多空腔金属配位分子容器主客体协同效应研究

The traditional coordination containers are of binary nature and possess only one cavity, which limit the scope of functionalities and approaches to engineering pore structures. The self-assembly of octahedral M4(μ4-O)(COO)4 or trigonal prism M3(μ3-O)(COO)4 sub-units, container molecules with tricarboxylate groups as the capping ligands, and dicarboxylate bridging ligands can afford a new prototype of molecular supercontainers, which feature novel dual-pore architecture meaning the presence of both endo and exo cavities. The cubic and lantern-shaped molecular supercontainers can be obtained when rigid linear or flexible dicarboxylate ligands are employed as the bridging ligands, respectively. The structural and functional modifications on the organic ligands will achieve the specific functionalization on the molecular supercontainers. The introduction of stimuli-responsive functional units will lead to the formation of “smart” supercontainers. The host-guest chemistry properties of the molecular supercontainers in the solution will be fully investigated. The mechanism of molecular selectivity, encapsulation and recognition, and binding cooperativity of supercontainers toward single or multiple guest molecules via the endo and/or exo cavities will be carefully established to further understand the influence and relation between the structural and functional modifications on supercontainers and the behaviors of guest molecules recognize, loading, delivery and release processes. We envision that a new family of biomimetic synthetic supercontainers feature the stimuli-responsive performance and specific binding recognition will be established, which will provide a new approach to simulating and understanding the cooperative behaviors of biologic systems by using the abiotic synthetic receptors built by supramolecular chemistry concepts.

传统分立配位分子笼具有单一空腔、二元组成的特点，限制了其空腔结构的高效可控调节及功能化。本研究将以M4(μ4-O)(COO)4或M3(μ3-O)(COO)4金属簇为结构基元，以具有空穴结构的有机三羧酸为盖帽配体，采用有机二羧酸为桥联配体，自组装构筑新颖的具有双重的独立内、外纳米空腔的超分子笼分子材料。分别采用刚性或柔性的桥联配体，可获得立方体构型和灯笼状构型的超分子笼；而通过对多元组分中的有机配体进行功能化修饰、引入具有刺激响应特性的官能团，可以实现超分子笼在分子及空腔结构、功能等方面的“智能”调控。通过主客体相互作用的系统研究探讨内、外双重独立纳米空腔对单一或多种客体分子的选择识别、包容及协同效应，以期获得具有良好的环境响应性、刺激释放和高的识别能力的具有协同效应的仿生超分子笼体系，为利用非生物主体分子通过化学手段模拟和研究生物体系中的协同作用提供新的思路。

具有特定空腔结构的配位分子笼化合物可以选择性束缚或包含具有特定大小、构型及官能团的客体化合物，从而实现在封装不稳定的化合物，促进化学转化，分子催化以等方面的应用，一直受到科学研究工作者的广泛关注。本项目开展了具有多元组分的、包含双重的内、外空腔结构的分立配位分子容器的结构功能设计和自组装合成，通过对配位分子容器各个多元组分的结构、功能进行修饰改性，利用吸收光谱、荧光光谱及核磁等滴定测试手段系统研究了配位分子容器的主客体化学，实现了其作为功能客体分子载体在小分子装载和分离、分子传感、电催化析氧、致癌代谢物检测、药物传输等方面的实际应用。项目实施过程中，取得了一系列非常有意义的研究成果，代表性成果包括：（1）采用吡啶嗡盐功能化修饰策略，创新性地构建具有分子内电子推拉体系的配位分子笼。利用独特的D-A电子结构、特殊的内空腔微环境、以及多核金属簇结构单元提供了多重可靠的金属活性位点，首次实现配位分子笼在高效稳定电催化析氧的应用；（2）采用酸碱-荧光响应双功能有机配体，首次构筑可作为质子受体的配位分子容器，表现出优异的质子结合能力和质子调控荧光开关行为，实现质子识别和荧光传感应用，为利用小分子“调节器”实现生物和化学领域中的质子传感和调控提供了新的思路；（3）利用4,6-位双羟基修饰的间苯二酸作为桥联配体，开发了一种具有良好的生物相容性、合适的分子尺寸和多重的客体结合位点的新型分立配位分子容器，通过主客体相互作用实现了多种药物分子逐级封装到内空腔和外空腔之中，成功构建了一种基于配位分子容器的靶向药物传递系统。系统开展了体外和体内生物实验，证实了该多药物共负载体系具有良好的生物相容性、细胞摄取能力、体外和体外的治疗作用，可以有效治疗颞下颌关节炎症。这些研究成果为开发配位分子容器在能源、生物等领域的应用的提供了一个确实可行的新研究思路。