JACS： 化學(xué)家為MOF寫入“智能識別代碼”，精準(zhǔn)捕獲最難拆分手性藥物

傳統(tǒng)手性分離材料像只能識別固定手勢的掃描儀，而新一代MOF通過模擬生物系統(tǒng)的動態(tài)智能，學(xué)會了“見招拆招”的分子識別藝術(shù)。

在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室里，分離一對分子就像在黑暗中區(qū)分完全相同的左右手套——它們鏡像對稱，物理化學(xué)性質(zhì)幾乎一致，卻可能具有截然不同的生物活性。藥學(xué)界著名的“反應(yīng)停”悲劇，正是因?yàn)槠渲幸环N對映體具有致畸性。手性分離因此成為現(xiàn)代藥物研發(fā)中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)，卻也始終是化學(xué)家面臨的重大挑戰(zhàn)。近日，一項(xiàng)發(fā)表于《美國化學(xué)會志》的研究帶來了顛覆性突破：科學(xué)家們通過點(diǎn)擊化學(xué)為多孔晶體材料植入“仿生智能”，首次實(shí)現(xiàn)了對抗組胺藥西替利嗪的高效手性分離，對映選擇性高達(dá)83%。

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背景介紹

傳統(tǒng)的手性分離材料設(shè)計(jì)遵循“鎖鑰模型”——在材料中構(gòu)建一個(gè)固定的手性空腔，期望它能像鎖一樣匹配特定手性分子這把“鑰匙”。然而，許多重要藥物分子（如本研究中的西替利嗪）具有構(gòu)象柔性，在溶液中會呈現(xiàn)多種形狀。面對這種“變形鑰匙”，固定的“鎖”往往力不從心。自然界的啟示：酶與底物的識別遵循“誘導(dǎo)契合”機(jī)制——識別位點(diǎn)具有一定的柔性，能夠根據(jù)底物形狀發(fā)生適應(yīng)性調(diào)整，實(shí)現(xiàn)高效專一的結(jié)合。核心科學(xué)問題由此產(chǎn)生：能否為人工合成的多孔材料賦予類似的動態(tài)適應(yīng)性，創(chuàng)造出超越傳統(tǒng)“靜態(tài)手性”的智能識別系統(tǒng)？

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文章摘要

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種模塊化后合成點(diǎn)擊策略，基于反電子需求狄爾斯-阿爾德反應(yīng)，將氨基酸衍生的手性單元精準(zhǔn)植入U(xiǎn)iO-68型MOF的孔道中。關(guān)鍵突破在于：所有材料都具有相同的骨架和手性中心，但僅有組氨酸功能化材料表現(xiàn)出對西替利嗪的優(yōu)異對映選擇性。通過多尺度理論模擬發(fā)現(xiàn)，組氨酸的咪唑側(cè)鏈能夠在限域空間中發(fā)生動態(tài)重組，形成與目標(biāo)分子幾何和化學(xué)特征互補(bǔ)的“自適應(yīng)口袋”，而丙氨酸和苯丙氨酸則缺乏這種重構(gòu)能力。

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文章內(nèi)容

3.1范式轉(zhuǎn)變——靜態(tài)識別 vs. 自適應(yīng)識別

這張概念圖清晰地闡釋了本研究的核心理念——將對映選擇性從預(yù)先編程的靜態(tài)屬性轉(zhuǎn)變?yōu)橹骺腕w相互作用觸發(fā)的動態(tài)過程，更接近生物識別本質(zhì)。

圖1 左圖展示傳統(tǒng)策略：手性識別位點(diǎn)（橙色星形）被剛性固定在骨架上，形成靜態(tài)的相互作用模式。這種設(shè)計(jì)對形狀固定的簡單分子有效，但無法應(yīng)對構(gòu)象復(fù)雜的客體。右圖呈現(xiàn)新范式：通過肽鍵連接的手性單元（橙色鏈條）在孔道中保持構(gòu)象柔性。當(dāng)特定對映體（綠色分子）進(jìn)入時(shí)，這些單元能夠發(fā)生協(xié)同重組，通過多重非共價(jià)相互作用形成緊密包裹客體的三維網(wǎng)絡(luò)。

3.2精準(zhǔn)嫁接——點(diǎn)擊化學(xué)的合成藝術(shù)

本圖完整展示了“點(diǎn)擊嫁接”策略的三大優(yōu)勢：條件溫和（保持晶體完整性）、定量高效（>90%轉(zhuǎn)化率）、普適靈活（適用于不同側(cè)鏈氨基酸）。

