南方科技大学蒋伟课题组：葫芦[n]脲（n = 7, 8）水中高亲和力识别中性亲水分子

南方科技大学蒋伟教授团队研究发现葫芦脲可以在水中高亲和力的识别1,4-二氧六环、冠醚及单糖等中性亲水分子，最大键合常数可达10⁷ M⁻¹。识别的主要驱动力是通过释放空腔内的水分子或者合理占据弱水合的空腔而体现的疏水效应。该研究有助于人们对复杂生物分子识别体系的理解，为设计新的亲水分子识别主体提供了理论依据。

中性亲水分子的水相识别是超分子领域公认的挑战。这是因为亲水分子在水中会被严重水合，识别它需要付出较高的去水合能，而且非共价相互作用在极性竞争性溶剂中会被严重削弱。生物受体通过将氢键等极性作用位点置于非极性微环境中很好的解决了这些问题。因此在设计识别亲水分子的人工主体时，主客体间极性和非极性部分的分别匹配一直被人们所强调。而单独的疏水空腔则被认为不能发挥显著作用；人们的普遍认知是单独的疏水空腔在水中能高亲和力的识别疏水分子，而对中性亲水分子的识别效果很差。

图1 (a) 酰胺萘管的化学结构; (b) 葫芦脲的化学结构及模型

近日，南方科技大学蒋伟教授团队发现仅依靠疏水空腔就可以在水中高亲和力的识别中性亲水分子。通过键合常数测定，研究人员发现葫芦脲 (图1) 在水中可以高亲和力的识别1, 4-二氧六环、冠醚、单糖等中性亲水分子。例如，葫芦[7]脲对单糖的键合常数可达10³ M⁻¹，这接近最高效的人工仿生主体以及糖识别蛋白 (凝集素) 对单糖的键合强度；葫芦[8]脲对亲水分子12-冠-4的键合常数更是高达10⁷ M⁻¹，超过其对一些有机阳离子的键合强度 (图2)。DFT计算表明，主客体之间的非共价作用较弱 (图3)；通过研究溶剂效应、测定热容变化、计算空腔占有率等，作者揭示了识别的主要驱动力是通过释放空腔内的水分子或者合理占有弱水合空腔而体现的疏水效应。

图2 (a) 12-冠-4 (12C4) 和十六烷基三甲基溴化铵 (C₁₆TA) 对葫芦[8]脲 (CB[8]) 空腔的竞争性键合；(b) 等摩尔当量的CB[8]+C₁₆TA, CB[8]+C₁₆TA+12C4, 以及CB[8]+12C4混合物的核磁氢谱 (500 MHz, 50 mM CD₃CO₂D- CD₃CO₂Na缓冲液，pH=4.7)。

图3络合物D-脱氧核糖@葫芦[7]脲 (a) 以及 12C4@CB[8] (b) 的DFT计算结构。

此外，作者还将葫芦脲与仿生主体酰胺萘管的识别性能进行了比较研究 (图4)，发现葫芦脲的疏水空腔不能区分客体分子的细微差异，是客体分子水合能的不同导致了键合强度的差异；在具备相似尺寸形状的客体中，葫芦脲仍是优先识别疏水分子。而具有内修饰氢键位点的仿生酰胺萘管则可以在水中识别更加亲水的客体分子，展现出优异的识别选择性。

图4酰胺萘管 (1a, 1b) 以及CB[7]对1,4-二氧六环、1,3-二氧六环、四氢吡喃的本征键合自由能。

本项研究改变了人们对水相亲水分子识别的传统认知，有助于理解复杂的生物分子识别体系，为设计新的亲水分子识别主体提供了理论依据。该研究工作主要由南科大-哈工大联培博士生李明爽完成，蒋伟教授是通讯作者，研究助理教授权茂博士以及高级研究学者杨习然博士也为论文的完成做出了重要贡献。

详见：Ming-Shuang Li, Mao Quan, Xi-Ran Yang, Wei Jiang^*. Cucurbit[n]urils (n=7, 8) can strongly bind neutral hydrophilic molecules in water. Sci. China Chem., 2022, 65: doi:10.1007/s11426-022-1312-5.

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通讯作者简介

蒋伟  南方科技大学化学系长聘教授，博士生导师。2004年获得西安交通大学应用化学学士学位，2007年获得南开大学物理化学硕士学位，2010年获得柏林自由大学有机化学博士学位。2011年初，到美国Scripps研究所从事博士后研究。2012年底，加入南方科技大学化学系。曾获得国家优秀自费留学生奖学金和德国Schering基金会Schering Prize，2018年获得国家自然科学基金委“优秀青年科学基金”以及全国大环芳烃学术会议“学术新星奖”，2019年入选广东省特支计划“科技创新领军人才”与深圳市“鹏城学者”特聘教授支持计划，2020年入选英国皇家化学会会士（FRSC）并获得“中国化学会超分子化学青年创新学术讲座奖”，2021年获得国家自然科学基金委“杰出青年科学基金”和深圳市自然科学奖二等奖。

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