「寄居」於多孔晶格海綿的客體分子X射線晶體衍射技術

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在2016年，Andrew Cooper組非常奇藝地將固體的多孔性賦予到溶液中，創造出多孔液體材料。而此次將介紹的是同樣奇藝地將溶液中普遍的主客體識別與結合性質賦予到晶體材料中的「 晶格海綿(crystalline sponge) 」，當然這是來自日本的東京大學Makoto Fujita組，也甚至能用此技術進行非常微量有機分子的無晶體結晶的X射線晶體衍射從而得到絕對構型結構。

因為超分子化學中總會被問，你們做的東西很好看，但是沒有什麼實際用處。有次，我被問起的時候，順嘴想起了這個例子。被我們系大牛品評 這個還算有點意思。（當然絕大多數超分子的東西也絕對不是這種水平的）（很多人認為當人類脫離了日常所需的時候，就會做一些絕對不會對日常所需有直接用處的事情的研究，比如藝術）

在化學合成研究中， 非常令人頭疼的一件事是將辛辛苦苦拿到的有機化合物樣品進行絕對結構的分析，因為核磁和質譜並不能得知化合物的絕對構型，所以一門古老的技術X射線晶體衍射分析派上了用場，然而，這首先依賴於拿到高質量的單晶。對於單晶的培養，依賴化合物足夠純，化學性質足夠穩定，用量大（幾個毫克以上），甚至滿足了這些條件，搬磚工還要測試不同的條件和培養方式去嘗試，但是也很有可能受制於化合物分子柔性和溶液中的性質拿不到單晶。此外，對於一些艱難的全合成的複雜產物，可能只有不到幾個毫克，怎麼捨得扔到這麼大規模的試驗中，更甚者，一些天然的非晶態物質或者揮發性化合物或許根本不可能靠得到單晶的方式進行絕對結構分析。對於生物大分子-蛋白質與核酸的結構分析當然現在也已經依靠冷凍電鏡技術啦。

Makoto Fujita與他的學生為解決晶體結構問題所採用的思路也是巧妙直接，但又充滿藝術下的典型日本科學的工匠精神（下講）。眾所周知，在超分子化學中，在溶液中，主體分子依靠種種分子間非共價鍵相互作用與熵的作用（空腔佔有效應，疏水作用等）將特定客體分子結合在主體分子中。這種相互作用的結果有可能是非常熱力學上穩定的結果，即結合的客體分子與主體分子的空間取向也非常穩定一致。如果能做到一種高質量的具備空腔的主體分子周期性堆積的晶體，將此具備多孔性的單晶置於所要研究的客體分子的溶液中，依靠主體分子與客體分子的強的分子間相互作用與多孔性，讓客體分子擴散進入孔並穩定地進入結合在主體分子空腔中，如果晶體足夠穩定並且客體分子結合的取向一致，那麼對此單晶進行X射線衍射分析，那麼就有可能得到客體分子的絕對構型」寄居「在主體分子或者間隙中。

所以第一張圖，去認識技術過程，a)三啨三吡啶與ZnI2分層融合，在層間配位自組裝成晶格海綿晶體，即b)；c)通過可能長達1周的更換溶劑為環己烷等，替換掉晶格海綿中的溶劑分子硝基苯；d)挑選足夠高質量的晶體，即e)；將晶格海綿浸入到客體分子溶液中，揮發溶劑，將客體分子擴散並進入結合到晶格海綿中，成為g)。X射線衍射。。

這是一張設計思路圖或者實驗步驟圖，Makoto Fujita與其學生所要用的是具備多孔性的「晶格海綿」，並且能夠足夠穩定的堆積成單晶。而且為了能方便這種高質量的單晶能後來被浸入客體分子溶液中而不被溶解破壞，需要其結晶的溶劑是π-π作用的溶劑分子（比如苯的衍生物等）而不是常見的烷烴。因此，三啨三吡啶分子2與碘化鋅（或者異硫氰酸鈷）能夠在均相溶液中形成配位後的超分子八面體籠（更準確說是金屬有機框架結構MOF）。

