Nat. Commun.:用于可编程超分子功能的序列编码层状异配金属 [2] 索烃

分子信息正逐渐成为一种具有变革性的范式，其应用范围远超核酸的遗传密码。信息可被编码于具有独特结构与化学特征的分子骨架中，由此重新定义了分子层面上信息的存储、加工与传递方式。在自组装过程中，功能基序的空间排布扮演着 “分子密码”的角色，它主导着分子间的相互作用、对称性及动态响应路径，并最终决定了体系的涌现功能。这些原理为先进功能材料的“自下而上”设计奠定了坚实基础，对仿生制造、能量转换以及手性技术等领域均具有重要意义。

尽管已取得上述进展，但建立分子层面功能基序序列与组装体系宏观性能之间精准的构效关系，仍是一项核心挑战。目前，关于具有特定基序序列的组装体的可控设计研究仍较为有限。绝大多数研究都聚焦于以空腔为核心的功能，这类功能源于基序的各向异性径向排布（图 1a，适用于金属笼）或环形排布（图 1b，适用于金属环），尤其在分子识别和限域催化领域应用广泛。相比之下，针对层状或平面网格状等新型空间排布方式，及其对电子传输、光学行为和机械性能等性能影响的系统性研究仍十分匮乏。因此，迫切需要构建具有超越径向结构的空间构型的自组装体系，以阐明特定基序排布如何转化为体系层面的功能。

图 1 超分子体系中不同功能基序的三种排布方式及其对应序列的示意图

基于先前在金属-氮杂环卡宾（NHC）组装体领域的研究基础，作者发现四核金属[2]索烃（MCAT）是实现这一研究目标的理想平台。与传统金属笼和金属环所采用的径向排布不同，MCAT中的四个氮杂环卡宾配体呈现出独特的立体层状构型。两种或三种尺寸匹配的氮杂环卡宾配体与四个银（I）节点进行异配组装时，理论上可分别得到具有8种和18种潜在序列的金属[2]索烃（图1d、图1e），为探究立体层状结构中的序列-功能关系提供了灵活高效的研究平台。

本研究报道了三种具有整合自分类行为的异配金属[2]索烃的选择性构筑，其中包含两种不同的双组分序列和一种三组分序列。这些组装体既可通过氮杂环卡宾配体与银（I）节点的直接组装制得，也可通过超分子融合策略，由均配前驱体经结构转化得到。单晶X射线衍射与高分辨质谱分析明确验证了所有产物的结构。结合DFT的辅助理论计算表明，所制备金属[2]索烃的结合能显著低于其各同分异构体，证实了目标结构具有热力学优势。此外，光热转换实验显示产物性能具有序列依赖性，这一特性可归因于不同功能基序之间的电荷转移相互作用。综上，本研究证实异配金属[2]索烃是探究多组分组装体中功能基序空间排布与宏观功能之间关系的高效平台。该方法为分子编码原理在功能性超分子体系设计中的应用提供了全新思路。

均配金属[2]索烃MCATAAAA与金属环MRBB的合成及表征

作者以2,7-二溴吩嗪和2,6-二溴蒽为起始原料，经四步反应分别制备得到咪唑并[1,5-a]吡啶盐配体前驱体H₂A与H₂B。选取这类咪唑并[1,5-a]吡啶基氮杂环卡宾配体，是因其能满足分子平面间最优间距（约6.6 Å）的结构要求，可通过精准的π体系堆叠，驱动机械互锁型超分子结构的定向组装。将配体前驱体H₂A与过量氧化银在乙腈中混合，避光、65℃条件下反应12小时，即可以93%的收率获得均配金属[2]索烃MCAT_AAAA（图2，方法a）。通过二维核磁共振波谱与电喷雾电离质谱对产物进行了验证。

