Nitschke，他的美的多重亞組分自組裝超分子

02-10

Jonathan Nitschke是現在超分子化學，特別是有機籠結構非常油菜花的一個明星科學家。他有自己的超分子化學，名字是： Subcomponent Self-Assembly，意為多重亞組分的自組裝，本文攜3篇代表作，來膜下明星。（我一直都是這樣，星星眼）

第一篇文章：White Phosphorus Is Air-Stable Within a Self-Assembled Tetrahedral Capsule

對於生活中白磷P4，是一種非常敏感的物質，在空氣中極易被氧氣氧化發生燃燒現象，所以對於白磷的儲存是通過浸入水中保存（當然白磷可以溶於部分有機溶劑，不溶於水）。而白磷P4分子本身的結構非常有意思，是一個標準的四面體，四個頂點為P原子。Nitschke教授，這篇文章是巧妙地利用了四面體有機籠在水中分散溶解的特性，並且能結合客體-白磷四面體的能力，將白磷分子1：1的結合進入有機籠內，從而分散溶解在水中，而水中雖然會溶解氧氣，但是氧氣氧化白磷的中間斷鍵成鍵產物都會被四面體籠的本身基團所阻礙，所以保護了白磷分子免於氧氣破壞。這種主客體結合是藝術上的美和物理化學原理的美妙結合。

圖1的1有機籠的自組裝過程，是基於6分子的帶磺酸的氨基單體與12分子吡啶醛與4分子亞鐵離子在水中定量組裝成1分子的四面體有機籠，這個過程會在下面一篇文章中詳細講述。現在，我們更關注於白磷分子。四面體有機籠的亞鐵離子與磺酸離子確保了四面體有機籠的水中溶解性，而白磷分子並不溶於水，這本身提供了一種超分子的主客體結合的一種關鍵因素：熵。如果白磷分子結合進入四面體籠，那麼將會被溶解分散入水中，這樣獲得了更多的空間上分散帶來的多樣性，總好過在白磷固體里待著爽（在某種還沒有明確驗證的可能，白磷分子是四面體結構，而有機籠是四面體結構，這樣客體佔據主體內部空腔滿足幾何上的構型，會有更好的主體與客體的相互作用，另外更好地符合所謂55%體積佔有率的主客體結合定律）。而主客體結合的另一種關鍵因素，主客體間相互作用，相互作用越合適，那麼結合能力越強。此外，在裝入白磷分子之前，四面體籠子中應該存在3-5個高能態的水分子，而且之所以是高能態（不穩定）就是這幾個水分子在四面體籠內的自由運動受限制，所以白磷分子進入取代釋放出高能態水分子也是一個驅動力。

中間四個大黃色球是代表4個磷原子，空間指向上，似乎每個磷原子會指向一個苯環平面而並不是四面體籠的四個頂點亞鐵原子。這種相互作用會滿足焓變。而將白磷分子裝入四面體有機籠的過程是將大過量的白磷加入四面體有機籠的水溶液中（約8倍），然後50℃下加熱約3天。然後加入丙酮揮發從而得到白磷裝入有機籠的複合物粗結晶，然後就可以做後面實驗啦。（這個客體需要大過量真是阻礙了我們做超分子的，）

既然將白磷分子扔進了有機籠內，那麼也可以用苯去置換出有機籠內的白磷分子，而脫離了有機籠的白磷分子溶解於苯溶液內，被氧氣破壞成磷酸。這也得到了核磁磷譜的證實。這裡，並不知道苯還是白磷與有機籠的結合能力誰更強，但是可能是白磷進入苯相獲得更大的空間分散多樣性驅動了苯將白磷趕出來。這裡還有兩點，正戊烷做不到苯的活，這可能是因為正戊烷的鏈狀特性如果彎著進入有機籠對焓上的損失太大了而導致的；此外，其實四面體有機籠表面的空隙也許並不足夠大讓苯後者白磷進去，但是至少熱力學上原子的熱運動會扯開一些空隙，並且可能是隧穿效應讓客體進去。當然也有可能是四面體籠臨時打開一部分進去的。（我做的一些相似實驗，即使是非常穩定不會打開的四面體籠，通過所謂隧穿效應也會讓苯很快進去）

