香港大学JACS：具备螺旋手性的环糊精深腔纳米孔道

摘要：螺旋结构是生命体中普遍存在的基本结构单元。无论是双链DNA还是α-螺旋蛋白，其螺旋链均沿单一方向扭转。这种独特的构象不仅赋予了分子结构稳定性，还形成了具有特定功能的螺旋手性环境，在生物分子的识别、催化及信号传递等过程中发挥着至关重要的作用。受自然界启发，化学家

螺旋结构是生命体中普遍存在的基本结构单元。无论是双链DNA还是α-螺旋蛋白，其螺旋链均沿单一方向扭转。这种独特的构象不仅赋予了分子结构稳定性，还形成了具有特定功能的螺旋手性环境，在生物分子的识别、催化及信号传递等过程中发挥着至关重要的作用。受自然界启发，化学家们一直致力于设计和合成具有螺旋手性的功能材料，以实现手性识别、不对称催化以及圆偏振光发射等功能。然而，由于对金属-配体配位环境的精确调控机制缺乏深入认知，如何系统性地设计具有互补螺旋手性的深腔纳米孔道结构仍面临巨大挑战。

图1. 自然界中的螺旋结构和具备螺旋手性的二维环糊精深腔纳米孔道。图片来源：JACS

近日，香港大学陈潇杨课题组与深圳大学李霄鹏课题组，安徽大学沈登科课题组，南开大学蔡康课题组和香港理工大学马凯凯课题组合作，通过在α-环糊精引入吡啶基团，实现了一类全新的金属配位的二维深腔纳米孔道的构建（图1）。

α-环糊精（α-CD）是由六个D-吡喃葡萄糖单元组成的天然手性大环分子。作者设想能否通过在α-CD的主面引入能够与金属阳离子配位的吡啶基团，以将葡萄糖单元的点手性转化为深腔管道的螺旋手性。考虑到银离子（Ag+作为配位中心，期望通过调控配位环境来实现纳米管道几何结构的精确调控。为进一步增强结构的灵活性，作者在吡啶基团与C6碳原子之间引入了硫醚桥，使配体在纳米通道形成过程中能够根据需要选择顺时针（P）或逆时针（M）的取向，从而实现对螺旋手性的可控构建。

图2. L1, L2和L3与Ag+为了探究吡啶上的取代基对深腔管道的几何结构和螺旋手性的影响，作者设计并合成了三种全新的α-CD吡啶配体：未引入邻位取代基的L1，单邻位甲基取代的L2和双邻位甲基取代的L3。在溶液状态下，两个L1配体与六个Ag离子通过配位作用形成离散的深腔纳米孔道（Ag612）（图2）。变温核磁共振实验表明，该组装体在常温下结合力较弱，稳定性较差。然而，这种配位的动态性在结晶过程中引发了显著的结构转变：Ag+离子的配位构型由二配位的直线型转为四配位的四面体型，而深腔孔道也由离散型结构转变为二维连续结构。单晶X射线衍射分析显示，在Ag⁺离子的配位调控下，深腔孔道不仅形成了规则的正六边形镶嵌结构，还表现出很强的M螺旋手性（图3）。值得注意的是，孔道的腰围直径达到16.7 Å，远大于α-CD自身空腔的尺寸（5.7 Å），这一特性为其在气体和有机小分子的传输提供了可能。

图3. Ag+作者进一步将L2与Ag⁺离子在溶液中进行配位，并成功解析了其单晶X射线衍射结构。由于邻位单甲基取代基对配位环境的调控作用，L2形成的二维深腔纳米孔道在手性和结构上与L1存在显著差异。首先，Ag622612相反的P螺旋手性构型。其次，在结构参数方面，Ag6L22的孔道腰围直径增大至19.1 Å，且有效空腔体积达到457 Å³，较Ag6L12的256 Å³增大了近一倍。为缓解四个吡啶基团邻位甲基的空间排斥作用，吡啶环间的二面角趋于均一化（95到100度）。这一系列构象变化为这类深腔孔道的螺旋手性调控和孔道扩张提供了结构基础。

图4. Ag+与L2配位形成的二维深腔纳米孔道的单晶衍射结构。图片来源：JACS

当吡啶环的两个邻位均被甲基取代时（L3配体），作者发现其与Ag⁺的配位形成的深腔孔道发生了显著的结构变化。由于双甲基取代产生的强空间位阻效应，Ag⁺离子无法实现四面体配位模式，而被迫采取二配位的线性构型。这种配位模式的改变导致三个重要结构特征：(1) 形成的深腔孔道呈现离散的零维结构，而非连续的二维网络；(2)体系的螺旋构型基本消失；(3) 配位几何的简化使孔道尺寸明显收缩，空腔体积大幅减小（仅157 Å3）。该结果清楚地展示了配体取代基的位阻效应对金属-有机组装结构的决定性影响。

图5. Ag+与L3配位形成的离散型深腔纳米孔道的单晶衍射结构。图片来源：JACS

为深入探究L1/L2配体与Ag⁺离子组装产生相反螺旋手性的分子机制，作者开展了系统的DFT理论计算研究。计算结果表明：Ag6L12的M螺旋构型比P螺旋构型能量低ΔE = 7.96 kcal/mol，而Ag6L22则表现出相反的趋势，其P螺旋构型比M螺旋构型更稳定（ΔE = 5.90 kcal/mol）。这一能量差异虽然相对较小，但足以决定组装体的绝对构型。尽管精确的调控机制尚待阐明，但计算结果明确证实了邻位甲基取代基可通过位阻效应实现对螺旋手性的精确调控。

