【人物与科研】上海有机所赵延川研究员课题组：基于受限空间设计的仿生超分子受体
导语
赵延川研究员课题组简介
中国科学院上海有机化学研究所赵延川课题组成立于2017年，隶属于中国科学院有机氟化学重点实验室，主要研究方向为有机氟化学、超分子化学、功能性有机聚合物及多孔材料。课题组成立以来已在Chem. Rev., Org. Lett., Cell Rep. Phys. Sci., Anal. Chem., J. Am. Chem. Soc. 等期刊发表多篇文章。课题组内有UPLC-MS、GPC、高压制备色谱、中压快速色谱纯化系统、比表面孔径分析仪、手套箱、溶剂纯化系统等一流科研设备，科研条件完备，欢迎有志于从事相关研究的优秀人才加入。
课题组：http://zhaolab.renjucs.com/
赵延川研究员简介
2007年本科毕业于吉林大学化学系；2012年5月获中科院上海有机化学研究所理学博士学位，师从胡金波研究员；之后在美国麻省理工学院化学系Timothy M. Swager课题组从事博士后研究，研究领域为新型化学传感方法、机械化学及有机多孔材料。2017年任中国科学院上海有机化学研究所课题组长、博士生导师。
前沿科研成果
基于受限空间设计的仿生超分子受体
图一 超分子calix[4]trap的设计与合成
（来源：J. Am. Chem. Soc.）
金属离子在心跳、肌肉收缩及信号传导等生理活动具有至关重要的作用。在漫长的进化中，生命体发展出多样的功能基元用来控制离子的选择性识别和传输。例如，离子载体缬氨霉素 （Valinomycin）通过6个羰基形成离子识别空腔在热力学上实现对K+/Na+的有效区分，而钾离子通道则利用具有连续的络合位点受限孔道，控制不同离子的传输速率。仿生设计的超分子体系常常仅模拟单一的仿生结构或者识别机制，而将不同的识别机制整合在同一个超分子受体中，则可能实现多样的功能及更高的选择性。在本研究中，研究人员利用“翻转-锁定”的策略将冠醚结构包裹在受限空间内部。这种设计在可以保持原有离子络合环境的情况下，改变离子络合的路径，迫使离子通过狭长的络合孔道进入受体内部（图一），将经典的冠醚转变成具有连续离子络合位点的离子阱。研究表明，杯芳烃离子阱具有极高的钾钠选择性，离子进入受限孔道需要完全脱除溶剂。这一特性使水合钠离子的络合变得更为不利，而钾离子络合所受影响较小，进一步促进钾钠离子的高选择性识别。对于大小不同的一价金属离子，离子与杯芳烃离子阱的络合速率随着离子半径的增大显著变慢。因此，对于络合强度相似的离子（e.g. K+ and Rb+），可以利用络合速度的差异在非平衡态实现离子的高效分离（图一C）。
图二 主客体行为研究及离子分离应用
此外，杯芳烃离子阱与金属离子络合后，可以将其与抗衡离子空间分隔，极大地降低离子之间的静电作用。由于完全破坏二价阳离子与抗衡离子之间的静电力在能量上很不利，二价碱土金属难于进入受限的离子络合孔道，因此利用杯芳烃离子阱可以近乎完美的区分一价和二价金属阳离子。离子分离实验表明，通过络合速率差异，杯芳烃离子阱可以从等量钾、铷、铯离子中高选择性地提取钾离子（钾>99%）。而利用络合强度的差异可以在常见的金属离子混合物（锂、钠、钾、钙、镁、锌和钡）中，以大于99%的纯度选择性分离得到钾离子（图二）。由于存在多种分离机制，杯芳烃离子阱也可以用于高效分离Rb+/Ba2+、 Rb+/Cs+、 Rb+/Na+等不同离子对。
图三 主客体识别机理研究
（来源：J. Am. Chem. Soc.）
机理研究表明，离子与杯芳烃离子阱的络合是一个分步过程，即杯芳烃入口起着“守门员”的作用，先对离子进行快速预识别，之后再将离子较缓慢地“吞”入内部的络合空腔（图三）。这种独特识别机制有可能用于设计智能分子识别系统。
总结
赵延川研究团队通过模仿空间受限的生物离子通道及缬氨霉素高度预组织的离子络合环境，发展了一类新型的超分子受体——杯芳烃离子阱。这些离子受体同时具备基于动力学和热力学识别区分机制，可以在平衡态与非平衡态实现对客体分子的高选择性识别。此外，这项研究阐释了受限空间及连续络合位点在分子识别过程中的独特作用，离子络合具有明确的路径，识别过程中实现了离子在空间上的移位。将受限空间与正交的识别选择机制结合，有望设计出多种分子识别过程高效并行的仿生系统。
论文的第一作者是中国科学院上海有机化学研究所博士生徐振创。上述研究以“Calix[4]trap: A Bioinspired Host Equipped with Dual Selection Mechanisms”为题，于2021年近日在线发表于《美国化学会刊》（Journal of the American Chemical Society）。该项目得到了国家自然科学基金委、中科院上海有机化学研究所及中科院有机氟化学重点实验室的资助。