史上最大全有機結構籠狀分子，有望成為新型生物大分子運輸材料

基於有機骨架的籠狀分子由於其在分子選擇性分離與提純，反應催化，藥物釋放等領域的應用價值，一直是有機化學領域研究的熱點。近年來，受到生物體類具有巨大空心結構的組裝體的啟發，例如具有儲鐵功能的鐵蛋白，以及可以將內質網的物質送至高爾基體的COPII套體素等，有機化學家力求製備含有更大空腔結構的籠狀分子，以實現對生物大分子如蛋白質的包裹、運輸以及仿酶催化等仿生功能。一般而言，籠狀分子的製備依賴於結構基元之間的動態共價化學反應或者自組裝過程，然而在熵的作用下，這些基元往往傾向於形成較小的組裝結構。因此，含有超大空腔（直徑大於3nm）的籠狀分子的製備極具挑戰性，需要對基元的結構以及反應條件進行認真的篩選與優化。在2016年，東京大學的Fujita教授在《Nature》雜誌報導了一種由144個組分（48個金屬離子與96個配體）組裝而成的超大無機-有機分子籠（DOI: 10.1038/nature20771），但金屬離子的毒性阻礙了其在生物領域的應用。而迄今為止，完全基於有機結構基元並擁有超大空腔的籠狀分子還鮮有報導。

近日，來自韓國科學技術院（KAIST）的Mu-Hyun Baik教授與浦項科技大學的Kimoon Kim教授合作，報導了一種由12個卟啉環和24個連接組分所構成的超大籠狀分子。在無需模板的條件下，作者將四氨基修飾的卟啉環1與含有雙醛基的連接組分2以1:2的化學計量比相混合，通過一鍋法以17%的產率合成了籠狀分子3（圖1）。值得注意的是，分子2中兩個醛基基團之間的120⁰夾角決定了分子1和2之間可以形成P12L24型的籠狀結構，而兩個醛基基團之間的連接方式越短，越剛性則越有利於籠狀分子的形成。晶體結構表明籠狀分子3寬度超過5nm，而其內部空腔直徑達到了4.3nm（圖2）。作者提到，這是目前所報導的全有機結構籠狀分子中空腔尺寸最大的一個。

圖1. 一鍋法製備全有機骨架超大空腔籠狀分子

圖2. 圖示籠狀分子3a的晶體結構，以及這些籠狀分子以立方面心的堆積方式在三維空間排列。

在成功製備了這一基於卟啉環的超大籠狀分子之後，作者以雙羥基取代的萘衍生物的光氧化反應為例，對該分子的異相催化性質進行了探索(圖3)。實驗結果表明，與含有較小空腔的同系P6L8型的籠狀分子PB-1相比，籠狀分子3a更大的空腔尺寸促進了反應底物的傳質過程，從而展現出了更高的催化效率。

圖3. 籠狀分子可以催化光氧化反應：與對照化合物PB-1相比，含有更大空腔尺寸的籠狀分子3a展現出了更高的催化效率。

在證實了大空腔在催化體系中的優勢之後，作者對籠狀分子3的主客體化學進行了研究。利用卟啉環與金屬離子的配位作用，作者成功將一線性配體引入到3的空腔之中，從而展現了這類分子的空腔在合成之後仍然可以被進一步修飾和切割。總之，這些研究結果為未來探索這類分子在大分子遞送以及光捕獲化學領域的應用奠定了基礎，而作者表示下一步將著重研究具有水溶性，並且在生命環境內穩定的籠狀分子，以便於將其應用於生物體系中。這項研究以「Gigantic Porphyrinic Cages」為題即將發表於12月份的《Chem》期刊上。

來源：高分子科學前沿