（不好意思，我的配圖不是閱讀友好性的。如果有興趣跟著理解就能跟上。）像上圖中左上角的就是用Co配位的八面體MOF，它是MOF也就具備絕佳的結晶結果-成為單晶，它是八面體（四個面空，四個面有三啨三吡啶平面）與周期性堆積MOF晶格-賦予晶體材料的多孔性，這都讓它為後來能讓溶劑分子中客體順著多孔擴散進入提供了可能。圖中右上角，即是單個的類似的八面體單體，而下方的圖是晶體結構，能看到八面體cage的空腔。

這裡讓我們思考下，首先，為何八面體cage與近乎MOF的結構如此重要？多孔性是我們所常提起的，所謂孔不僅僅是單個cage的有一些面是孔，從而提供讓客體分子進入的通道，而多孔性也是整個晶體材料具有的性質，提供晶體材料中，孔的存在讓分子在晶體的各個空腔中擴散穿梭，這一點也是MOF提供的多孔性一致，見下圖：

這一張圖與上一張圖的左下角圖，提供了MOF中多孔性的清楚表明，單個的八面體籠M6L4提供了一個小房子，它有4面牆，可是在形成的單晶金屬有機框架材料MOF或者網格晶體Network crystal中這幾面牆互相又會圍成間隙的一些更大的空腔，比如b M12L8和c M12L24。這些孔互相貫通，讓整個晶體變成了晶格海綿，能與外界連通。（Porous organic cages: soluble, modular and molecular pores，這是Andrew Cooper組2016年的Nature Reviews Materials，介紹了多孔材料的性質）。但是如何提供晶格海綿與客體分子的強的分子間相互作用？也就是如何能讓晶體浸在客體分子溶液中，也能使客體分子擴散進入孔之後，能有效地穩定地讓客體分子結合進入空腔與空隙，並且結合成特定的取向，以滿足後面的單晶衍射的？這是我們的第2個問題。

三啨三吡啶這個分子作為形成八面體籠與間隙籠子的牆的性質並不普通，它本身的缺電子性與弱的路易斯酸性，讓它能與客體分子間形成有效的π-π，CH-π，電子轉移相互作用。這也就能讓客體分子與三啨三吡啶平面形成有效的取向堆積，進而在晶格海綿中客體分子擴散進入後，能夠形成熱力學穩定的，取向一致的結合。（而在Makoto Fujita能做出這麼多超分子的催化反應，但是相較之，Nitschke也擁有漂亮的水中的cage卻鮮有催化反應的原因就應該是在此，三啨三吡啶平面所賦予的特定取向的客體結合與高的結合常數讓反應成為了可能，而缺失了三啨三吡啶平面的籠子基本結合客體的常數都不會那麼高，會有相當一部分客體分子存在於籠子之外的溶液體系中）

上圖左側a為晶格海綿中結合了四硫富瓦烯TTF分子，b圖為單個八面體籠結合TTF分子。是一個八面體籠中結合4個TTF分子，並且這每個TTF分子的平面都正好與一個三啨三吡啶平面平行。這僅僅作為一個例子，說明三啨三吡啶平面提供的作用的不可替代性。

在我們得知了，作為Host的晶格海綿的設計過程後，因為晶格海綿MOF是在硝基苯和甲醇的混合溶液中自組裝形成的（準確說並不是，後文講一些實驗會說明），那麼硝基苯擁有π電子平面，作為溶劑分子它將首先結合於晶格海綿中（就是結合在三啨三吡啶平面上）。他們之間的作用非常強，那麼做好晶格海綿晶體後，第一件事便是小心地用與三啨三吡啶結合能力較弱的環己烷或者二氯甲烷去置換孔內的硝基苯溶劑（這個過程可能要每天更換還己烷溶劑，反覆1周）。這是為後面客體分子進入結合所非常需要的一個前體條件。

