Jonathan R. Nitschke是最近十到十五年世界范围内崛起的新一代优秀的超分子化学家。Nitschke于2001年博士毕业于加州大学伯克利分校，师从大牛T. Don Tilley教授。2001年7月到2003年7月在法国斯特拉斯堡大学跟随超分子化学元老Jean-Marie Lehn教授从事研究工作。2003年8月开始，Nitschke在日内瓦大学任瑞士国家科学基金会助理教授，为期四年。2007年任期结束后，Nitschke到英国剑桥大学化学系担任讲师（Lecturer）的职务，2014年，正式升为剑桥大学教授，主要研究兴趣为配位分子笼的超分子化学，或者多重亚组分自组装（Subcomponent Self-Assembly）。Nitschke在近些年表现非常亮眼，在超分子化学领域作出了非常杰出的工作。据统计，近5年，发表Nature（1篇）、Nature Chemistry（3篇）、JACS(34篇)、Angew(17篇)、AM（2篇）、Chem(2篇)、NC（1篇），总被引用频次超千次，是名副其实的下一代大佬级超分子化学家。为了详细了解一下未来大佬的工作，本篇介绍一下近五年Jonathan R. Nitschke教授发表的几篇代表作。
1. Nature：反芳香性的分子笼，2019年度七大明星分子之一！
芳香性和反芳香性是芳烃类化合物的一个重要性质。由于本身的不稳定性，如何制备具有反芳香性的分子并研究其性质一直是化学界一大挑战。在分子笼的构筑中，人们也都在使用具有芳香性的侧壁。对于由反芳香性侧壁围成的纳米笼的内部空间，之前始终没有人合成并研究。在2019年，Jonathan R. Nitschke教授团队使用核心为具有16个π电子的四卟啉类衍生物作为配体，使用四个Fe2+构筑了一个四面体笼。
图10. 反芳香性分子笼的构筑
通过计算结果表明，该分子笼侧壁的磁效应可以相互增强。反芳香性侧壁围成的纳米空腔也具有特殊的磁学性质。该分子笼可以包裹两个蔻分子，三个四氧杂[8]环烯以及两个蔻加一个四氧杂[8]环烯。由于特殊的反芳香侧壁施加在空腔内的特殊磁效应，在核磁共振氢谱中，与自由客体相比，被包裹的客体分子的信号化学位移都具有大幅度的低场位移（由于屏蔽效应，芳香性分子笼空腔应该导致包裹于其中的客体信号向高场位移），位移最高可达15 ppm！因此该反芳香性的分子笼有望作为核磁位移试剂。该工作以题为“An antiaromatic-walled nanospace”发表在《Nature》上。值得一提的是，该分子被ACS旗下的C&EN杂志评选为2019年度七大明星分子之一。
图11. 分子笼所包含的客体
参考文献：Nature, 2019, 74, 511.
2. Nature Chemistry：分子笼构成的永久多孔离子液体，可用于吸附大气污染物氟氯昂
多孔离子液体是一种新兴的多孔材料。自从人们发现多孔性不仅可以是固体的一种属性，同样也可以被引入液体中之后，各种各样的多孔液体材料被制备出来。但是，目前为止，这些液体中的孔都很小，最大的也只能容纳像二氧化碳或甲烷这样的小分子，这就限制了多孔液体的应用。2020年，Jonathan R. Nitschke教授团队将4个三角形三吡啶配体，12个胺基化合物以及4个Zn 2+组装为四面体分子笼。其中位于顶点的胺基化合物组分末端带有长醚链，醚链的一端为带正电荷的甲基咪唑盐。由于长醚链以及咪唑盐的存在，该分子笼常温下为离子液体状态，由于笼结构的存在，该离子液体为多孔的离子液体。
图12. 多孔离子液体的构筑
经实验发现，该多孔离子液体对烷基醇类具有较好的识别性质，随着醇类烷基部分的体积增大，其识别效果越来越好，同时对于大气污染物氟氯昂类化合物，该离子液体也具有非常好的吸附能力。
图13. 离子液体对烷基醇类的识别
图14. 多孔离子液体对氟氯昂的吸附
3.Nature Chemistry：信号转导调控的分子笼在不同溶剂相的分布
