董金桥/崔勇团队Nature Synthesis: 金属-‘肽’互锁分子的可编程组装

2026年1月16日，国际学术期刊Nature Synthesis《自然·合成》刊发了上海交通大学化学化工学院董金桥副教授、崔勇教授及合作者的一项重要研究成果，题为“Amino-acid-encoded assembly of programmable chiral Solomon links”。本研究在高阶手性机械互锁分子的可编程设计、精准构筑及功能调控机制等核心问题上实现关键突破，系统解析了29个X射线单晶结构，验证了该合成策略的通用性与高效性，为复杂拓扑结构的可控构建开辟了新路径。上海交通大学化学化工学院、化学生物协同物质创制全国重点实验室为第一完成单位。上海交通大学董金桥副教授、崔勇教授和英国布里斯托大学Anthony P. Davis教授为共同通讯作者；杨帅亮博士为第一作者，博士生乔梁和刘秉宇为共同一作。

1. 氨基酸编码策略：破解手性机械互锁分子精准构筑难题

自20世纪60年代初，Wasserman首次成功合成索烃（catenane）以来，机械互锁分子（mechanically interlocked molecules, MIMs）因其独特的拓扑结构与丰富的功能潜力，迅速成为超分子化学领域的重要研究方向。互锁构型为调控分子物理化学性质提供了全新策略，尤其在提升结构复杂性和理解构效关系方面展现出广阔前景。在合成策略上，过去四十年中MIMs的构筑主要依赖模板导向方法，包括金属配位模板、金属催化的机械键构建以及模板诱导的共价连接等手段，有效推动了多样化拓扑结构的不断涌现。然而，这类策略高度依赖金属离子的精确配位构型，难以实现原子级拓扑的可编程控制；同时，在维持拓扑复杂性的同时进一步提升产率与构建效率，依然是该领域亟需突破的核心难题。更具挑战性的是，手性机械互锁分子及其材料目前仍缺乏高效通用的合成方法，其理性设计、精准合成与结构调控面临诸多瓶颈。分子手性在此类拓扑结构的形成与稳定中所发挥的作用尚未被充分认识；此外，相关结构在对映体选择性识别、不对称催化及手性功能材料等方面的应用潜力仍有待系统挖掘。

为破解互锁结构可编程构筑的难题，上海交通大学董金桥课题组致力于金属-多肽化学，通过金属-多肽组装策略实现了机械互锁单晶材料跨尺度的可编程构筑。在这项研究中，董金桥/崔勇团队提出氨基酸编码组装策略（如图1所示），实现手性所罗门环（双重互锁[2]轮烷）的高效合成。该策略通过引入氨基酸编码结构信息，在热力学上优先驱动同手性互锁组装路径，并精准调控互锁结构空腔的形状与尺寸，开辟了无需模板构建手性机械互锁单晶材料的新路径。

图1.氨基酸手性编码组装策略实现手性所罗门环的精准合成

2. 分子手性信息的编码与表达：手性所罗门环的精准构筑

为了设计具有手性基因编码的配体，作者采用了四苯乙烯作为核（Core）结构，并连接了L型或D型氨基酸作为手性编码单元（Chiral encoder）合成了一系列手性伪肽配体，每个配体的两端带有吡啶金属配位位点，记作R1-TPE-R2，其中“R1”和“R2”代表基因编码的氨基酸。首先，当使用相同的侧链（R1 = R2）时，将配体与ZnI2组装能得到一类独特的手性所罗门环结构（由两个环和四个交叉点组成），该策略能够精确构建多种化学多样性的手性所罗门环结构（从SL-1至SL-12），涵盖了天然氨基酸以及非天然氨基酸。其次，设计具有不同侧链（R1 ≠ R2）的非对称手性配体，也能形成类似的互锁结构，产物为SL-13至SL-16（图2a）。

