苏州大学攻关JACS!簇介导策略让分子笼实现20种构象切换

一、核心信息汇总表

文章标题 Conformationally Adaptive Molecular Cages Enabled by Metal Cluster-Mediated Assembly
DOI https://doi.org/10.1021/jacs.5c17947
发表期刊 Journal of the American Chemical Society (JACS)
接收时间 2025年10月18日
修订时间 2025年11月26日
接受时间 2025年12月1日
发表时间 2025年12月5日
第一作者 Zheng Zhang、Yun-Hu Deng（共同一作）
通讯作者 Jian-Ping Lang
通讯作者单位 苏州大学化学化工与材料学院；中国科学院上海有机化学研究所金属有机化学国家重点实验室；南京大学化学化工学院配位化学国家重点实验室
主要作者单位 苏州大学化学化工与材料学院
研究亮点 提出簇介导构象组装（CMCA）策略，通过金属簇与柔性配体构建自适应分子笼，实现20种离散构象的精准调控，DFT计算揭示近简并能量图景支撑动态构象转换

二、研究背景与核心目标

天然大分子通过多重构象态实现复杂功能，但在合成体系中复制这种适应性仍是核心挑战。传统合成有机构象组装体（OCAs）常以动态 ensemble 形式存在，难以分离表征单一构象，而生物构象组装体（BCAs）能通过弱相互作用选择性稳定功能构象。

金属簇兼具结构刚性、多功能性和刺激响应性，为稳定瞬态构象、实现可逆构象转换提供了新思路。基于此，本研究提出簇介导构象组装（CMCA）策略，旨在通过金属簇与柔性配体的协同作用，构建具有刺激响应动态特性的自适应分子笼，阐明构象多样性的起源及调控机制，为分子识别、响应材料和超分子调控领域提供新的设计原理。

三、密度泛函理论（DFT）计算内容详解

（一）计算体系与基础设置

本研究的DFT计算聚焦于簇介导构象组装体（CCAs）的构象特性，核心计算体系包括：柔性芳基硫醚配体（bpmb）的四种构象（Z₁、Z₂、U₁、U₂）、由两个[TpWS₃Cu₃]²⁺簇（Tp=三(3,5-二甲基吡唑基)硼酸盐）与三个bpmb配体桥连形成的8个主要几何家族的CCA构象。

计算采用ORCA 5.0.3量子化学软件，基于晶体结构进行几何优化，优化水平为M062X-D3/def2-SVP，辅以def2/J辅助基组降低计算成本；对钨（W）和碘（I）原子采用相对论有效核势（RECPs）描述。单点能量计算在M062X-D3/def2-TZVP水平进行，结合SMD溶剂化模型，分别考虑丙酮、DMF、二氯甲烷和乙腈四种溶剂环境。利用Multiwfn 3.8软件分析相互作用能（包括IGMH相互作用）和静电势（ESP），通过VMD软件进行可视化和数据导出。

（二）配体与组装体构象能量分析

通过DFT计算揭示了bpmb配体及CCA组装体的能量特征：

1. bpmb配体构象：四种构象（Z₁、Z₂、U₁、U₂）能量差异极小，Z₂和U₂仅比Z₁和U₁稳定0.0017 kcal·mol⁻¹和0.0053 kcal·mol⁻¹，U型构象比Z型构象能量高约1.07 kcal·mol⁻¹，显示出温和的热力学偏向Z型构型的特征，为构象灵活转换提供了能量基础。

2. CCA组装体构象：计算预测64种低能量构象，经对称性约束后实验观察到20种独特构象。代表性α型构象中，低能量成员（1α、3α、5α、6α）能量优势为2.7-3.7 kcal·mol⁻¹，其余α型构象仅轻微失稳（0-1.5 kcal·mol⁻¹），Z→U构象转变的能量垒较低，支持晶体和溶液中的 facile 互变。