在生物体内，信号转导是保证生物体各组分功能正常运转的基础。有机体中基于共价键反应的后组装修饰是实现信号传递的基础。有机体中各组分之间的级联反应是可以保证信号的长程远距离传输。受到机体内信号转导系统的启发，在2017年，Jonathan R. Nitschke教授团队克服了配位分子笼组装后修饰的困难，使用12个四嗪二吡啶二醛配体与8个Fe 2+在乙腈中配位组装构筑的立方体以及6个联吡啶二醛配体，12个胺基配体以及4个Fe 4+组装成的四面体分子笼作为信号转导受体，使用带有不同长度烷基链的降冰片二烯作为信号介导媒介进行信号转导调控的分子笼性质的改变。
图5. 信号转导示意图
如图5所示，降冰片二烯与立方体分子笼配体上的四嗪片段可以发生反电子需求的DA反应，释放一分子氮气，同时降冰片二烯上的两个双键碳原子替代原来四嗪上两个氮原子的位置，使四嗪转变为仅有两个氮杂原子的杂环，同时失去两个双键碳原子的降冰片二烯衍生物转变为1,3-环戊二烯衍生物，并与体系中四面体分子笼配体上的马来酰胺发生DA反应，加成到四面体分子笼上。由此实现了通过连续的两步信号转导反应同时对同一体系中两种不同分子笼的组装后修饰过程。有趣的是，经过后修饰的分子笼的溶解性将会发生大幅度改变，带有18个碳原子的信号源（降冰片二烯）可以使四面体分子笼更易于在非极性溶剂环戊烷中溶解，从而可以通过信号转导反应调控分子笼在不同溶剂相中的分布。该工作在2017年以题为“Signal transduction in a covalent post-assembly modification cascade”发表在《Nature Chemistry》上。
图6. 信号转导反应调控的分子笼在溶剂中的分布
参考文献：Nat. Chem.,2017, 9, 1276.
4. JACS：结构的微小改变导致的巨大识别性质差异
近年来，人们通过金属有机自组装方法已经合成了大量的功能三维结构。很多这种功能三维结构都包含可以结合客体分子的空腔，并允许以某种确定的方式改变这些空腔的识别能力和反应性。在2016年的这篇文章中，Jonathan R. Nitschke教授团队为了研究清楚三维笼状的有机配位功能分子空腔的主客体识别性质究竟在多大程度上受到其外围结构调控的影响，以四个氨基配体（配体A或B，图1）和Mo2配位后的配合物再与Fe2+或Zn2+以及邻醛基吡啶共组装，合成了四种组分不同但形状和空腔基本相同的四面体分子笼，或者也可被称为超分子立方体。
图1. 四种超分子立方体的构筑
在该超分子立方体中，Mo 2金属位于立方体每个面的面心，并垂直于该面，指向空腔，四个金属离子Fe 2+或Zn 2+位于立方体的顶点。包含配体A和Zn 2+的立方体中，其每个面的配体都会发生扰动，即Mo 2配体苯胺片段上的两个参与配位的氧原子会产生一定的夹角（图2），而使用Fe 2+配位的立方体则不存在此现象。这种行为的变化可能归因于 Zn 2+和 Fe 2+角立方体之间配体旋转自由度的细微差异。经过相关谱学表征以及电化学测试后发现，对于使用配体B（氟代）构筑的分子笼，配体上苯环的旋转动力学差异较大，从而导致其轨道能量有所差异。这些因素共同作用，导致不同组分的超分子立方体的空腔对四种卤素离子具有不同的亲和性：对于分子笼1和3，其对F -，Cl -，Br -和I -的结合能力均随着卤素离子半径的增大而增大；对于分子笼2和4，其对四种卤素离子的亲和力的趋势相反，2对卤素离子的亲和力随着离子半径的增大而增大，4对卤素离子的亲和力随着半径的增大而减小。这一结果突出了小的电子和空间扰动对溶液中空心笼行为的实质性影响，提供了对纳米尺度上影响主客体相互作用因素的精细洞察，为后续分子设计提供了有价值的参考。该工作以题为“Subtle Ligand Modification Inverts Guest Binding Hierarchy in M II 8L 6 Supramolecular Cubes”发表在2016年的《J. Am. Chem. Soc.》上。
图2. 面心的扰动
参考文献：J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 7264.