作者进一步通过异配体的共组装，如LVal-TPE-LVal与LLIle-TPE-LLIle（或LNle-TPE-LNle），以及LLIle-TPE-LLIle与LNle-TPE-LNle按1:1组装，成功合成了非常罕见的异质手性机械互锁分子SL-17至SL-19（图2b）。为进一步探索氨基酸编码组装的多样性，作者研究了配体配位取向对组装过程的影响。如将V-形配体LAla-TPE-LAla转化为其U-形异构体LAla-TPE-LAla-iso，并与ZnI2组装得到一例异构的手性所罗门环LSL-20（图2c）。其对映异构体DSL-20则来源于DAla-TPE-DAla-iso，呈现出镜像构型。

图2. 手性所罗门环的可编程设计

3. 手性所罗门环的单晶结构解析：揭示多层次手性特征

作者成功解析了20个手性所罗门环的单晶结构（图3）。以SL-1为代表，其由两个双重互锁的金属环组成，呈现四重交叉点及多层次手性特征（LC+PHTPE+MHRing+PT）。其互锁结构通过多重氢键网络而稳定，构型具有镜像对映体（如DC+MHTPE+PHRing+MT）。从SL-2至SL-19均保持相同拓扑骨架，通过氨基酸侧链调控，实现对腔体尺寸、疏水性与对称性的精准调节（空腔体积由283 ų降至57 ų）。表明该策略能精准调控互锁分子的空腔大小、几何形状、疏水性和对称性。为了验证该策略的可拓展性，作者还设计了单侧手性配体（如Gly-TPE-LVal和Gly-TPE-LPhe），成功合成了P-型拓扑所罗门环SL-15与SL-16。此外，该策略还突破了传统合成方法难以实现的挑战，实现了异质所罗门环（SL-17到SL-19）的构建，这些分子由两种不同的金属环组成，但构型完全一致，属于罕见的手性异质所罗门环。作者进一步研究了配体配位取向对组装的影响。V形配体LAla-TPE-LAla被转化为其-形异构体LAla-TPE-LAla-iso，与ZnI₂组装形成异构手性所罗门环LSL-20。这些结果表明，该组装策略不仅能容忍侧链变化，也能适应配位方向的差异，甚至可以实现拓扑结构各异的互锁构建。

图3. 手性所罗门环的单晶结构

4. 验证同手性组装机制：探寻自然手性起源

为验证内在手性在所罗门环构筑中的作用，作者设计了系统对照实验。非手性配体（Gly-TPE-Gly、Aib-TPE-Aib）与ZnI2组装仅生成非互锁配位聚合物（CP-21/22）（图4a-b）；异手性配体（LPhe-TPE-DAla）仅形成低聚体（CD-23）（图4c）；而由对映体配体共组装所得结构（CP-24/25/26）也未形成互锁，仅生成由同手性配体构成的左右手螺旋配位聚合物（图4d-f），明确表明所罗门环的形成依赖于同手性偏好驱动的组装路径。作者在不同溶剂中对等混合LVal-TPE-LVal与DVal-TPE-DVal，始终获得相同的一维配位聚合物（CP-24），说明外消旋体系倾向形成热力学稳定的非互锁结构。进一步的竞争组装实验中，LVal-TPE-LVal优先与LLIle-TPE-LLIle配对，组装出所罗门环SL-17，验证了系统在竞争环境下倾向“同手性选择”路径，而非异手性组装 （图4g-i），突出手性偏倚在构筑互锁结构中的主导作用。另外，这些互锁分子表现出显著的手性放大效应，并在肽分子的结合亲和力和对映体选择性识别方面具有优异性能。

图4. 同手性组装机制验证

综上所述，本研究提出了一种无需模板的氨基酸编码组装策略，可高效、一步构建可编程手性所罗门环结构，实现了对拓扑手性结构的精准调控与功能化设计。该策略具有高度通用性，适用于不同侧链、配位构型与异配体组合，显著拓展了手性MIMs的结构多样性与构筑范围。更重要的是，体系展现出同手性组装途径、自组装手性放大效应，揭示了分子手性在互锁结构形成中的关键作用。该合成策略不仅拓展了手性分子构筑的新路径，也为理解天然手性起源与生命演化提供了有力模型，有望推动手性超分子化学与材料科学的发展。

该研究得到国家自然科学基金委、科技部和上海科委的资助。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s44160-025-00954-w