碳水化合物往往結構複雜且具有強親水性，而開發具有高選擇性可識別水中這類物質的超分子化合物具有很大的挑戰性。該文章描述了一類基於芘單元構建的的廟宇狀受體，可用於識別水中一系列糖類化合物。兩個的芘單元被視作為廟宇的屋頂和地板，可以與葡萄糖上C-H鍵形成多個[CH··π]的相互作用。此外，房頂和地板上共有8個突出的極化吡啶C-H鍵可以與疏水空腔內部的糖上一定方向的OH基團形成[C-H…O]氫鍵。四根對二甲苯支柱對於支撐起屋頂和地板有著至關重要的作用。這類分子對於糖類化合物有著高選擇性，且在水中結合糖類化合物後會有強螢光作用，可作為水中葡萄糖傳感器。
圖1：兩種類型的廟宇受體
在這些可識別水中葡萄糖受體中，最成功的的策略之一是英國布里斯托大學的戴維斯開發的廟宇分子（圖1a）。該分子中兩個平行的芳香族面板被視為屋頂和地板，與葡萄糖上的垂直氫原子形成[CH··π]相互作用。此外，具有醯胺或尿素功能的多極柱與OH基團形成[NH···O]氫鍵。這種特殊分子受體在水中與葡萄糖的結合親和力約為104 M1。儘管這類受體具有顯著的結合親和力和底物選擇性，但對糖沒有螢光反應。在這裡，作者報導了PCage-18+和PCage-28+兩個芘基分子籠（圖1b）。芘作為廟宇的屋頂和地板，提供了平坦且富含電子的表面區域。此外， PCage-18+對水中葡萄糖的結合親和力為213 M1，在紫外光照射下會發出明亮的綠色，在水中也具有高螢光性，與葡萄糖結合時還會發生螢光增強的現象。
圖2：PCage·8Cl的合成
從眾所周知的化合物1,3,6,8-四（吡啶-4-基）芘（TPP）開始，作者分兩步合成了異構體PCage-1·8Cl和PCage-2·8Cl（圖2）。關鍵中間體TB·4PF6是由TPP在室溫下使用過量的1,4-雙（溴甲基）苯烷基化後獲得（反應緩慢，大約需要21天）。此後，在120°C下與密封壓力容器中，以四丁基碘化銨（TBAI）為催化劑，芘為模板，熱力學控制下進行成籠反應。催化劑TBAI使得SN2反應可逆，並阻止形成低聚物，從而推動熱力學穩定產物的生成，即芘絡合成籠。粗產物過C18柱分離出兩個結構異構的籠狀化合物——上下交錯的PCage-18+和上下對應的PCage-28+。去除有機溶劑後，通過添加NH4PF6從水中沉澱出含有籠狀物的部分。在MeCN中與TBACl進行離子交換後，PCage-1·8Cl和PCage-2·8Cl的分離產率分別為4%和8%。
圖3：PCage-18+的光物理分析
作者在核磁表徵以及分子動力學模擬分子籠結構後，探討了其光物理性質。PCage18+和PCage28+中存在芘，意味著它們可作為光學活性受體。例如，室光下的PCage18+水溶液為黃色，且三個吸收峰位於304、350和454 nm處（圖3a），而在365 nm紫外光激發下，PCage18+水溶液發出明亮的綠色螢光，發射帶從453 nm延伸至685 nm，發射峰出現在499nm處，斯托克斯位移為45nm。此外，PCage18+的吸收光譜和激發光譜相同，表明其可作為單個分子存在，不會因電荷排斥而在水中聚集（圖3b）。
為了評估PCage18+對H2O中葡萄糖的螢光響應，作者還進行了螢光滴定實驗。數據顯示添加葡萄糖後，螢光強度增強（圖3c），分子的結合使得主客體之間的氫鍵形成並使得受體結構僵化從而導致螢光增強。作者採用1:1受體-底物結合模型對滴定等溫線進行非線性擬合，得到圖3d。其中PCage-18+與葡萄糖之間的關聯常數為286 M1。在生理濃度下，PCage18+和PCage28+對葡萄糖均表現出良好的螢光響應。
圖4：PCage - 18+與葡萄糖結合的1H NMR滴定分析
作者還通過1H NMR滴定研究了H2O中PCage-18+和PCage-28+與葡萄糖的結合 (圖4a)。D質子的共振隨著葡萄糖的加入而移動，而圍繞PCage-18+結合腔的A、B和C質子的共振則向下移動，這表明正是這些質子參與了 [C H··O]氫鍵的形成。外圍的E和F質子化學位移上沒有明顯變化，因為對應質子遠離結合袋。值得注意的是，在與葡萄糖結合時，吡啶質子D和E不是一組是兩組，這表明與不對稱葡萄糖分子的結合使分子籠受體脫對稱。通過跟蹤B質子的化學位移變化，可以擬合出使用1:1受體-底物結合模型結合等溫線(圖4b)，得到的結合常數為218 M1,與螢光滴定得到的286 M1很一致。圖4c擬合結果顯示，PCage18+濃度為100 μΜ與葡萄糖濃度大於30 mM時，超過85%的受體參與結合。與PCage18+相比， PCage-28+在1H NMR譜中表現出類似的共振位移。PCage28+與葡萄糖的結合親和力為128 M1。
表1： 1H NMR滴定法測定PCage-1·8Cl和PCage-2·8Cl與D2O中碳水化合物1:1絡合物的締合常數Ka
圖5：研究中使用的碳水化合物結構
此外，作者還研究了PCage-18+和PCage-28+在水溶液中與其他碳水化合物（表1）的結合（圖5）。PCage18+與PCage28+的Ka值相比，葡萄糖、甲基-β-吡喃葡萄糖苷和纖維二糖的結合常數略高。當與N-乙醯-葡萄糖胺、甲基N-乙醯-β-葡萄糖胺以及其他碳水化合物（如半乳糖、甲基α-甘露聚糖苷和蔗糖）結合時，該受體表現出較好的性能。這些結果表明，分子籠可以通過調節結合腔中的微小結構來結合糖類化合物。
總之，作者已經證明了極化C-H鍵在兩種廟宇受體PCage-18+和PCage-28+的分子結構中重要的用途。兩步合成獲得的受體在水中對葡萄糖表現出良好的結合親和力和選擇性。此外，受體在水溶液中具有明亮的螢光，在生理濃度為1至10 mM時，與葡萄糖結合時，表現出中等程度的螢光增強。從根本上說，作者的研究不僅證明了受體分子中的CH鍵可以有效識別水中的葡萄糖，也提供了一類與葡萄糖結合時發生螢光反應的新分子支架。結果表明，基於吡啶基極化C H鍵可以表現出類似於氫鍵供體的性能，並可用於受體的設計和合成，以解決水中其他物質的分子識別問題。
PCage: Fluorescent Molecular Temples for Binding Sugars in Water
Wenqi Liu, Yu Tan,* Leighton O. Jones, Bo Song, Qing-Hui Guo, Long Zhang, Yunyan Qiu,Yuanning Feng, Xiao-Yang Chen, George C. Schatz, and J. Fraser Stoddart*
DOI：10.1021/jacs.1c06333
J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 1568815700