构象可切换的伪立方体金属有机笼：动态自适应客体封装的新策略

研究人员针对金属有机笼(MOC)结构刚性限制客体分子适配性的难题，开发了一种基于2,6-萘基旋转单元的可变形伪立方体Zn8L6笼1。该笼通过面板构象在endo/exo状态间的动态切换，实现了对体积差异达4倍的客体（178-599 ?3）的高效封装，突破了传统MOC的尺寸限制，为智能分子识别材料设计提供新范式。

　　

在分子识别领域，金属有机笼(Metal-Organic Cage, MOC)因其精确的腔体结构成为理想的主客体材料。然而传统MOC的刚性框架如同"铁板一块"，只能容纳尺寸匹配的"钥匙"，严重限制了其在复杂化学环境中的应用潜力。这就像试图用固定大小的收纳盒装载从乒乓球到篮球的各类物品——要么装不下，要么浪费空间。自然界早已给出解决方案：蛋白质通过构象变化动态调节结合位点，实现"一钥多锁"的智能识别。受此启发，剑桥大学的研究团队在《Nature Chemistry》发表突破性成果，设计出全球首个构象可编程的伪立方体金属有机笼。

研究团队采用多技术联用策略：通过核磁共振氢谱(¹H NMR)和扩散排序谱(DOSY)监测构象动态；利用离子淌度质谱(IMS)量化腔体膨胀程度；结合GFN2-xTB理论计算模拟endo/exo构象转换路径。单晶X射线衍射解析的空笼结构显示其D₃对称性和389 ?³的初始腔体体积。

构象可调的伪立方体设计

晶体结构揭示，每个由四胺亚基A构成的笼面通过2,6-萘基单元的协同旋转形成非平面构型。这种独特设计使每个面板可独立切换endo（苯环内凹）或exo（苯环外凸）状态，如同可伸缩的"百叶窗"。计算表明endo→exo转换能垒仅34.9 kJ/mol，远低于传统MOC的骨架重构能耗。

广谱客体适配性能

实验证实1可结合从金刚烷(46%腔体体积)到四(4-氯苯基)硼酸盐(154%腔体体积)的11类客体。NOESY谱显示大客体诱导面板转为exo态：如B(p-Cl-C₆H₄)^-结合时，笼面j/k质子与客体出现显著核欧沃豪斯效应(NOE)，证实腔体主动扩张。IMS数据更发现CCS值呈9.2 ?²的量子化增长，对应0-4个exo面的离散状态转换。

动态适配机制解析

通过GFN-FF力场模拟，团队绘制出从全endo到全exo的40步转换路径。有趣的是，空笼中endo态因芳环堆积作用更稳定，而客体结合会破坏这种堆积，使exo态自由能降低5-9 kJ/mol。这种"诱导-适应"机制与生物分子识别高度相似，却首次在人工MOC中实现。

这项研究颠覆了传统主客体化学的"锁钥模型"，建立了构象自适应识别的新范式。其意义不仅在于创纪录的客体尺寸适配范围（达传统MOC的4倍），更开创了"活页式"笼结构设计策略。未来通过调控旋转单元的结构参数，可进一步开发响应pH、光等外界刺激的智能分子容器，在药物递送、手性分离等领域展现巨大潜力。正如审稿人所言："这标志着合成宿主化学开始具备生物系统的动态智慧"。

1H NMR谱证实单一离散组装体形成'>

3空腔；b,面板苯环内凹的endo构型'>

3），背景为理论计算的全exo构象'>

研究团队特别指出，这种"体积量子化"特性（10种可编程腔体状态）使1成为理想的分子尺度容积泵原型。该成果为开发新一代环境响应型功能材料提供了普适性设计原则，其方法论已延伸至其他配位超分子体系的研究中。