▲共同第一作者：黄银慧、鲁玉麟、曹中民

受到蛋白质与酶对于客体分子结合以及识别特性的启发，合成化学家们巧妙地设计并组装了一系列具有不同大小和形状的超分子笼型受体。这些人工容器通过丰富的主客体化学特性，能够在封闭的笼状空腔中结合不同种类与尺寸的客体，为新应用领域开辟了广阔的前景。蛋白质往往具有多个开放口袋可以用于客体分子结合，从而可以同时结合多个或不同类型的客体，因而呈现出多样化的功能。

尽管高阶客体结合，尤其是实现多组分客体的结合可能带来新颖的物理化学特性或催化性能，但目前这一领域发展仍然受到许多限制。一方面，制备具有多结合位点的主体结构需要精细的设计和较为复杂的合成路线；另一方面，缺乏有效的分析方法来可靠地确定高客体化学计量比例。因此，合成具有高客体结合能力的笼结构，并发展对其高阶、不同类型客体结合物种的探测方法学则是十分重要的。

近日，中山大学苏成勇教授课题组利用具有多口袋大尺寸笼结构，实现了在单一分子笼中对多种不同类型客体的共结合，并通过高分辨质谱的研究手段对其高阶、不同类型客体的结合行为进行了探测，展示了高分辨质谱研究方法在复杂主客体结合体系分析中的优势。

相关研究成果以“Multipocket Cage Enables the Binding of High-Order Bulky and Drug Guests Uncovered by MS Methodology”为题发表于J. Am. Chem. Soc.上。

1. 开发了一种具有12个开放口袋作为客体结合位点的分子笼MOC-70-Zn₈Pd₆，可以在较少考虑尺寸匹配的情况下，实现对多种大尺寸客体的高阶结合以及多元客体的共装载。

2. 展示了通过高分辨质谱方法探测复杂超分子体系中的主客体组成的优势，弥补了常用的NMR以及X-射线单晶衍射技术的局限。

作者使用加长的ZnL₃^7-iq金属配体与Pd²⁺在乙腈中组装可以获得具有同手性中心的菱形十二面体MOC-70-Zn₈Pd₆笼结构。相较于之前报道的尺寸较小的MOC-16-Zn₈Pd₆，MOC-70-Zn₈Pd₆在非质子性乙腈溶液不具有明显的脱除质子的能力，因此其在高分辨质谱中呈现出较为单一的信号。可以作为良好的主体分子来通过高分辨质谱研究其对多种客体分子的结合。单晶结构表明笼整体呈现为略微形变的菱形十二面体，大小为38.1 × 32.9 × 32.9 Å，窗口尺寸从11.6到14.1 Å不等。MOC-70-Zn₈Pd₆的12个菱形口袋和中央腔的总体积计算为13554 ų，几乎是结构类似的MOC-16-Zn₈Pd₆的两倍。这些较大的开放口袋赋予了MOC-70-Zn₈Pd₆  容纳较大尺寸客体分子的潜力（图1）。

图1. MOC-70-Zn₈Pd₆的合成及主客体结合模式

由于笼结构中具有12个大尺寸口袋，因此可能具有较大客体结合的潜力，作者选取了四种类型的大尺寸分子来测试其对客体的结合能力：（1）三种柔性的二苯并冠醚G1-G3；（2）两种半柔性的杯芳烃G4-G5（3）两种刚性的富勒烯G6-G7；以及（4）两种药物分子泼尼松与苯丁酸氮芥G8-G9（图1）。

MOC-70-Zn₈Pd₆对三种不同尺寸的二苯并冠醚表现出了类似的结合行为，但是由于在大尺寸开放口袋中客体交换速率较快以及较弱的结合，仅仅只在核磁信号上表现出了较小的化学位移值变化，这使得用已知的分析模型（如Hill方程、Job图和BindFit）进行数据拟合难以获得可靠的结合常数与结合比信息。G2与MOC-70-Zn₈Pd₆结晶后可以获得四个G2结合于笼顶部四个口袋的晶体结构，而笼的口袋仅仅只发生了轻微的形变，因而在溶液中可能不会对后续客体的结合产生显著的影响。进一步通过HR-ESI–MS对冠醚类客体进行主客体研究，结果表明MOC-70-Zn₈Pd₆对三种不同尺寸的冠醚类客体均表现为相似的结合特征，可观察到最大12:1的客体包合数目。

图2. MOC-70-Zn₈Pd₆的单组分客体结合结构以及主客体高分辨质谱

而对于半柔性的芳香类客体G4而言，单晶结构表明MOC-70-Zn₈Pd₆结合G4后并未产生形变，而在溶液中的结合可以获得18:1的主客体结合比例，这是由于除了在口袋结合的客体外，G4还可以结合于笼的外围。对于尺寸较大的G5客体，较低的结合亲和力使得其在质谱信号中显示出更低的结合比例。刚性的球状客体C60通过质谱可以观察到5：1的结合比例，这与其溶液相中的荧光和紫外-可见吸收光谱滴定结果相吻合。而更大尺寸的C70则只能实现2:1的客体结合。此外，MOC-70-Zn₈Pd₆对于两种所选取的药物客体G8、G9也分别具有高达18:1与16:1的结合能力。展现出了该多口袋分子笼对于多种不同尺寸以及结构特性的客体高阶结合能力。