圖2 a：展示了用作基底材料的UiO-68-TZDC的晶體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部擁有八面體孔籠，四嗪配體暴露在孔道中，是進(jìn)行點(diǎn)擊反應(yīng)的“手柄”。b（上）：展示了由商品化氨基酸合成“點(diǎn)擊模塊”——硅烯醇醚親二烯體的路線。b（下）：展示了點(diǎn)擊反應(yīng)過程。MOF晶體與氨基酸模塊在溫和條件下混合反應(yīng)，晶體由反應(yīng)前的粉色（四嗪特征色）褪為無色，光學(xué)顯微鏡圖像直觀顯示了反應(yīng)完成且晶體形態(tài)保持完好。c：展示了接枝的三種氨基酸片段結(jié)構(gòu)，以及功能化后材料的掃描電鏡圖像，證明晶體宏觀形貌未受損。d：粉末X射線衍射圖譜證明，功能化前后材料的晶體結(jié)構(gòu)得到完美保持。e：氮?dú)馕降葴鼐€表明，接枝后材料仍保持多孔性，但孔體積因接枝基團(tuán)的占據(jù)而減小，孔徑分布顯示大孔有所減少。f：圓二色譜證明，功能化后的材料產(chǎn)生了明顯的光學(xué)活性信號，且信號與游離氨基酸不同，說明手性成功引入并受到了MOF骨架環(huán)境的影響。

3.3膜性能巔峰：突破權(quán)衡上限的實(shí)測證據(jù)

這一對比實(shí)驗(yàn)是全文最直接的證據(jù)——手性中心的存在是必要條件，但非充分條件。僅組氨酸能產(chǎn)生高選擇性，強(qiáng)烈暗示其側(cè)鏈化學(xué)性質(zhì)（咪唑基的可質(zhì)子化氮、芳香性、氫鍵能力）在自適應(yīng)識別中起關(guān)鍵作用。

圖3 a：示意圖表明，在相同的MOF骨架上安裝不同側(cè)鏈的氨基酸，用以研究局部化學(xué)環(huán)境對識別的影響。b：高效液相色譜結(jié)果是性能的直觀體現(xiàn)。對于西替利嗪消旋體（最上方“Racemate”譜圖，兩個(gè)峰等高），只有經(jīng)過 UiO-68-(L)-His 材料吸附后的溶液，其色譜圖中 (R)-CTZ 的峰遠(yuǎn)高于 (S)-CTZ 的峰，計(jì)算表明對映體過量值高達(dá)80%。這意味著材料選擇性吸附了(S)-型對映體。而Ala和Phe修飾的材料，吸附前后兩個(gè)峰幾乎等比例降低，沒有選擇性。

3.4機(jī)理揭秘——自適應(yīng)口袋的原子視圖

組氨酸側(cè)鏈的構(gòu)象柔性允許局部環(huán)境“重塑”，形成一個(gè)在形狀和化學(xué)上都與(S)-CTZ過渡態(tài)構(gòu)象更匹配的“口袋”，通過協(xié)同的分散相互作用和π效應(yīng)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力識別，這正是“自適應(yīng)”的微觀體現(xiàn)。

圖4 a：展示了(S)和(R)-西替利嗪在肽功能化孔道中的低能量構(gòu)象。(S)-型更傾向于位于八面體與四面體孔籠的交界處，此處空間限制可能有利于相互作用。b：相互作用能差的量化數(shù)據(jù)。對于His-MOF，(S)型與(R)型客體和框架的相互作用能差高達(dá) -12.2 kcal/mol，遠(yuǎn)高于Phe-MOF的-3.1 kcal/mol。這巨大的能量差異從熱力學(xué)上解釋了高選擇性的來源。c & d：展示了(S)-CTZ和(R)-CTZ在His-MOF孔道中的最穩(wěn)定構(gòu)象。

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總結(jié)展望

這項(xiàng)工作不僅開創(chuàng)了自適應(yīng)手性材料設(shè)計(jì)的新范式，更為未來智能分離系統(tǒng)的開發(fā)繪制了清晰的藍(lán)圖：通過“序列工程”將單氨基酸擴(kuò)展為可編程的多肽序列，有望實(shí)現(xiàn)對不同手性分子的定制化識別；進(jìn)而，通過設(shè)計(jì)對pH、光等外部刺激敏感的接枝單元，可發(fā)展出能動態(tài)調(diào)節(jié)選擇性的“智能”分離材料；更進(jìn)一步，將此類自適應(yīng)口袋與催化位點(diǎn)結(jié)合，可構(gòu)筑手性合成與分離一體化的協(xié)同體系；而借助點(diǎn)擊化學(xué)的模塊化優(yōu)勢，快速構(gòu)建功能化MOF材料庫并與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，將形成一套從高通量篩選到理性設(shè)計(jì)的材料研發(fā)新范式，最終推動手性科技向仿生、自適應(yīng)和智能化的時(shí)代邁進(jìn)。

文獻(xiàn)信息

Guillermo Gómez-Tenés, Alechania Misturini, Neyvis Almora-Barrios, Sergio Tatay, Natalia M. Padial,* Carlos Martí-Gastaldo*. Click-Enabled Grafting for Adaptive Chiral Recognition in Porous Crystals.Journal of the American Chemical Society. 2026. https://doi.org/10.1021/jacs.5c17377

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