图 2 基于双氮杂环卡宾配体 H₂A、H₂B 及 H₂C 的金属 [2] 索烃自组装过程与组装体的结构转化

图 3a 展示了均配金属 [2] 索烃MCAT_AAAA的单晶 X 射线衍射结构。两个完全相同的双核金属环MR_AA相互穿插，形成霍普夫链拓扑结构。单晶 X 射线衍射分析表明，四个吩嗪环之间存在强效的π⋯π堆叠作用，相邻吩嗪环平面间的质心间距分别为 3.4 Å、3.3 Å 和 3.4 Å。这类分子间相互作用是驱动互锁结构形成的主要动力。此外，两个 “内层”吩嗪环之间的交叉角度约为 85°，而 “外层” 相邻的成对吩嗪环则近乎平行。

图 3 含一种、两种及三种不同配体的均配与异配多组分组装金属 [2] 索烃的 X 射线单晶结构

然而，当配体前驱体H₂B（其蒽环结构替换了H₂A中的吩嗪环）在与制备MCAT_AAAA完全相同的条件下与Ag₂O反应时，仅分离得到结构简单的双核金属环MR_BB，并未形成互锁拓扑结构（图 2，方法 b）。通过核磁共振波谱与电喷雾电离质谱对MR_BB进行了表征。上述结果表明，相较于纯碳氢芳香基团，杂芳香基团在构筑互锁拓扑结构方面具有更为显著的优势。

含两种不同双氮杂环卡宾配体的异配金属 [2] 索烃的合成与表征

受前期研究工作的启发，两种尺寸相近、电子中心电性相反的氮杂环卡宾配体之间的电荷转移相互作用，能够促进银（I）-氮杂环卡宾异配组装体的形成，同时抑制银（I）-氮杂环卡宾均配组装体的生成。基于此，作者采用了类似策略来构筑双组分金属[2]索烃。作者引入了配体C。该氮杂环卡宾配体与配体 A、B 尺寸相近，但电荷中心电性相反。此前的研究表明，这类配体可高收率构筑均配金属 [2]索烃MCAT_CCCC（图 2，方法 c）。配体前驱体H₂C的核心结构具有给电子特性，当它与含缺电子芳香骨架的双氮杂环卡宾配体在氧化银金属前驱体存在下进行定向组装时，有望构筑新型异配金属 [2] 索烃体系。在给体 - 受体配体对的互补电子作用，以及银（I）节点的定向配位偏好共同驱动下，该类组装体预计将展现出更高的热力学稳定性与结构复杂性。

作者将配体前驱体H₂A与H₂C按 1:1 的摩尔比混合，与稍过量的Ag₂O在乙腈中加热反应，反应确实以92%的收率单一制得异配金属 [2] 索烃（图 2，方法 d）。在室温条件下，向该乙腈溶液中缓慢扩散乙醚，成功获得适用于单晶 X 射线衍射分析的黄色块状晶体。单晶结构分析明确证实了该异配金属 [2]索烃的组成为序列 CAAC 型结构（图 3b）。这种排布方式使配体骨架间形成广泛的π⋯π堆叠作用，堆叠模式为芘–吩嗪–吩嗪–芘，相邻环平面间的平均间距约为 3.3–3.4 Å。这种具有给体 - 受体 - 受体 - 给体堆叠模式的异配金属 [2] 索烃能够选择性形成，这一现象充分体现了一种独特的分子内自分类行为。该自分类行为有别于公认的经典模式，在经典模式中，给体与受体芳香单元通常会形成互补交替的堆叠结构，这种结构被认为是实现最优电子重叠的最理想排布方式。

结合配体前驱体H₂A（图 4a）、H2C（图 4c）的氢核磁共振谱，以及MCAT_CAAC的二维核磁共振谱数据，我们可以对MCAT_CAAC氢核磁共振谱中的特征峰进行清晰指认（图 4d），且这些峰的特征与异配金属 [2] 索烃的结构表征结果一致。MCAT_CAAC的氢核磁共振谱（图 4d）呈现出一组信号峰，每种配体对应的信号积分强度均等。谱图中共有 15 个芳香族质子信号峰，这表明在该互锁组装体中，每种配体均保持着二重对称性。吩嗪单元上的芳香族质子 H9’、H13’和 H10’的共振信号出现显著高场位移；而芘基团上的质子 H13、H14 和 H11 的共振信号化学位移则相对低场，这种位移特征源于它们处于互锁结构空腔内的屏蔽环境中。此外，MCAT_CAAC的氢扩散排序核磁共振谱仅显示出一个扩散系数，这表明体系中仅形成了单一化学计量比的组装体。此外，电喷雾电离质谱数据进一步证实了MCAT_CAAC溶液中的组装行为。

