分子容器是一類可精確構筑納米空間的主體分子，能夠模擬生物體系中酶、轉運蛋白等天然受體的功能，實現對目標分子的高效識別與絡合。在這些系統中，“預組織”(preorganization) 與 “互補性”(complementarity) 是至今仍被廣泛遵循的核心設計原則。然而，真實的生物受體往往具有顯著的動態柔性，其在識別過程中可通過構象調整來優化與多種底物的結合。這種“誘導契合”(induced fit) 或 “構象選擇”(conformational selection) 機制為人工受體系統的設計提供了啟發，但在分子水平上實現仍面臨諸多挑戰。

近日，廈門大學化學化工學院蘇紀豪教授課題組發展了一類新型柔性共價有機管柱 (flexible covalent organic pillars, 簡稱 flex-COP-n)，作為構象可調的納米管狀分子容器，并在其手性自分類行為與適應性分子識別機制方面取得重要進展。該團隊以雙緣去對稱化的柱[5]芳烴醛基衍生物為大環構筑基元，通過與不同鏈長的 α,ω-二氨基烷烴 (n = 2–10) 進行 [2+5] 亞胺縮合反應，構建出一系列雙端開口的納米管柱結構 flex-COP-n。這一分子設計巧妙地融合了大環的預組織空腔與脂肪族連接橋段的構象靈活性，構建出一個“剛中帶柔”的分子容器平臺。相比傳統剛性主體分子，flex-COP-n不僅具備較強的分子識別能力，也具有對不同尺寸客體進行動態適應的潛力。

奇偶效應驅動的手性自分類

該系列flex-COP-n分子在自組裝過程中表現出明顯的奇偶效應：當連接鏈為偶數碳數 (如 n = 2, 4, 6) 時，所得納米管為一對對映體；而當鏈長為奇數碳數 (如 n = 3, 5) 時，則生成非手性的內消旋體。單晶 X 射線衍射分析揭示，連接鏈以全反式構象橋接兩個大環單元，不同的鏈長決定了大環基元里芳環的取向，從而誘導出不同的手性輸出。團隊進一步通過手性色譜和圓二色光譜分析，成功分離并表征了偶數鏈構建的 flex-COP-4 對映體，證實了體系中發生了“同手性自聚” (narcissistic chiral self-sorting)，即在組裝過程中兩個手性相同的大環優先組合形成對映體。

構象協同調節的適應性分子識別機制

為系統探究其識別特性，研究團隊選取 flex-COP-4為模型主體，研究其與一系列 α,ω-二溴烷烴 (Br(CH₂)_nBr, n = 9–20) 之間的主客體相互作用。通過核磁共振與單晶結構相結合的方法，揭示出四類典型的識別模式：

1. 主體壓縮 (客體n = 10–11)：較短鏈客體導致主體軸向壓縮約 0.1 nm，連接鏈形成高能 gauche 構象，溶液中結合常數明顯下降，且在核磁時間尺度上呈現快交換行為；

2. “鎖鑰結合”主客體匹配 (客體n = 12–15)：主客體長度匹配、構象均處于穩定反式狀態，形成結構穩定的主客體復合物，核磁共振中表現為慢交換，結合常數超過 10⁵ M^-1；

3. 客體變形 (客體n = 16)：較長鏈客體通過引入 gauche 構象進行彎折適應主體腔體，伴隨主體略微構象變化，主客體協同適應形成復合物，結合能力下降，表現為快交換；

4. 主客體不匹配 (客體n = 18)：客體一端完全伸出主體外部，結合常數進一步減弱。

這些結構在單晶 X 射線衍射中得到直接印證，展示了一個連續的主客體構象調節圖譜：從尺寸完美匹配的“鎖鑰結合”，到主或客體犧牲構象穩定性以實現配合的“誘導契合”，再到結構擠迫甚至超出主體的“過載包合”，完整體現出分子識別中構象柔性的調節機制。

總結與展望

 該研究不僅揭示了柔性主體分子的結構–手性關系與識別調節機制，更提出了一種融合剛性預組織與構象適應的新設計策略，為人工主體系統實現“仿生識別行為”提供了具體可行的模型。柔性共價有機管柱flex-COP-n系統所展現出的可編程結構、手性自分類與適應性識別性能，有望在未來拓展至手性分離、智能識別材料、動態組裝系統等方向，推動超分子化學在功能構筑與仿生應用中的進一步發展。

Chiral Self-Sorting of Flexible Covalent Organic Pillars for Adaptive Molecular Recognition

Dr. Shengnan Gao, Min Zhang, Yimin Zhang, Dr. Congsen Wang, Prof. Andrew C.-H. Sue

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202509177