（三）溶剂与刺激因素的调控机制计算

DFT计算量化了溶剂、卤化物结合和客体封装对CCA构象稳定性的影响：

1. 溶剂效应：与气相相比，大多数构象在丙酮中稳定1.3-3.1 kcal·mol⁻¹，仅7α构象不受影响。1α构象在不同溶剂中稳定性差异显著：在乙腈中不稳定（-5.1 kcal·mol⁻¹），在DMF中适度稳定（2.4 kcal·mol⁻¹），在二氯甲烷中稳定性最大化（12.2 kcal·mol⁻¹）；而卤化物封端的1α-Cl构象溶剂敏感性更强，在乙腈中最稳定（-5.4 kcal·mol⁻¹），在二氯甲烷中中度稳定（-2.4 kcal·mol⁻¹），在DMF中失稳（2.8 kcal·mol⁻¹），证实溶剂极性与卤化物封端的协同调控作用。

2. 客体与卤化物作用：计算表明，[W₆O₁₉]²⁻客体封装到1β构象中的能垒为8.3 kcal·mol⁻¹，通过阴离子···π、C-H···O、Cu···O等非共价相互作用补偿能量。双组装体1β-I/W₆O₁₉-out和1β-W₆O₁₉/I-out均稳定（ΔE分别为-78.6 kcal·mol⁻¹和-74.1 kcal·mol⁻¹），且碘离子封端在热力学上更有利。ESP分析显示，封装和封端均会改变C-S键的局部电子密度，调控分子内旋转并促进构象转换。

（四）构象稳定的非共价相互作用分析

DFT结合IGMH分析揭示了CCA构象稳定的关键非共价相互作用：

• C-H···π相互作用：接触距离在2.54-3.34 Å范围内，为构象提供基础稳定性；

• C-H···S相互作用：作用距离介于3.15-3.41 Å，增强配体与簇之间的协同作用；

• 阳离子···π相互作用：bpmb配体与客体物种形成2.51-3.54 Å的短接触，在卤化物封端和客体封装过程中发挥重要调控作用；

• 其他作用：Cu-O配位（2.66-2.91 Å）、Cu-I配位及[W₆O₁₉]²⁻与CCA表面的外围接触，共同稳定特殊构象（如陀螺型组装体）。

这些弱相互作用的协同效应，既保证了构象的结构完整性，又赋予其刺激响应性，是CCA组装体自适应特性的核心成因。

四、关键研究结果

（一）构象多样性与结构表征

通过单晶X射线衍射（SCXRD）表征，从8个主要几何家族中解析出20种离散的CCA构象（图二），验证了DFT预测的构象多样性。配体bpmb的C-S键具有多个旋转自由度，与金属簇的多齿配位环境共同构筑了广阔的构象图景。溶液中，扩散排序¹H NMR光谱（DOSY）证实离散笼状物种的存在，扩散系数为2.45-6.89×10⁻⁶ cm²·s⁻¹，高分辨电喷雾电离质谱（HRESI-MS）确认了组装体组成（m/z=1398.9271，理论值1398.9322）。

图一：天然与人工体系的构象异构示意图。（a）天然组装体从广阔构象空间中稳定生物活性构象；（b）合成组装体常动态互变，无选择性稳定；（c）簇介导构象组装（CMCA）拓展可及构象图景，实现外部调控。

图二：bpmb配体与簇介导组装体的构象多样性。（a）DFT计算的四种bpmb构象（Z₁、Z₂、U₁、U₂）相对能量；（b）(Tp*WS₃Cu₃)₂(bpmb)₃₄（1-CH₂Cl₂）的单晶X射线结构，原子颜色方案：W（深蓝色）、Cu（橙色）、S（黄色）、N（蓝色）、O（红色）、C（灰色）、B（粉色），省略氢原子和反离子；（c）64种预测构象序列的示意图，每个网格对应一个bpmb配体的取向，三个网格的组合定义不同CCA构象；（d）实验观察到的稳态构象映射到理论集合，凸显CCA体系的可及构象图景。

（二）多因素调控的构象转换

CCA组装体的构象平衡可通过溶剂极性、卤化物结合和客体封装精准调控（图三、图四）：

1. 溶剂调控：在丙酮-d₆中，[Tp*WS₃Cu₃]²⁺与bpmb以2:3比例混合可近乎定量形成笼状组装体；而在DMF-d₇或CD₂Cl₂中无笼状组装体形成，在CD₃CN中仅部分配位，表明溶剂对组装过程的决定性作用。

