《Aggregate》：Axial-Chiral Vertex Integration Strategy for the Construction of a High-Affinity, Homochiral Pd4L2 Cage
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这篇综述创新性地提出了“轴向手性顶点整合”（Axial-Chiral Vertex Integration, ACVI）策略。该策略通过在手性金属有机笼（Metal–Organic Cages, MOCs）的金属顶点位置整合轴向手性BINOL单元，构建了同手性MOC-2。该笼状结构不仅实现了高达109M?1的超高水相结合亲和力，还展现出显著的对映选择性（KSS/KRR最高达9.2）及诱导产生圆偏振发光（Circularly Polarized Luminescence, CPL）的能力，为设计高性能手性功能材料提供了新范式。
摘要
在超分子化学领域，金属有机笼（Metal–Organic Cages, MOCs）因其模块化组装和可调控的限域空腔而备受关注。手性MOCs能够模拟酶的立体微环境，在分子识别、对映选择性分离和手性功能材料方面展现出巨大潜力。然而，传统手性MOCs的构建常面临手性与主客体性能难以兼得的困境：要么手性基团远离空腔导致手性诱导能力弱，要么手性单元自身位阻导致空腔对客体的识别亲和力不足。更关键的是，MOCs在特别是水溶液中的结合亲和力通常较低，限制了其实际应用。本文介绍的“轴向手性顶点整合”（Axial-Chiral Vertex Integration, ACVI）策略，为解决上述挑战提供了创新方案。
1. 轴向手性顶点整合（ACVI）策略的设计与验证
该研究从已报道的非手性Pd6L4型笼MOC-1出发。MOC-1是一种结构明确的笼状分子，但其结合亲和力与手性功能有限。ACVI策略的核心在于，用具有明确轴向手性的BINOL单元，直接替换MOC-1骨架中的两个轴向Pd金属顶点及其配体。这种设计实现了两大优势：其一，BINOL单元可调节的二面角及其稠合芳环结构，在不显著扩大空腔总体积的前提下，有效增加了空腔的疏水表面积，从而增强了限域空间内的疏水效应，有望提升对水分质中疏水客体的结合能力。其二，轴向手性BINOL单元直接参与了空腔的构成，从而在空腔内部创造出一个明确的手性微环境，有望赋予笼子显著的手性效应和功能。基于此策略，研究者成功构建了一对对映纯的、管状的同手性笼分子，分别命名为(R,R)-MOC-2和(S,S)-MOC-2。该合成过程以手性BINOL衍生物为起始原料，通过多步有机反应引入多个咪唑配位点，最终与Pd(II)离子在严格控制化学计量的条件下进行配位驱动自组装，以高达92%的产率获得了目标产物。核磁共振氢谱、扩散排序谱、高分辨质谱以及单晶X射线衍射等多种表征手段均证实了MOC-2结构的准确性和高纯度。特别值得注意的是，单晶结构显示MOC-2具有一个被四个反向平行萘基单元所定义的疏水空腔，BINOL单元沿手性轴的二面角为62.3°，形成了明确的立体环境。与母体MOC-1（对角Pd-Pd距离17.8 ?）相比，MOC-2的空腔尺寸有所收缩（对角Pd-Pd距离13.4 ?），这可能是其后续主客体结合行为与MOC-1产生差异的原因之一。
2. 对中性发色团分子的高效封装
得益于其携带的八个正电荷，MOC-2在含水介质中具有一定溶解度。更重要的是，其深邃的疏水空腔表现出卓越的客体包封能力。实验发现，一系列不溶于水甚至高水含量混合溶剂的疏水性中性分子，如多环芳烃（芘、苝）和多种有机染料分子，均能在MOC-2的存在下被有效溶解，并形成化学计量比为1:1的主客体复合物。核磁共振谱图中出现的新信号组以及客体质子信号的显著高场位移，直接证明了客体分子被完全包埋于笼的芳香性空腔内部，并受到强烈的屏蔽效应。紫外-可见吸收光谱进一步证实了复合物的形成，被包封的染料分子展现出其特征吸收带，并且对于某些染料（如G3、G5），其吸收峰发生了红移，这暗示了客体与笼壁之间存在较强的π-π相互作用。与母体MOC-1能够以2:1（笼:客体）的比例包封某些平面型客体不同，MOC-2对所有测试客体均表现出严格的1:1结合模式。这种差异归因于BINOL单元的引入锁定了配体的构象，降低了笼的适应性柔性，同时空腔尺寸的减小也限制了两个客体的同时进入。所有被包封的染料在复合物中均保持了其荧光特性，这为后续基于荧光的定量研究和手性光学性质研究奠定了基础。