由于外围口袋的开放结构特性，因此具有较弱的客体结合能力与较快的客体交换速率，因此在溶液中会形成多种结合客体物种的统计分布。这种类型的分布信息难以通过传统的核磁手段来获取，在这种情况下，质谱方法对于理解和确定溶液中的多客体和多位点结合模式具有独特且重要的价值。

图3. MOC-70-Zn₈Pd₆的二元客体共结合的高分辨质谱

由于MOC-70-Zn₈Pd₆具有相对独立的多个口袋，并且可以结合多种类型的客体，因此作者对上述客体分子的组合进行二元共装载复合物的实验（图3）。得益于高分辨质谱技术能够识别溶液物种组成的特性，可以获得一系列二元客体共装载的信号，这通过其他的平均化的溶液表征手段是难以实现的。因此，利用这样一种共结合的平台，可以实现对于一对商业化药物G8/G9在单个分子笼中的共结合，从而突显了该分子笼在多种药物递送联合治疗中的潜力。

图4. 高分辨质谱对三组分及四组分客体共结合分析

除了二元体系外，作者进一步对三元以及四元体系也进行了共负载测试，由于溶液中多样化的主客体结合物种的存在，使得质谱信号显著减弱，并且会产生重叠，因此对于更为复杂体系的共结合识别具有挑战性（图4）。与二元共装载体系相比，三元体系能观察到的客体结合数目更低，这表明在更复杂的三元客体结合体系中，客体有较强的解离倾向。而四元体系的检测则达到了质谱方法的极限，由于不同客体组合的分子量非常接近，使得难以清晰区分四元组合物种与二元、三元客体结合物种。尽管如此，包含相似客体成分的三元和四元体系之间的不同质谱特征表明，MOC-70-Zn₈Pd₆仍然具有结合更多种类客体的能力。

图5. 异客体结合的主客体质谱滴定

为了进一步理解笼对于不同类型客体共装载的行为，作者对二元体系进行了不同比例以及客体滴定的实验。表明装载过程呈现出动态平衡，并且可以通过调节加入的客体比例，来连续调节客体在笼中的共装载能力。

本研究构建了一种多口袋的笼型结构模型，可以用于装载不同尺寸的客体分子和药物分子，并展示了高分辨率质谱技术在复杂客体结合和多客体结合场景中的独特优势。该分子笼上相对独立的外围开放口袋，能够同时容纳不同大小的客体分子，从而免除了传统单一内部空腔封装多客体时所需的严格的分子间互补性。这项工作为设计易于合成、具有高结合能力和共装载不同客体的分子笼提供了新思路。并且利用质谱方法研究复杂主客体体系可以提供更为丰富的组成信息，从而有助于推动超分子笼化学研究向多药物共递送进行联合治疗等新的应用领域发展。

通讯作者

苏成勇，中山大学教授。1991年本科毕业于兰州大学，1996年获兰州大学博士学位，1996年至2003年先后在中山大学、香港中文大学、德国斯图加特大学、美国南卡罗莱纳大学从事博士后与洪堡学者研究工作，1998年就职于中山大学化学院。2018-23年连续入选科睿唯安（Clarivate）全球高被引科学家，学术论文他引4万余次，H因子97。曾主持科技部国家重点基础研究发展计划（973项目首席科学家）、国家基金委创新群体等科研项目。担任国际晶体学会IUCrJ 期刊Co-editor，英国皇家化学会J. Mater. Chem. A期刊顾委、中国晶体学会副理事长。2005年获杰出青年科学基金，2007年获教育部特聘教授，2015年入选国家百千万人才工程。曾获教育部自然科学奖一等奖、国家自然科学二等奖。

导师介绍：

https://ce.sysu.edu.cn/zh-hans/teacher/857

第一作者

黄银慧，2023年获中山大学博士学位。研究方向为仿生金属-有机超分子笼/大环的构筑及其限域空腔的主-客体应用，以第一作者或通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Sens. Actuators B.、Spectrochim. Acta. A.等期刊上发表学术论文8篇。

鲁玉麟，2022年获中山大学博士学位，2022-2024年在中山大学从事博士后研究工作，主要从事超分子组装及动态仿生性能研究，以第一作者或共同第一作者在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem、ACS Catal.等期刊上发表学术论文7篇。

曹中民，中山大学2022级博士研究生，研究方向为金属-有机超分子笼的构筑，以第一作者或共同第一作者在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.发表学术论文2篇。