图 4 核磁共振波谱与电喷雾电离质谱分析

随后，作者将配体前驱体H₂B与H₂C按 1:1 的摩尔比混合，在与制备MCAT_CAAC完全相同的反应条件下与Ag₂O反应，成功制得异配金属 [2] 索烃MCAT_CBBC，收率为 90%（图 2，方法 e）。通过向该组装体的乙腈溶液中缓慢扩散乙醚，作者获得了MCAT_CBBC的单晶。与组装体MCAT_CAAC的研究方法一致，作者同样对异配金属 [2] 索烃MCAT_CBBC在溶液中的结构进行了表征。

考虑到银–氮杂环卡宾键（Ag–CNHC）的不稳定性，以及氮杂环卡宾配体与银（I）离子能够高效组装形成双组分金属 [2] 索烃，我们随后开展实验，探究这类异配组装体系能否通过均配组装体的重排反应生成。实验结果证实，将MCAT_AAAA与MCAT_CCCC按 1:1 的比例混合，反应可在数秒内快速转化为异配金属 [2] 索烃MCAT_CAAC（图 2，方法 f），氢核磁共振谱结果也印证了这一结论。有趣的是，尽管配体前驱体H₂B与氧化银反应仅能生成双核金属环MR_BB，而非金属 [2] 索烃，但将MCAT_CCCC与MR_BB按 1:2 的比例在氘代乙腈中混合，二者仍可快速转化为MCAT_CBBC（图 2，方法 g），氢核磁共振谱同样证实了该转化过程。这些融合反应表明，通过整合自分类选择性生成的异配金属 [2] 索烃MCAT_CAAC与MCAT_CBBC，是热力学上更具优势的反应产物。

为探究MCAT_CAAC与MCAT_CBBC的结构是否会随溶液浓度及温度发生变化，作者开展了浓度稀释实验与变温实验。在氘代乙腈中对MCAT_CAAC和MCAT_CBBC进行变浓度氢核磁共振测试，结果显示，当溶液浓度从 6.0 mM 稀释至 0.1 mM 时，仅特征峰强度逐渐降低，而峰的数量及积分比基本保持不变。在 - 20~65℃的温度范围内，对氘代乙腈中的MCAT_CAAC和MCAT_CBBC进行变温氢核磁共振测试，发现信号峰的数量、峰形及化学位移均无明显变化。上述结果表明，MCAT_CAAC与MCAT_CBBC在乙腈溶液中均可保持结构稳定，不会发生改变。此外，对MCAT_CAAC和MCAT_CBBC开展核磁共振滴定实验，当溶剂由氘代乙腈逐步替换为氘代DMF时，两种组装体的特征质子共振信号仅出现连续位移。该位移现象符合预期的溶剂效应，说明MCAT_CAAC与MCAT_CBBC在DMF环境中同样能维持结构完整性。

含三种不同双氮杂环卡宾配体的异配金属 [2] 索烃MCATCABC的合成与表征

基于上述实验结果，作者探究能否通过两种异配金属 [2] 索烃的进一步融合，实现体系结构复杂度的提升。作者对异配金属 [2] 索烃MCAT_CAAC与MCAT_CBBC的结构进行了细致分析，发现二者不仅具有相同的芘桥连外层配体，其内层配体的结构差异也仅为两个原子。鉴于MCAT_CAAC与MCAT_CBBC在结构和组成上的相似性，我们推测二者的融合反应能够生成序列更为多样的异配金属 [2] 索烃。将两种异配金属 [2] 索烃MCAT_CAAC与MCAT_CBBC按 1:1 的摩尔比在氘代乙腈中室温混合（图 2，方法 h），核磁共振谱图中出现了一组新的复杂信号峰（图 4f）。这一现象表明体系通过自分类过程形成了一种新型组装体，我们将其命名为MCAT_CABC。此外，反应混合物的氢扩散排序核磁共振谱仅显示出一个扩散系数，说明体系中仅生成了单一化学计量比的组装体。电喷雾电离质谱数据进一步证实了组成为[Ag₄(A)(B)(C)₂]的产物生成（图 4i）。

