诺奖得主新发现：葡萄糖的水中荧光保护“庙”

碳水化合物往往结构复杂且具有强亲水性，而开发具有高选择性可识别水中这类物质的超分子化合物具有很大的挑战性。该文章描述了一类基于芘单元构建的的庙宇状受体，可用于识别水中一系列糖类化合物。两个的芘单元被视作为庙宇的屋顶和地板，可以与葡萄糖上C-H键形成多个[CH··π]的相互作用。此外，房顶和地板上共有8个突出的极化吡啶C-H键可以与疏水空腔内部的糖上一定方向的OH基团形成[C-H…O]氢键。四根对二甲苯支柱对于支撑起屋顶和地板有着至关重要的作用。这类分子对于糖类化合物有着高选择性，且在水中结合糖类化合物后会有强荧光作用，可作为水中葡萄糖传感器。

图1：两种类型的庙宇受体

在这些可识别水中葡萄糖受体中，最成功的的策略之一是英国布里斯托大学的戴维斯开发的庙宇分子（图1a）。该分子中两个平行的芳香族面板被视为屋顶和地板，与葡萄糖上的垂直氢原子形成[CH··π]相互作用。此外，具有酰胺或尿素功能的多极柱与OH基团形成[NH···O]氢键。这种特殊分子受体在水中与葡萄糖的结合亲和力约为104 M1。尽管这类受体具有显著的结合亲和力和底物选择性，但对糖没有荧光反应。在这里，作者报道了PCage-18+和PCage-28+两个芘基分子笼（图1b）。芘作为庙宇的屋顶和地板，提供了平坦且富含电子的表面区域。此外， PCage-18+对水中葡萄糖的结合亲和力为213 M1，在紫外光照射下会发出明亮的绿色，在水中也具有高荧光性，与葡萄糖结合时还会发生荧光增强的现象。

图2：PCage·8Cl的合成

从众所周知的化合物1,3,6,8-四（吡啶-4-基）芘（TPP）开始，作者分两步合成了异构体PCage-1·8Cl和PCage-2·8Cl（图2）。关键中间体TB·4PF6是由TPP在室温下使用过量的1,4-双（溴甲基）苯烷基化后获得（反应缓慢，大约需要21天）。此后，在120 C下与密封压力容器中，以四丁基碘化铵（TBAI）为催化剂，芘为模板，热力学控制下进行成笼反应。催化剂TBAI使得SN2反应可逆，并阻止形成低聚物，从而推动热力学稳定产物的生成，即芘络合成笼。粗产物过C18柱分离出两个结构异构的笼状化合物——上下交错的PCage-18+和上下对应的PCage-28+。去除有机溶剂后，通过添加NH4PF6从水中沉淀出含有笼状物的部分。在MeCN中与TBACl进行离子交换后，PCage-1·8Cl和PCage-2·8Cl的分离产率分别为4%和8%。

图3：PCage-18+的光物理分析

作者在核磁表征以及分子动力学模拟分子笼结构后，探讨了其光物理性质。PCage18+和PCage28+中存在芘，意味着它们可作为光学活性受体。例如，室光下的PCage18+水溶液为黄色，且三个吸收峰位于304、350和454 nm处（图3a），而在365 nm紫外光激发下，PCage18+水溶液发出明亮的绿色荧光，发射带从453 nm延伸至685 nm，发射峰出现在499nm处，斯托克斯位移为45nm。此外，PCage18+的吸收光谱和激发光谱相同，表明其可作为单个分子存在，不会因电荷排斥而在水中聚集（图3b）。

为了评估PCage18+对H2O中葡萄糖的荧光响应，作者还进行了荧光滴定实验。数据显示添加葡萄糖后，荧光强度增强（图3c），分子的结合使得主客体之间的氢键形成并使得受体结构僵化从而导致荧光增强。作者采用1:1受体-底物结合模型对滴定等温线进行非线性拟合，得到图3d。其中PCage-18+与葡萄糖之间的关联常数为286 M1。在生理浓度下，PCage18+和PCage28+对葡萄糖均表现出良好的荧光响应。

图4：PCage - 18+与葡萄糖结合的1H NMR滴定分析

作者还通过1H NMR滴定研究了H2O中PCage-18+和PCage-28+与葡萄糖的结合 (图4a)。D质子的共振随着葡萄糖的加入而移动，而围绕PCage-18+结合腔的A、B和C质子的共振则向下移动，这表明正是这些质子参与了 [C H··O]氢键的形成。外围的E和F质子化学位移上没有明显变化，因为对应质子远离结合袋。值得注意的是，在与葡萄糖结合时，吡啶质子D和E不是一组是两组，这表明与不对称葡萄糖分子的结合使分子笼受体脱对称。通过跟踪B质子的化学位移变化，可以拟合出使用1:1受体-底物结合模型结合等温线(图4b)，得到的结合常数为218 M1,与荧光滴定得到的286 M1很一致。图4c拟合结果显示，PCage18+浓度为100 μΜ与葡萄糖浓度大于30 mM时，超过85%的受体参与结合。与PCage18+相比， PCage-28+在1H NMR谱中表现出类似的共振位移。PCage28+与葡萄糖的结合亲和力为128 M1。

表1： 1H NMR滴定法测定PCage-1·8Cl和PCage-2·8Cl与D2O中碳水化合物1:1络合物的缔合常数Ka

图5：研究中使用的碳水化合物结构

此外，作者还研究了PCage-18+和PCage-28+在水溶液中与其他碳水化合物（表1）的结合（图5）。PCage18+与PCage28+的Ka值相比，葡萄糖、甲基-β-吡喃葡萄糖苷和纤维二糖的结合常数略高。当与N-乙酰-葡萄糖胺、甲基N-乙酰-β-葡萄糖胺以及其他碳水化合物（如半乳糖、甲基α-甘露聚糖苷和蔗糖）结合时，该受体表现出较好的性能。这些结果表明，分子笼可以通过调节结合腔中的微小结构来结合糖类化合物。

总之，作者已经证明了极化C-H键在两种庙宇受体PCage-18+和PCage-28+的分子结构中重要的用途。两步合成获得的受体在水中对葡萄糖表现出良好的结合亲和力和选择性。此外，受体在水溶液中具有明亮的荧光，在生理浓度为1至10 mM时，与葡萄糖结合时，表现出中等程度的荧光增强。从根本上说，作者的研究不仅证明了受体分子中的CH键可以有效识别水中的葡萄糖，也提供了一类与葡萄糖结合时发生荧光反应的新分子支架。结果表明，基于吡啶基极化C H键可以表现出类似于氢键供体的性能，并可用于受体的设计和合成，以解决水中其他物质的分子识别问题。

PCage: Fluorescent Molecular Temples for Binding Sugars in Water

Wenqi Liu, Yu Tan,* Leighton O. Jones, Bo Song, Qing-Hui Guo, Long Zhang, Yunyan Qiu,Yuanning Feng, Xiao-Yang Chen, George C. Schatz, and J. Fraser Stoddart*

DOI：10.1021/jacs.1c06333

J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 1568815700