暨南大学周小平、李丹研究团队JACS封面：肺泡功能的模拟——二氧化碳在金属有机笼的包覆

在生物体内，细胞的代谢通常伴随着离子和小分子的跨膜传递（比如，质子、钙离子、钠离子、钾离子和水分子等）。受自然启发，科学家积极开发人工分子或单元模拟这一重要的生物功能。其中，选择性地跨膜传递质子、阴离子及碱金属离子在人工分子中已经成功实现。由于分子尺寸及中性特性，小分子的跨膜传递仍然是一个挑战。在生物体内，二氧化碳由代谢产生并通过呼吸排出体外，在这个过程中它从毛细管及肺泡壁扩散进空气中。

多孔材料（例如：金属有机框架）广泛地被应用于二氧化碳的分离、固化及储存，但能够实现物理包覆二氧化碳分子并模拟生物膜功能的人工材料还鲜见报道。

金属有机笼是由双齿或多齿有机连接体和金属离子构筑的一类超分子配合物，其特殊的构型和空穴赋予了它们特有的功能，可以应用于分离、稳定活性中间体、催化、传感及离子交换等领域。类似于金属有机框架，金属有机笼结合了易于剪裁的有机配体及多样配位构型的金属离子的特点，研究人员可以很方便地设计、构筑具有特殊几何形状和尺寸的结构，因而非常适合用于模拟生物体系的结构和功能。虽然金属有机笼的设计、合成和功能已有诸多的报道，但可以在溶液态中包覆气体分子的金属有机笼却鲜被发现。仅有的一个例子是Fe₄L₆金属有机笼，可以在水溶液中包覆氙气和六氟化硫，相比之下，能包覆气体分子的有机容器分子或基于氢键的胶囊分子的研究却广泛得多。

暨南大学周小平、李丹研究团队在超分子配位化学领域开展了深入的研究，在此前的研究中，已经成功构筑了一系列的金属有机笼，包括立方、菱形十二面体及五角三四面体。研究人员发现，菱形十二面体笼的窗口特别小，可以监禁水、甲醇及甲胺等小分子。二氧化碳的动态直径3.3 Å，跟菱形十二面体的孔径非常相近，研究人员推测，利用该金属有机笼模拟肺泡功能，在一定压力下，二氧化碳可以穿过其窗口进入到金属有机笼的空穴中而被包覆。

金属有机笼的构筑

本工作（J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 11621-11627）中，利用改变取代基和金属离子的策略，精细地调控了金属有机笼的孔径，其孔径范围为3.380 -3.697 Å。在氘代甲醇溶液中及3个大气压的¹³CO₂条件下，研究人员在¹³CO₂核磁共振谱观察到了被包覆的二氧化碳的峰，相对于溶剂中的自由¹³CO₂的化学位移（124.9 ppm），被包覆的条件下，研究人员在¹³CO₂的化学位移向低场位移了1.4 ppm达到126.4 ppm，充分证明溶液态中镍咪唑笼可以包覆CO₂。当压力减低到1个大气压时，同样的情况下，¹³CO₂不能被包覆，从而证明了压力诱导实现二氧化碳包覆，这一过程跟肺泡通过呼吸排放二氧化碳非常相似。此外，¹³C核磁共振谱监测下发现，二氧化碳的释放非常缓慢。镍咪唑笼里的二氧化碳经过36小时才被完全释放，说明由于非常小的孔径造成了“门效应”的存在。

¹³C 核磁共振谱监测溶液态中包覆二氧化碳

在液相中，研究人员通过压力诱导实现二氧化碳包覆，成功地模拟了肺泡的功能，这是首次在金属有机笼研究中被发现，为人造肺泡的设计提供有益的参考。金属有机笼在液相中包覆气体分子的研究还处于初始研究阶段，其主客体化学以及催化转化等研究预期将引起广泛的研究兴趣。

由于该研究的新颖性及审稿人的高度评价，论文被编辑选为封面论文。

研究团队的研究获得了国家自然科学基金重点项目、重大研究计划重点支持项目、面上项目以及省部级科研项目资助，长期招收博士后，也欢迎青年才俊加盟。联系人：朱晓威，[e-mail]。