通过向该化合物的乙腈 - 二甲亚砜混合溶液中缓慢扩散乙醚，获得了适用于单晶 X 射线衍射分析的MCAT_CABC组装体单晶。值得注意的是，单晶 X 射线衍射分析结果（图 3d）明确证实MCAT_CABC为金属 [2] 索烃结构，且包含三种截然不同的双氮杂环卡宾配体。这一结构或许是目前已成功构筑的、配体差异化程度最高、结构精准度最优的金属 [2] 索烃。此外，MCAT_CABC组装体的固态结构表明：一个双核金属环MR_AC由吩嗪桥连的双氮杂环卡宾配体 A、芘桥连的双氮杂环卡宾配体 C，通过两个银（I）离子连接而成；另一个双核金属环MR_BC则由配体 C 与蒽桥连的配体 B，经两个银（I）离子支撑构成。尤为关键的是，两个芘单元位于两个互锁金属环的空腔外侧，蒽单元与吩嗪单元则贯穿另一个互锁金属环，最终形成芘–蒽–吩嗪–芘的平行排布方式。在MCAT_CABC的固态结构中，芘基团与蒽基团之间存在π⋯π堆叠作用，其环面间距为 3.4 Å。同时，吩嗪单元与相邻的芘、蒽基团之间存在给体 - 受体相互作用，环间距为 3.3–3.4 Å，这一数据也印证了该相互作用的存在。上述分子间相互作用是该互锁结构得以形成的主要驱动力。通过进行上述相同实验方法后结果表明，异配组装体MCAT_CABC是该反应的热力学最优势产物，以及乙腈和DMF溶液中具有良好的稳定性。

理论研究

两个相同或两个不同的异配双核金属环发生二聚，理论上可以生成具备大量潜在序列的金属 [2] 索烃。然而，上述实验结果仅观测到三种特定的序列结构。为阐明这一选择性自组装现象，作者采用DFT计算开展了理论研究。以MCAT_CAAC为研究对象，重点分析其异配金属矩形结构单元MR_AC。如图 5a 所示，统计分析表明，两个MR_AC单元发生二聚，不仅可以生成MCAT_CAAC，还能形成其他序列异构体（MCAT_AACC与MCAT_ACCA）。作者采用半经验 GFN2-xTB 方法对MR_AC及三种金属 [2] 索烃的结构进行优化，随后使用 ωB97X-D 杂化泛函开展密度泛函理论单点能计算（图 5c）。两个MR_AC单元二聚生成不同金属 [2] 索烃的结合能（EBE）计算结果对比可知，MCAT_CAAC的稳定性显著更高。MCAT_CAAC的这一稳定性结果与实验观测一致，证明 CAAC 组分序列在金属 [2] 索烃的组装过程中具有极高的优势。同理，MCAT_CBBC的结合能远高于MCAT_BBCC与MCAT_BCCB。这一计算结果证实，CBBC 组分序列异构体具备更高的稳定性，与实验观测结果相符。

图 5 由两种金属环单元构筑金属 [2] 索烃的示意图，以及半经验计算与密度泛函理论计算分析

接下来，作者拓展了理论分析，以解释在含三种不同氮杂环卡宾配体的潜在金属 [2] 索烃中，实验仅观测到MCAT_CABC这一现象。与上述情形不同，MCAT_CABC由两种不同的异配金属矩形结构单元（MR_AC和MR_BC）二聚形成。统计分析表明，在排除同二聚体后，还存在另外三种可能的序列异构体：MCAT_ABCC、MCAT_BACC和MCAT_ACCB（图 5b）。经过半经验结构优化以及密度泛函理论单点能计算（图 5c），结果显示： MCAT_CABC的结合能显著更高。这一计算结果证明 CABC 组分序列具有优异的稳定性，与实验中仅生成该产物的现象完全吻合。

