扭結(jié)（Knot）是指三維空間中不與自身相交的封閉曲線，通俗一點說就是無法被解開的圓圈，是拓?fù)鋵W(xué)當(dāng)中的一類圖形。例如，最簡單的非平凡扭結(jié)是三葉結(jié)，相當(dāng)于兩個交叉的結(jié)的末端相連而成（圖一）。這類幾何形狀在分子結(jié)構(gòu)中也有出現(xiàn)，天然的分子結(jié)（Molecular knot）存在于DNA、蛋白質(zhì)和一些長鏈的高分子當(dāng)中，這些三維結(jié)構(gòu)能夠改變分子的一些物理化學(xué)性質(zhì)，并影響著一些生物大分子的功能表達(dá)。不過，這些復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)對分子理化性質(zhì)的影響機理目前還難以探究，同時，通過化學(xué)方法合成一定純度的復(fù)雜分子結(jié)也是研究者們需要攻克的一大難題。
圖一、最簡單的非平凡扭結(jié)——三葉結(jié)。圖片來源：Wikipedia
英國曼徹斯特大學(xué)的David A. Leigh教授課題組致力于分子結(jié)制備和性質(zhì)的研究，并在前期的工作中將聯(lián)吡啶衍生物小分子鏈“打”出了“五葉結(jié)”（pentafoil knot）的結(jié)構(gòu)（Nature Chem., 2012, 4, 15-20, DOI: 10.1038/NCHEM.1193; Nature Chem., 2014, 6, 978-982, DOI: 10.1038/NCHEM.2056）。最近，Leigh研究團隊在優(yōu)化制備“五葉結(jié)”方法的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了結(jié)內(nèi)配位金屬的除去和再配位，并嘗試探究了金屬配離子對“五葉結(jié)”催化碳鹵鍵斷裂的催化性能的影響，這項工作發(fā)表在了《Science》雜志上（Allosteric initiation and regulation of catalysis with a molecular knot. Science, 2016, 352, 1555-1559, DOI: 10.1126/science.aaf3673）。下面就隨小編一起圍觀一下大神這篇充滿藝術(shù)感的大作。
作者首先將聯(lián)吡啶的衍生物——分子1與1.25當(dāng)量的FeCl2混合，并在溶劑DMSO中加熱，在KPF6溶液中沉淀分離后得到了通過聯(lián)吡啶配位Fe2+而交疊的5條分子1鏈。在這個五葉形結(jié)構(gòu)的中心，通過長程相互作用嵌入了一個Cl-。之后，作者使用Hoveyda-Grubbs第二代催化劑，將5條分子1鏈的末端兩兩相連，形成了閉合的“五葉結(jié)”，即[Fe52·Cl](PF6)9。[Fe52·Cl](PF6)9可以通過Na4EDTA溶液洗去Fe2+，從而得到不含金屬的“五葉結(jié)”分子2。將分子2在Zn(BF4)2溶液中以一定條件處理，可以引入Zn2+，得到嵌有5個Zn2+的“五葉結(jié)”分子[Zn52](BF4)10。除此之外，[Fe52·Cl](PF6)9也可以在NH4BF4的作用下單獨脫除Cl-，得到化合物[Fe52](PF6)10。這些化合物的結(jié)構(gòu)通過核磁共振氫譜（H1 NMR）、電噴霧離子源質(zhì)譜（ESI-MS）等表征方法進行了確認(rèn)。
圖二、“五葉結(jié)”分子合成的示意圖。圖片來源：Science
作者還進一步研究了“五葉結(jié)”分子在催化上的應(yīng)用。[Zn52](BF4)10分子可以將溴代聯(lián)苯甲烷上的Br奪去，形成碳正離子，并進一步水解形成羥基（圖三）。同時生成的[Zn52·Br](BF4)9可以與三氟甲磺酸甲酯反應(yīng)脫Br，重新生成[Zn52](BF4)10分子。即這個“五葉結(jié)”分子在反應(yīng)中起到了幫助斷裂C-Br鍵形成碳正離子的催化作用。
圖三、[Zn52]（BF4）10催化溴聯(lián)苯甲烷的水解。圖片來源：Science
[Zn52](BF4)10分子還能夠通過奪走溴化三苯甲烷的溴形成一種路易斯酸——三苯甲基正離子來催化邁克爾加成反應(yīng)（Michael addition）或者D-A反應(yīng)（Diels-Alder）的進行（圖四）。通過對比實驗發(fā)現(xiàn)，未形成“五葉結(jié)”的分子1鏈即使在FeCl2存在的條件下也無法催化上述反應(yīng)的進行，在配合紫外光譜（UV）等表征手段后，作者佐證了“五葉結(jié)”結(jié)構(gòu)對于切斷C-Br鍵形成碳正離子的重要性。另外，如果將生成的[Zn52·Br](BF4)9分子通過Na4EDTA脫Br-和Zn2+則能得到?jīng)]有切斷C-Br鍵活性的分子2，分子2擁有類似[Zn52](BF4)10分子的脫鹵位點，但受到“五葉結(jié)”外層的金屬離子脫除的影響，中間原有的活性位點失活。若將分子2與Zn(BF4)2作用則重新生成[Zn52](BF4)10恢復(fù)了活性，可以進行新一次的催化。這種分子內(nèi)變構(gòu)調(diào)控另一處位點催化活性的機制與一些酶的作用機制非常類似。
圖四、[Zn52](BF4)10與溴化三苯甲烷作用生成三苯甲基正離子并催化其它反應(yīng)。圖片來源：Science
總結(jié)一下，作者通過精湛的合成技術(shù)制備了可以調(diào)變結(jié)內(nèi)陰離子、陽離子脫除和嵌入的“五葉結(jié)”分子，并將他們作為催化劑應(yīng)用到了部分催化反應(yīng)當(dāng)中，證實了特定結(jié)構(gòu)具有切斷碳鹵鍵的活性，且活性中心的催化性質(zhì)可以受到外側(cè)配位金屬的影響。
簡評：
“分子結(jié)”的制備可謂鬼斧神工，David A. Leigh團隊之前曾對閉環(huán)步驟進行了漫長和深入地探索，最終得到了可以調(diào)變結(jié)內(nèi)金屬離子的“五葉結(jié)”。本文中對每一步產(chǎn)物的表征都非常細(xì)致，部分結(jié)構(gòu)還進行了X射線衍射實驗確定晶體結(jié)構(gòu)。同時，在探究分子的催化性質(zhì)時還設(shè)計了大量的對比實驗，最終確定三苯甲基正離子的生成需要[Zn52](BF4)10分子的參與。通篇工作非常嚴(yán)謹(jǐn)，值得大家學(xué)習(xí)。
http://science.sciencemag.org/content/352/6293/1555