摘要：金属有机笼（MOFs）是由金属离子或金属簇与有机配体通过配位键连接而成的多面体结构，因其独特的结构和可调控的孔隙性质，在气体储存、分子筛分、催化等领域展现了重要应用潜力。然而，传统的金属有机笼通常由刚性结构单元构成，这使得它们在客体分子的结合过程中缺乏足够的灵

研究背景

金属有机笼（MOFs）是由金属离子或金属簇与有机配体通过配位键连接而成的多面体结构，因其独特的结构和可调控的孔隙性质，在气体储存、分子筛分、催化等领域展现了重要应用潜力。然而，传统的金属有机笼通常由刚性结构单元构成，这使得它们在客体分子的结合过程中缺乏足够的灵活性，限制了其适应性和多样性。这一问题成为金属有机笼研究中的一个主要挑战，尤其是在需要高度适应性和多功能性的应用场合。

为了解决这一问题，近年来，科学家们提出了通过设计具备构象柔性的金属有机笼来增强其适应性和可调性。例如，通过引入可变的组装单元、灵活的配体或几何上可调的框架，研究者们在一定程度上提高了金属有机笼的灵活性，但仍面临如何在保持结构稳定性的同时实现较大范围的构象变化的困难。

成果简介

为此，剑桥大学Jonathan R. Nitschke 团队在“Nature Chemistry”期刊上发表了题为“A pseudo-cubic metal–organic cage with conformationally switchable faces for dynamically adaptive guest encapsulation”的最新论文。

研究人员提出了一个新的设计思路，即合成具有内外面切换特性的伪立方金属有机笼。该笼子通过引入具有非平面结构的四胺子组件，能够在不同大小的客体分子结合时动态地调整腔体的大小和形状，从而展现出较强的适应性。这一创新性的设计不仅解决了金属有机笼在客体结合过程中存在的灵活性不足问题，还避免了形成配位聚合物的情况，为金属有机笼的适应性研究开辟了新方向。研究结果表明，该伪立方笼能够有效地容纳不同大小的客体分子，并且通过构象翻转来优化客体的封装效果。

研究亮点

（1）实验首次合成了一种具有构象适应性的金属有机笼（笼子1），其具有伪立方结构，能够通过笼面从内（endo）和外（exo）状态之间切换，动态调整腔体体积，以适应不同大小的客体分子。

（2）实验通过合成并表征笼子1的单晶结构，揭示了其具备构象适应性的特性。此外，通过一系列的质谱和NMR分析，展示了笼子1在结合不同客体时，腔体体积如何随着客体大小的增大而逐步增大，且在此过程中，笼子的面发生了从内到外的构象翻转。

（3）实验通过NOESY谱图分析，进一步揭示了主客体复合物中，笼子1在结合客体后的构象变化，验证了笼子1在客体结合时的适应性调整机制。

图文解读

图1：笼子1的制备与表征

图2：笼子1的单晶结构

图3：本研究中使用的客体分子的范围，所有客体均表现出与1的1:1结合

图4：1的主客体复合物的一维（1D）NOESY谱图，显示了客体结合后主分子的构象变化

图5：质谱和NMR揭示了笼子1在结合逐渐增大的客体时如何以离散增量增大其大小

图6：笼子1可能的构象示意图

结论展望

本文通过引入2,6-萘基旋转支架，使得笼子的面能够在内外（endo/exo）构象之间切换，成功地解决了传统金属有机笼在客体结合过程中缺乏灵活性的问题。

这种构象可切换的设计不仅增强了笼子的适应性，使其能够容纳不同大小和形状的客体分子，还通过面重配置实现了腔体体积的精确调节，提供了多种可访问的腔体状态。该研究展示了构象柔性和结构稳定性的结合，推动了金属有机笼设计的进一步发展，特别是在分子识别和主客体化学中的应用。

未来，类似的构象可切换设计可能在不同类型的金属有机笼中得到推广，为分子受体的多样性和应用潜力开辟了新的道路。此类创新方法为设计具有高度适应性的智能材料提供了宝贵的思路，拓宽了金属有机笼在化学净化、分子筛分以及催化等领域的应用前景。

文献信息

Xu, H., Ronson, T.K., Heard, A.W. et al. A pseudo-cubic metal–organic cage with conformationally switchable faces for dynamically adaptive guest encapsulation. Nat. Chem. (2025).

来源：朱老师讲VASP