後面就是挑選高質量的晶體，並浸入客體分子溶液體系的過程。

左上角的a)圖，先準備Host Crystal的環己烷溶液，（MOF的強的配位網路，加上Zn鹽只溶於水/甲醇溶劑，三啨三吡啶只溶於具有π電子平面的溶劑，所以晶格海綿不會被環己烷溶解），加入客體分子的環己烷溶劑，因為晶格海綿中已經被更換為結合能力很弱的環己烷分子，所以將客體分子一般具有π電子平面，也因此結合能力更強，更容易擴散進去，而結合，並且成為取向一致。這裡溶劑分子切記不能選擇具有π電子平面的也就是苯環一類，因為它們結合能力太強了，也不能選擇具有配位能力的溶劑，比如DMSO或者DMF因為會破壞配位。而可能有一個問題，為啥要選擇a圖這樣的揮髮式的裝置，因為這裡面通過溶劑分子的揮發，是本來溶劑中摩爾分數很高的客體分子進一步濃縮，因而會促進客體分子擴散進入晶格海綿，並且通過相互作用結合，類似於進入了另一種區別於溶劑中運動的客體分子狀態。這是一個動力學過程，最終導致的熱力學結果就是進入結合併且取向一致。其實想想，從置換溶劑分子，與客體分子的進入都用到了很多物理化學原理。Makoto Fujita對這兩個步驟的實際操作，採用紅外檢測來確保每一步的完全。

由於一顆晶體海綿，通常尺寸一邊在0.2mm一下，整體質量可以在100ng-微克級，而一般客體分子所需要佔據的空腔也只能到達50%左右的質量分數。這樣，晶格海綿進行X射線衍射分析所需要的樣品也是絕對小量的，基本在微克以內。也由於客體分子進入的方式，可以將一些非晶態有機分子或者揮發的分子進入晶格海綿，所以也能夠打破傳統X射線晶體學的限制。

Makoto Fujita組甚至在文章中加入了一個將混合的天然產物，通過HPLC，進一步將分離樣品每一個通過此手段測得了晶體結構，記住，是每個化合物只有5微克左右。難以想像的應用。

回到卷首圖，上圖所展示的已經結合好客體分子的晶格海綿，如果客體分子本身具有可見光吸收或者與三啨三吡啶平面具有電子轉移作用，那麼有客體分子的晶格海綿會改變顏色。當然，由於內部結構改變，晶格海綿的空間群也基本肯定會變掉。

下面講一些不足之處：

首先，我們所知，客體分子是通過孔進入的晶格海綿的空腔，因為孔一般為8*5A^2，那麼對客體分子的尺寸就有限制，不能太大。另外，由於三啨三吡啶平面的缺電子性與弱路易斯酸酸性，也有可能會在空腔內使客體分子變化（異構）。另外一點，作者認為由於溶劑分子的混亂與客體分子可能取向會稍不一致，晶體結構的離差會大一點，在解結構的時候要放寬對對稱性的要求，增加解結構的耗費的時間精力。針對不足之處，Makoto Fujita說已經在不停地開發新的作為晶格海綿的Host材料了。。。相信能做到100多個分子自組裝成球的組，這不需要太久。。

最後在寫兩個作者所說的關鍵實驗環節，一個是製備主體，另一個是挑選足夠高質量的晶格海綿。

為什麼在主體自組裝的時候一定要小心翼翼的分層？ZnI2溶於甲醇，三啨三吡啶溶於硝基苯。晶體是大概幾天後在界面上析出的，部分會脫落到瓶子底部。作者說，如果直接不成分層的放置兩種溶液，會馬上形成動力學的產物-絮狀沉澱。

對於高質量晶體的挑選，其實晶體挺好看的。作者認為越是小的短棒裝晶體最好，具有斷裂面的晶體雖然可以進行衍射，但是在浸入客體溶液後基本會壞掉，如上圖。非常小的晶體，並且表面晶面完整的最適合做實驗。

一些參考的論文地址貼下：

1.Networked molecular cages as crystalline sponges for fullerenes and other guests

2.A Springlike 3D-Coordination Network That Shrinks or Swells in a Crystal-to-Crystal Manner upon Guest Removal or Readsorption;2-V/citedby

3.X-ray analysis on the nanogram to microgram scale using porous complexes

4.Preparation and guest-uptake protocol for a porous complex useful for crystal-free crystallography

一些已經用此方法解出的結構文章：

、Where is the Oxygen? Structural Analysis of α-Humulene Oxidation Products by the Crystalline Sponge Method;jsessionid=49790DF5865F944ADBB659315FBA05C7.f01t03

Absolute structure determination of compounds with axial and planar chirality using the crystalline sponge method

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