3. 对客体的超高结合亲和力与对映选择性识别
为了定量评估MOC-2的分子识别能力，研究者采用荧光滴定和指示剂置换法系统测定了其与一系列客体分子的结合常数。结果令人瞩目：对于荧光素分子，MOC-2在水溶液中的结合常数高达(1.7 ± 0.4) × 108M-1，这比结构类似的非手性笼MOC-1的结合常数高出两个数量级。尤为突出的是，对于某些胆汁酸衍生物类客体，MOC-2的结合常数达到了纳摩尔级别，其中对客体G8的结合常数更是高达(1.8 ± 0.3) × 109M-1。据文献所知，这是目前报道的水溶液中合成MOCs的最高结合亲和力之一。这一超高性能被证实主要源于ACVI策略带来的增强疏水效应：实验表明，当缓冲液中加入5%的二甲基亚砜降低溶剂疏水性时，结合常数会下降一个数量级。密度泛函理论计算和独立梯度模型分析揭示了高亲和力的微观机制：客体分子与笼空腔在尺寸上高度匹配，并通过大量的[C–H???π]、[C–H???O]相互作用、静电互补以及强疏水驱动力实现了紧密而稳定的包合。
除了超高亲和力，MOC-2明确的手性空腔还赋予其对映选择性识别能力。在测试的一系列手性甾体化合物和药物分子中，MOC-2的对映异构体表现出了差异化的结合强度。例如，对于客体G9，(R,R)-MOC-2和(S,S)-MOC-2的结合常数相差近一个数量级，对映选择性（KSS/KRR）最高可达9.2。这种对映选择性的差异源于手性客体分子与手性空腔在立体空间上的匹配程度不同，展示了MOC-2在手性分离与传感方面的应用潜力。值得注意的是，对于所有测试的带电或中性手性/非手性客体，MOC-2的结合亲和力均显著高于携带更多正电荷的MOC-1，这再次强有力地证明，由BINOL单元增强的疏水限域效应是提升MOCs主客体结合性能的决定性因素。
4. 从MOC-2到非手性染料的高效手性传递
MOC-2出色的染料结合能力与其固有的手性微环境相结合，使其成为一个理想的手性光学材料构筑平台。研究发现，当非手性的荧光染料分子被包封进MOC-2的空腔后，笼的手性可以有效地传递到客体分子上。圆二色谱测试显示，在染料的特征吸收波段内，出现了明显的手性诱导信号，表明MOC-2的微环境影响了染料基态电子的手性分布。更为重要的是，这些主客体复合物表现出了明显的圆偏振发光性质。尽管MOC-2自身不发光，但其与染料的复合物在水溶液中具有中等荧光量子产率，并在荧光发射波段观测到了镜像对称的CPL信号。其中，(R,R)-MOC-2@G3和(S,S)-MOC-2@G3复合物的发光不对称因子绝对值最高可达4.5 × 10-3。这表明MOC-2的手性微环境不仅作用于客体的基态，还能诱导其激发态产生手性，从而发射出圆偏振光。这一特性使得基于ACVI策略构建的MOCs在制备新型CPL材料方面展现出独特优势。
5. 结论与展望
综上所述，本研究报道的轴向手性顶点整合策略，通过在手性MOC的顶点位置巧妙地整合轴向手性BINOL单元，成功构建了兼具超高水相结合亲和力与优异手性功能的同手性Pd4L2笼MOC-2。该策略不仅解决了传统手性MOCs亲和力不足的瓶颈，使其对疏水客体的亲和力达到纳摩尔级别，还通过构筑明确的手性空腔实现了高达9.2的对映选择性和高效的手性传递，诱导产生了显著的圆偏振发光。ACVI策略具有高度的普适性和可扩展性，其设计理念可推广至其他轴向手性联芳基单元以及更多样化的MOC骨架体系。这项工作为设计下一代高性能手性超分子受体和功能材料提供了强有力的蓝图，有望在精准分子识别、对映选择性分离、手性传感和先进光学材料等领域开辟新的机遇。