第二篇文章：An Unlockable–Relockable Iron Cage by Subcomponent Self-Assembly

倒敘的順序，讓我們追溯回四面體有機籠的多重亞組分自組裝過程。這篇ACIE上的經典文章可以欣賞！

圖這麼大，就好好看看233.自組裝的奇妙就是將前體扔進溶液中，等待熱力學平衡到達。這個籠子的自組裝過程中，有兩種相互作用的可逆鍵作用，其一是胺與醛的席夫鹼成鍵，而另一種是亞鐵離子與吡啶上的N，席夫鹼上的N的配位作用。這兩種相互作用是互相作用而增強的，因為如果是單純的席夫鹼在水中幾乎只有很少一部分會轉化為產物，大部分為原料；而亞鐵離子在水中也是不穩定的，因為會水解與氧化。但事實上，這兩種相互作用互相扶持，可以將100%組裝為四面體籠，此外對抗氧化水解作用。這裡面磺酸基團的存在是為了提供水溶性，並且磺酸基團在籠子的結構中是指向外側的，內部是相對疏水的。而印象中吡啶醛，N在醛臨位似乎也是反應活性最強的，（待測）。加入的四甲基氫氧化銨是提供鹼性用以將磺酸變成離子化。用以設計金屬配位的時候，亞鐵離子是六配位，似乎每個配位點是兩個N原子，彼此間相隔三根鍵，類似對位。這也就是多重亞組分自組裝，顯示席夫鹼的自組裝，然後進一步形成的前體再與亞鐵原子配位形成自組裝。晶體結構也證明了這一點。（其實我至今不解，為什麼Nitschke的自組裝總是在水中完畢後，先經過晶體沉澱，然後將晶體重新溶解去測試的？？需要親手試試）

就像創業階段，一切都是未知的，Nistchke對cage結構的主客體結合作用，穩定性都做了研究。對於水做溶液進行主客體結合的好處，不僅僅是熵上的幫助，客體可以大過量很多，反正只會在水中溶解一定部分。55%的客體佔據主體空腔體積定律就是描述的熵熵的因素，這是基於假設單純的客體分子溶液中一個客體分子所佔據的空間大小是足夠滿足其分子本身轉動熵的，而將此空間是大於分子本身熱力學體積的，如果主體空腔與此空間相符合，那麼客體進入空腔就不會喪失自身的轉動熵，並且由於得到了在水中的更大的分散性，也提升了空間分布多樣性。

對於cage的穩定性，將三爪胺4加入溶液體系中，會將cage破壞，形成3. 這裡，之所以會形成3，我認為這是由於兩種原因：1.熵的損失更小！自組裝需要的分子數量變少了。2.更緊湊的3爪配體帶來的協同作用，因為形成結構如果斷開一個席夫鹼或配位鍵，由於空間上其他前體反應位點靠近（相當於濃度增加），會讓它繼續重新形成，這也很有可能帶來一種動力學上的穩定性。（也許會幾個月內會出版一篇文章，是我和同伴寫的講述如何設計自組裝前體從而操控組裝產物動力學穩定性的文章。。）

第三篇：Mutual Stabilization between Imine Ligands and Copper(i) Ions in Aqueous Solution

這是Nitschke在2004年早期發的一篇看起來很普通的ACIE文章，講述的就是這種席夫鹼成鍵與金屬離子配位共同相互作用增強的文章，幾乎奠定了他後面那麼多美麗的結構的基礎。這也就是，只有基礎的研究才能做到後面足夠美妙和原創。

這裡是臨位吡啶醛與胺在中性水中反應，首先吡啶醛有部分會成為水合（對位吡啶醛是100%水合）而加入一價銅後，所有的混合物變成了100%的產物，四配位的產物，完全乾凈的核磁。這裡面這兩種作用的相互作用也體現的淋漓盡致：首先將一堆混合物變為了100%的產物。然後，席夫鹼本來在水中只有34%的產率，而一價銅離子在水中會發生歧化作用變為2價銅離子和0價銅。而產物卻非常穩定。

而另外的實驗，將等比例0價銅與2價銅離子加入體系中，甚至會變成最終的配合物，逆歧化作用，這也說明了這兩種相互作用互相增強後產物非常穩定。

這種亞組分自組裝是對前體非常有選擇性的，也就是臨位吡啶醛，也就是上面所說兩個N之間差3根鍵才滿足配位或者這兩種相互作用。

期待大明星以後帶來更多的佳作，讓我們認識這個世界的這個小的分子領域的美。