团对键合选择性也有着重要影响。例如，萘管对客体4d和药物分子carbenicillin的键合常数达到了10⁵M^-1，而对类似结构的键合常数却相对较小，表现出了较高的选择性。作者还通过控制实验、单晶结构和DFT计算，阐明了包埋盐桥在有机羧酸识别中所起的作用，揭示了其热力学起源（主要为焓驱动）。鉴于萘管对羧酸的优异识别性能，作者还利用该识别模式进行了应用探索，实现了手性羧酸的手性光谱检测（图3a）和苯丙酮尿症标志物——苯丙酮酸的荧光检测（图3b）。