2. 卤化物调控：向CCA溶液中滴定[Et₄N]I，通过碘离子封端引发构象重组，特征质子信号发生显著位移（Hᵦ：6.26→6.10 ppm，Hₑ：7.69→7.51 ppm，Hբ：4.63→4.76 ppm），HRESI-MS证实形成(Tp*WS₃Cu₃I)₂(bpmb)₃⁺（m/z=2907.7167，理论值2907.7102）；Br⁻和Cl⁻则表现出尺寸依赖性的组装行为差异。

3. 客体调控：在CD₃CN中，向CCA-I中添加[Et₄N]PF₆可稳定封装[Et₄N]⁺的构象；[W₆O₁₉]²⁻和DNSDS²⁻等大尺寸阴离子客体的封装的可诱导构象体积扩张（如7-W₆O₁₉-AC构象的腔体体积较未修饰构象1增加约57.88 ų），甚至形成陀螺型动态组装体，实现静态与陀螺态的可逆切换。

图三：CCA的溶液相组装与构象转换。（a）卤化物和客体诱导的笼状组装体（CCA）转化示意图，生成封端物种（CCA-C）和主-客体复合物（G@CCA-C）；（b）溶剂依赖性¹H NMR光谱，显示在丙酮中定量组装，在DMF或CH₂Cl₂中组装受抑制；（c）CCA与[Et₄N]I的¹H NMR滴定，表明卤化物封端和构象重组；（d）CCA-I与[Et₄N]PF₆的¹H NMR滴定，凸显客体封装作为构象转换的驱动力。

图四：构象能量曲线与外部刺激的结构响应。（a、b）混合构象1/5（a）、1/6（b）的共结晶及卤化物驱动的互变，揭示刺激响应构象图景，一个bpmb配体的构象无序以部分占有率表示，省略氢原子、游离溶剂和反离子；（c-h）通过调控溶剂、卤化物封端和客体封装分离得到的构象3（c）、6（d）、5（e）、2（f）、1（g）和4（h）的晶体结构（按构象颜色编码）；（i）8种CCA构象在真空和丙酮中的计算能量，以4α为参考（0 kcal·mol⁻¹）；（j）1α和1α-Cl在不同溶剂中的相对稳定性，阐明极性与卤化物封端的相互作用。

（三）可逆构象调控循环的实现

基于DFT计算揭示的能量规律，通过竞争性配体交换构建了可逆构象调控循环：向W₆O₁₉@CCA中添加I⁻可置换封装客体，将陀螺型组装体转化为封端结构；反之，向CCA-I中添加[Et₄N]₂[W₆O₁₉]可排出I⁻，再生封装复合物；随后加入AgOTf通过 scavenging I⁻生成AgI，恢复W₆O₁₉@CCA，重新引入I⁻可再次触发转换。该循环在六个连续周期内保持完全可逆，时间分辨紫外-可见光谱显示I⁻诱导的W₆O₁₉@CCA转化为一级动力学反应，速率常数为7.18×10⁻⁴ s⁻¹，420 s内转化率达约90%。

五、研究意义与应用前景

本研究提出的簇介导构象组装（CMCA）策略，成功构建了具有20种离散构象的自适应分子笼，通过DFT计算与实验表征的结合，揭示了近简并能量图景支撑的构象动态转换机制，为合成体系的构象精准调控提供了全新范式。

研究成果的核心价值在于：阐明了溶剂、卤化物、客体等外部因素通过非共价相互作用调控构象的分子机制，建立了“结构可塑性-环境响应性”的协同设计原则。这种自适应分子笼在分子识别、响应型材料和超分子调控领域具有广阔应用前景，可用于开发高选择性分子传感器、智能药物递送系统和动态超分子器件。

未来研究可进一步拓展配体与金属簇的组合范围，探索更复杂刺激（如光、温度、pH）的构象调控，结合机器学习加速构象预测与功能优化，推动动态超分子化学在更多应用场景的落地。

行业发展的浪潮中，波函数信息科技有限公司始终勇立潮头。我们聚焦高校科研与企业研发，以量子化学等前沿理论为依托，与计算深度融合，秉持 “定制、准确、高效” 的服务宗旨，为客户打造专属解决方案。专业团队凭借深厚的行业经验与创新精神，收获广泛认可。若您有合作意向，欢迎联系唐经理，电话18251485609 ，期待携手开拓无限可能。