近红外光热转换研究

为了准确探究不同共轭平面与堆叠模式对光热转换效率的影响，作者对双核金属环MRBB以及五种具有不同组分序列的金属[2]索烃（MCAT_AAAA、MCAT_CCCC、MCAT_CAAC、MCAT_CBBC与MCAT_CABC）的近红外光热转换性能展开了研究。

如图 6a 和 6b 所示，三种异配金属 [2] 索烃均呈现出特征明显且各不相同的升温过程。具体而言，在波长 808 nm、功率密度 1.5 W cm⁻² 的光照条件下，1.0 mL 浓度为 1.0 mM 的MCAT_CBBC乙腈溶液，温度从22.8℃显著升高至37.3℃。有趣的是，MCAT_CABC的温升幅度（ΔT = 30.1℃，温度由 22.4℃升至 52.5℃）高于MCAT_CBBC（ΔT = 14.5℃，温度由 22.8℃升至 37.3℃）。经计算，MCAT_CBBC的光热转换效率为 39.7%，MCAT_CABC的光热转换效率为 46.5%。与上述两种组装体相比，MCAT_CAAC的温差更为显著（ΔT = 49.3℃，温度由 23.4℃升至 72.7℃）。依据电子补充材料中的公式计算可得，MCAT_CAAC的光热转换效率高达 79.6%。固态结构的分析表明，尽管三种异配金属 [2] 索烃所含的 π・・・π 堆叠作用数量相同，但相较于MCAT_CBBC，MCAT_CAAC与MCAT_CABC的堆叠作用强度更高。此外，在MCAT_CAAC的结构中，两个缺电子的吩嗪骨架与富电子的芘共轭基团相邻且平行排布，更有利于电子传输，这也是MCAT_CAAC具备更高光热转换效率的关键原因。

图 6 近红外光热转换分析

相比之下，均配组装体MCAT_AAAA、MR_BB与MCAT_CCCC的溶液温升幅度显著低于相应异配金属 [2] 索烃的温升幅度。该结果进一步证实，通过改变金属 [2] 索烃结构中不同 π 共轭骨架的配比与排布方式，可有效调控材料的近红外光热转换性能。此外，作者还测试了MR_BB及各类金属 [2] 索烃的电子顺磁共振（EPR）谱图。谱图中出现的强信号证实了体系中存在未成对电子，这与基态下的电荷转移相互作用相吻合。经光照后，MCAT_AAAA、MR_BB、MCAT_CCCC、MCAT_CAAC、MCAT_CBBC与MCAT_CABC的 EPR 信号强度分别提升了 12.9 倍、1.2 倍、2.4 倍、16.3 倍、2.4 倍和 13.9 倍。这一现象与已有的结论一致：在 808 nm 激光照射下，MCAT_CAAC的 EPR 信号增幅最为显著，这也印证了其优异的近红外光热转换效率。

本研究证实，具备立体层状排布结构的异配金属 [2] 索烃，为探究空间分子编码如何调控功能的涌现，提供了通用的研究平台。通过选择性构筑序列明确的组装体，并将其结构与热力学稳定性、光热性能相关联，本研究建立了组装基元排布方式与体系整体性能之间的直接关联。本研究不仅揭示了多组分组装体系中序列–功能关系，同时也强调了分子编码可作为自下而上设计超分子材料的核心指导原则。

将这一策略拓展至其他空间构型与功能基元，能够在复杂度不断提升的组装体系中，实现分子信息的系统性解析。这些研究有望揭示全新的功能涌现模式，涵盖电子传输、光子活性以及自适应力学响应等多个领域。此外，将分子编码原则融入超分子设计，有望重塑构思并构筑功能材料的思路，搭建起分子信息与下一代材料、器件以及能源技术之间的桥梁。

相关工作发表在Nature Communications上，西北大学韩英锋为该文章的通讯作者。

原文：（点击左下角可阅读原文）

Sequence-encoded layered heteroleptic metalla-[2]catenanes for programmable supramolecular Function

Ya-Wen Zhang, Hai-Ning Zhang, Ming-Xia Wang, Xin Li, Ying-Feng Han

DOI:10.1038/s41467-026-68348-w