山东大学Pengyao Xing团队在《Nano Letters》发表动态手性分子钳研究新突破

2025年2月，山东大学化学与化工学院的Hang Yu、Aiyou Hao和Pengyao Xing*（通讯作者）在《Nano Letters》发表了题为《Dynamically Folded Chiral Arms for Selectively Clamping Aromatic Imides》的研究论文（DOI: 10.1021/acs.nanolett.5c00080）。该研究设计了一种基于苯并噻吩骨架的动态手性分子钳（molecular tweezer），通过溶剂调控的折叠行为实现了对芳香酰亚胺类客体的高选择性识别，并揭示了其手性光学响应机制，为柔性手性分子系统在超分子化学和手性传感中的应用提供了新思路。

学术背景

手性肽折叠系统因其结构可编程性和生物相容性，在分子机器和主客体化学（host−guest chemistry）领域备受关注。然而，传统分子钳（如Whitlock提出的刚性芳香钳）难以动态调控折叠行为，且对客体结构差异的敏感性不足。本研究以氨基酸衍生的肽臂为动态单元，末端芘（pyrene）为发光信号域，通过多重弱相互作用（氢键、π-π堆积、硫-氧键）实现溶剂响应性折叠，并利用电荷转移（charge-transfer, CT）作用选择性捕获电子缺陷芳香酰亚胺，最终实现从分子手性到超分子手性的传递与反转。

研究流程与实验设计

1. 分子设计与合成
- 主体分子（T）构建：以苯并噻吩为旋转轴，连接两个L/D-氨基酸衍生的肽臂，末端修饰芘作为荧光信号域（Scheme 1）。合成路线通过多步反应实现（支持信息Chart 1），结构经核磁共振（NMR）和质谱验证。
- 溶剂响应性折叠调控：在稀释溶液（0.05 mM）中，通过改变溶剂极性（如DMSO与DCM混合体系）调控分子构象。荧光光谱显示，DMSO中分子呈伸展态（单体发射为主，E/M < 0.35），而DCM中因分子内氢键和芘的π-π堆积形成折叠态（E/M > 1）（图1b-e）。核磁滴定（图1f）进一步证实酰胺质子（Ha/Hb）和芘质子的化学位移变化与折叠程度相关。

2. 手性光学性质表征
- 圆二色谱（CD）与圆偏振发光（CPL）：在THF中，折叠态的L/D-T表现出镜像对称的CD信号（图1i）和强CPL发射（图1j），证实分子内芘激基缔合物（excimer）的手性传递。自组装后，超分子螺旋纤维（SEM显示，图2a）的CD信号发生反转，表明手性从分子水平转移至超分子水平。

3. 主客体相互作用研究
- 客体库设计：合成三类芳香酰亚胺衍生物（1a-3c，Scheme 2），涵盖不同芳环尺寸（萘二酰亚胺NDI、苯均四酰亚胺）、位阻效应（金刚烷取代基）和电子缺陷程度（溴取代基）。
- 荧光滴定与结合常数测定：在90% THF组装条件下，1a（NDI衍生物）的加入使芘激基缔合物峰（470 nm）减弱，单体峰（375 nm）增强（图2h），结合常数达4.75×10⁶ M⁻¹（图2i）。1H NMR滴定（图3g）和NOESY谱（图3i）证实主客体形成CT复合物，且芘质子与客体质子空间接近。
- DFT计算与分子动力学模拟：优化结构显示，1a@T复合物中芘与NDI的π-π距离为3.309 Å，硫-氧键（3.02 Å）和分子内氢键（2.11 Å）稳定了折叠构象（图5a）。静电势（ESP）分析表明，客体芳环的电子缺陷程度和尺寸匹配性是高选择性的关键（图5c）。

4. 形貌与手性反转机制
- SEM形貌分析：纯T自组装为手性螺旋纤维（图2a），而加入1a后转变为无手性特征的空心球（图2m），证实客体插入破坏超分子有序性。
- 手性反转：CD滴定显示，1a的加入使超分子CD信号（正）逐渐恢复为分子折叠态信号（负）（图2k），表明主客体复合物解离了原有的超分子手性排列。

主要结果与结论

1. 动态折叠调控：通过溶剂极性可逆切换分子伸展/折叠态，E/M比从0.2（DMSO）增至1.3（DCM）。
   
2. 高选择性识别：结合常数差异（1a: 4.75×10⁶ M⁻¹ vs. 1b: 2.85×10⁶ M⁻¹）反映位阻效应的影响；电子缺陷更强的2b（溴取代）比2a更易形成CT复合物。
   
3. 手性传递与反转：分子折叠态（负CD）→超组装（正CD）→主客体复合物（负CD）的演变，揭示了手性表达的多层次调控机制。
   
4. 理论支持：DFT计算结合能（图5c）和HOMO-LUMO能级差（1a@T: -5.37/-3.18 eV）证实CT作用驱动主客体结合。
   

研究价值与亮点

• 科学价值：首次将动态肽折叠、手性光学响应和CT识别整合于单一分子钳系统，为仿生分子机器设计提供新范式。
  
• 应用潜力：可开发为手性传感器，通过CPL信号差异区分客体结构；固态CT复合物的颜色红移（图4f）提示其在光电材料中的潜力。
  
• 方法创新：结合溶剂调控荧光、NOESY空间定位和DFT-MD多尺度模拟，建立了主客体相互作用的全景分析框架。
  

研究亮点

1. 多重弱力协同调控：硫-氧键、氢键和π-π堆积的动态平衡实现了构象精确控制。
   
2. 结构-性能关联：通过系统设计客体库，明确了芳环尺寸、电子缺陷和位阻效应的定量影响。
   
3. 手性反转新机制：主客体复合物解离超分子组装，为动态手性材料设计提供新思路。
   

该研究通过跨尺度实验与理论模拟，为柔性手性系统的功能化开辟了新路径，相关成果有望推动主客体化学在生物传感和智能材料领域的应用。