基于脯氨酸的三脚架状笼状化合物：捕获亲水性和两亲性氟化物物质的新突破

在合成受体设计中，识别亲水性底物颇具挑战。研究人员开展了基于脯氨酸的三脚架状笼状化合物研究。结果显示，该化合物能在水相中选择性结合亲水性和两亲性氟化物物质，为设计多功能合成受体提供新框架，助力传感和生物医学领域发展。

　　在奇妙的化学世界里，分子间的相互识别就像一场精准的 “配对游戏”，对生命活动和环境科学至关重要。在生物体内，蛋白质能像变形金刚一样，灵活调整自身构象，精准识别并结合特定的分子，比如利用与底物相似水亲和力的氨基酸残基，巧妙地与水化配体相互作用，这一过程高效且精准。然而，在合成受体的设计领域，科学家们却面临着巨大的挑战。多数人工受体擅长结合去溶剂化的物质，可对于亲水性底物，由于其与周围水化层紧密相连，要实现高效识别和结合困难重重。例如氟化物，它具有高达 -429 kJ/mol 的高水合能，对人体健康影响重大，但在水相中实现高亲和力的氟化物结合极为不易。还有全氟和多氟烷基物质（PFASs），这类两亲性物质是环境中的 “顽固分子”，传统的去除方法存在诸多弊端，难以满足实际需求。因此，开发能在水相中有效识别亲水性和两亲性物质的合成受体迫在眉睫。

为了解决这些难题，美国南佛罗里达大学（University of South Florida）和华盛顿大学（Washington University）等机构的研究人员展开了深入研究。他们致力于设计一类具有特殊结构和功能的有机受体，期望能够模拟蛋白质的动态构象变化，实现对亲水性和两亲性物质的高效捕获。最终，他们成功开发出一系列基于脯氨酸的三脚架状有机笼，相关研究成果发表在《Nature Communications》上。这一突破为合成受体的设计和应用开辟了新的方向，有望在环境监测、疾病诊断和治疗等多个领域发挥重要作用。

在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先是核磁共振光谱（NMR spectroscopy），它就像分子的 “透视镜”，通过分析不同环境下分子的信号变化，研究人员能够清晰地观察到分子的结构和动态变化；其次是 X 射线衍射分析（X-ray diffraction analysis），该技术能够精确测定分子的晶体结构，为揭示分子间的相互作用提供了关键信息；等温滴定量热法（Isothermal Titration Calorimetry，ITC）则用于测量分子结合过程中的热力学参数，帮助研究人员深入了解结合机制。

受体设计

研究人员精心设计了三脚架状有机笼，其结构宛如一座精巧的 “分子城堡”。以苯三甲酰胺为 “城堡” 的上下层，通过三根由氨基酸残基和 1,3 - 二氨基苯衍生物（DAB）组成的 “支柱” 连接。氨基酸残基可从 20 种标准氨基酸中灵活选择，如同为 “城堡” 配备了不同功能的 “模块”，赋予了笼子结构的多样性和对亲水性、疏水性的精准调控能力。同时，DAB 单元还能进行修饰，进一步优化笼子的内部结合环境，增强与底物的相互作用。

合成与表征

研究人员选用谷氨酸（Glu）、脯氨酸（Pro）和丙氨酸（Ala），凭借它们不同的柔韧性和疏水性，合成了一系列有机笼，如CGlu?、CPro?和CAla?等。这些有机笼的合成过程犹如搭建一座复杂的积木城堡，经过多步反应精心构建而成。核磁共振光谱和质谱分析结果表明，合成过程顺利，成功得到了目标产物。通过对不同有机笼的 NMR 光谱分析发现，CGlu?在溶液中呈现高度对称的构象，而引入脯氨酸的CPro?NH2??和CPro?Cy?NH2??则采用了不对称构象。这一差异就像不同的建筑风格，体现了氨基酸对笼子结构的显著影响。

X 射线衍射分析

利用悬挂滴气相扩散法，研究人员成功获得了CGlu??Mg2+复合物、CPro?NH2??和CPro?NH2???NaI复合物的晶体。X 射线衍射分析结果显示，CGlu?在固态下的构象与溶液中的平均构象不同，其腔内存在水分子和相邻笼子的部分 DAB 单元，展现出良好的适应性。CPro?NH2??在固态下，其腔体在不同条件下会发生变化，无水时会塌陷，而与 NaI 形成复合物时则呈现高度对称的构象。这一现象表明，CPro?NH2??能够根据周围环境和结合的分子，灵活调整自身构象，就像一个智能的 “分子容器”。

阴离子结合研究

这些有机笼富含氢键位点，是优秀的阴离子受体。研究人员利用四丁基铵卤盐（TBA+F?、TBA+Cl?、TBA+Br?和 TBA+I?）探究受体与底物的相互作用。通过1H NMR 光谱、Job plot 分析和 ITC 等实验手段发现，CPro?NH2??在乙腈和水中对氟离子（F?）具有极高的亲和力和选择性，且在水中的结合过程呈现出独特的熵驱动吸热机制。这一机制与传统的阴离子结合模式不同，为设计新型阴离子受体提供了全新的思路。

PFAS 结合与去除

研究人员还深入研究了CPro?NH2??与两亲性 PFAS 的相互作用。以全氟辛酸（PFOA）、全氟辛基磺酸（PFOS）和全氟 - 2 - 丙氧基丙酸（GenX）为模型化合物，通过多种实验方法，如 UV - 可见光谱、ESI - HRMS、ITC 和 X 射线衍射分析等，确定了它们与CPro?NH2??形成复合物的化学计量比和结合常数。结果表明，CPro?NH2??对这些 PFAS 具有较强的结合能力。进一步研究发现，其疏水衍生物CPro?Cy?NH2??能有效从水中去除 PFAS，在不同浓度下都表现出高效的去除效率，且具有良好的选择性。

研究结论和讨论部分指出，基于脯氨酸的三脚架状笼状化合物在水相中展现出独特的分子识别能力，尤其是对亲水性氟化物和两亲性 PFAS 的高效结合。这种独特的性质源于其高度水化的结合口袋和灵活的构象变化，就像一个量身定制的 “分子捕手”，能够精准地捕获目标分子。这一研究成果不仅为合成受体的设计提供了新的理论依据和实践指导，还为解决环境中 PFAS 污染问题提供了潜在的解决方案。同时，也为生物医学领域的药物设计和疾病诊断等方面提供了新的思路和方法，有望推动相关领域的进一步发展，在生命科学和健康医学领域具有重要的应用价值。