5. JACS：用分子笼选择性控制和分离富勒烯二加合产物
富勒烯C 60是一种被长期关注并被详细研究和应用的碳材料。它具有非常特殊的光电性质，因此在太阳能电池，有机发光材料等领域具有广泛的应用。然而，工业中很多功能器件和功能分子的制备都需要对富勒烯进行特定位置，特定数量的化学修饰，选择性的缺乏使得这种材料的修饰和分离往面临巨大的挑战。在这篇文章中，Jonathan R. Nitschke教授团队使用配体L以及金属离子Fe 2+，在乙腈中，70℃反应组装出了一个具有特定空腔大小的立方体。该立方体中，对位的两个Ni之间的距离为19.5 Å，空腔大小为3183 Å 3。对于对位二蒽加合的富勒烯具有非常强的识别能力，而对C 60和单加合物基本没有识别能力。利用这一性质，作者将分子笼，蒽和C 60混合，使C 60和蒽发生加和反应，由于分子笼的存在，反应更加倾向于形成二加合物。该工作以题为“Separation and Selective Formation of Fullerene Adducts within an M II 8L 6 Cage”发表在2017年的《J. Am. Chem. Soc.》上。
图3. 立方体分子笼的制备
图4. 立方体分子笼的选择性识别
参考文献：J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 75.
6. JACS：在分子笼内的复杂组装，实现了不稳定结构的组装！
类似于大环主体分子，更加封闭的分子笼内部空腔同样具有通过各种弱相互作用识别特定客体分子的能力。但是如何利用封闭的分子笼空腔进行复杂的超分子组装，始终是一大挑战，很少有文献报道。在2018年，Jonathan R. Nitschke教授团队使用两种特殊的配体构筑了几种八面体分子笼。
其中一种配体为双铑配合物，在所构筑的八面体分子笼中，金属铑处于面心，提供了笼内的配位位点，可以容纳长度较长的偶联有苯环的双吡啶配体，以及五个吡嗪与Cd 2+的配合物。
图7. 双铑配体分子笼内部的自组装
本文章中所使用的另一种用于构筑分子笼的配体是以锌卟啉为核心的四胺基配体，6个配体与24个2-醛基邻菲罗啉以及18个Zn 2+组装为十面体分子笼，该分子笼的面心均为卟啉中的配位锌原子，这些锌原子提供了空腔内的配位位点。该分子笼内部可以容纳一个钴，镍或锌卟啉，以及一个金属卟啉和一分子或两分子联吡啶的配合物。或者该分子笼内也可容纳Zn 2+与六个联吡啶的配合物。同时，使用含有金属卟啉的十面体分子笼可以包括尺寸匹配的含有萘二酰亚胺的二吡啶配体，并利用萘二酰亚胺与二烷氧基萘之间的电子互补相互作用，在分子笼内再组装一个基于二萘基冠醚的互锁结构。以上所说的各种笼内组装的配合物在笼外均为不稳定的结构，利用分子笼封闭的空腔，实现了不稳定结构的组装。该工作以题为“Otherwise unstable structures self-assemble in the cavities of cuboctahedral coordination cages”发表在《J. Am. Chem. Soc.》上。
图8. 金属卟啉分子笼内的自组装
图9. 分子笼内互锁结构的组装
参考文献：J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 11502.
7. JACS：自组装六重螺旋体
目前发展的主流配位分子笼大多为类似球形对称结构，包含一个近乎球形的孔穴，因此这种分子笼仅能容纳一些近乎球形的分子客体而不适合识别一些不对称的长条状客体。2021年，Jonathan R. Nitschke教授团队采用二甲基联苯二胺与2-醛基萘啶作为有机配体组分，使用银离子及卤素离子或硫酸根阴离子形成的离子簇作为配位组分，构筑了两种长条状的六重螺旋配合物。此配合物具有长条状的空腔。这项工作为银离子金属簇配合物的设计和制备提供了一个不同寻常的例子。该工作以题为“Selective Anion Binding Drives the Formation of AgI8L6 and AgI12L6 Six-Stranded Helicates”发表在《J. Am. Chem. Soc.》上。
图15. 两种六重螺旋配合物结构
参考文献：J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 664.
Jonathan R. Nitschke的工作多年来始终围绕着多组分超分子组装这一议题，以分子笼的超分子化学为核心，通过制备不同结构特点的分子笼，具有不同性质的分子笼并将分子笼应用于不同领域之中。十几年来，Jonathan R. Nitschke坚持其核心研究兴趣，在自组装超分子化学领域做出了杰出的贡献，我们继续期待其接下来的作品。
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来源：高分子科学前沿
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