本研究成果已发表于《美国化学学会会志》（Journal of the American Chemical Society）。香港大学陈潇杨教授担任通讯作者，博士后蒋志远为第一作者。该研究获得香港大学及香港研究资助局的联合资助。

论文信息：

Zhiyuan Jiang, Zhi Chen, Xiujun Yu, Shuai Lu, Wenmin Xu, Bo Yu, Charlotte L. Stern, Shu-Yi Li, Yue Zhao, Xinzhi Liu, Yeqiang Han, Shuqi Chen, Kang Cai, Dengke Shen, Kaikai Ma, Xiaopeng Li, and Aspen X.-Y. Chen*，Engineering Helical Chirality in Metal-Coordinated Cyclodextrin Nanochannels，J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 7325–7335, DOI: 10.1021/jacs.4c14123

招生公告

香港大学陈潇杨课题组现招收2025级博士研究生1名（入学时间不晚于2025年9月）。详情请关注课题组网页更新（https://aspenxychen.wixsite.com/home/）。

导师简介

陈潇杨博士2014年本科毕业于复旦大学化学系。2014–2018年在美国普林斯顿大学Erik J. Sorensen教授课题组开展博士研究，主要研究方向为过渡金属催化的惰性碳氢键官能团化。2019年至2023年在美国西北大学从事博士后研究，导师为2016年诺贝尔化学奖得主Sir Fraser Stoddart 教授。博士后主要研究方向为弱键诱导的分子识别，自组装和选择性转化。目前已发表高水平论文40篇，其中第一作者和通讯作者论文12篇，发表于JACS，Chem，ACIE等。2023年加入香港大学化学系担任助理教授，并荣获HKU-100 （香港大学全球百人招聘计划）的大力支持。

课题组主要研究方向

1）发展新型仿生分子识别工具

2）发展新型有机合成和超分子催化体系

招聘岗位

博士生1名（优先考虑有机合成或方法学背景，2025年秋季入学）

博士生1–2名（2026年秋季入学）

要求：

1、化学及相关专业的优秀本科毕业生和硕士研究生；

2、熟悉有机合成基本操作，具备良好的动手能力和英语听说读写技能；

3、勤奋、踏实，具有团队协作精神；

4、有上进心，对化学研究有浓厚兴趣；

5、非英语教学院校毕业的学生需有雅思（总分不得低于6.5分，单项不得低于6分）或托福（总分不得低于85分）成绩。

待遇：

1、博士年奖学金约22.5万港币

2、享受学校提供的年假，医疗保险和校内住宿等福利

课题组文化

课题组旨在营造安全、友好的实验室氛围，同时强调成员应积极主动，独立自主地规划和推进自己的课题。课题组鼓励成员在有成果的前提下积极参加国内、国际学术会议。

课题组希望招聘具有科研理想、踏实肯干的人才。良好的科研氛围和一流的科研条件期待您的加盟！

申请方法

请将个人简历发送至aspen@hku.hk，并在邮件标题中注明姓名和申请职位。

博士申请者请发送本科成绩单，代表论文（如有）和两位推荐人的联系方式。

更多有关课题组研究方向和导师的信息可以查看课题组主页:

代表作

Jiang, Z.; Chen, Z.; Yu, X.; Lu, S.; Xu, W.; Yu, B.; Stern, C. L.; Li, S.-Y.; Zhao, Y.; Liu, X.; Han, Y.; Chen, S.; Cai, K.; Shen, D.; Ma, K.; Li, X.; Chen, A. X.-Y.* J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 7325–7335.

Shen, D.*; Zhang, Z.; Kesharwani, T.; Wu, H.; Zhang, L.; Stern, C. L.; Chen, H.; Guo, Q. H.; Cai, K.; Chen, A. X.*; Stoddart, J. F.*, Electrostatically Dominated Pre-Organization in Cyclodextrin Metal-Organic Frameworks. Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202415404.

Chen, A. X.-Y.*; Kesharwani, T.; Wu, Y.; Stern, C. L.; Đorđević, L.; Wu, H.; Wang, Y.; Song, B.; Feng, L.; Zhang, L.; Zhao, X.; Jiao, Y.; Li, X.; Han, H.; Tang, C.; Zhang, R.; Chen, H.; Cai, K.; Stupp, S. I.; Chen, H.*; Shen, D.*; Stoddart, J. F.*, Chem 2024, 10, 234–249.

Chen, X.-Y.*†; Chen, H.*†; Stoddart, J. F.*, The Story of the Little Blue Box: A Tribute to Siegfried Hünig. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202211387.

Jiao, Y.; Chen, X.-Y.*; Stoddart, J. F.*, Weak-Bonding Strategies for Achieving Regio- and Site-Selective Transformations. Chem 2022, 8, 414–438.

Chen, X.-Y.; Mao, H.; Feng, Y.; Cai, K.; Shen, D.; Wu, H.; Zhang, L.; Zhao, X.; Chen, H.; Song, B.; Jiao, Y.; Wu, Y.; Stern, C. L.; Wasielewski, M. R.; Stoddart, J. F.*, Radically Enhanced Dual Recognition. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 25454–25462.

Chen, X.-Y.; Chen, H; Đorđević, L.; Guo, Q.-H.; Wu, H.; Wang, Y.; Zhang, L.; Jiao, Y.; Cai, K.; Chen, H.; Stern, C. L.; Stupp, S. I.; Snurr, R. Q.; Shen, D.*; Stoddart, J. F.*, Selective Photodimerization in a Cyclodextrin Metal-Organic Framework. J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 9129–9139.

Chen, X.-Y.; Shen, D.; Cai, K.; Jiao, Y.; Wu, H.; Song, B.; Zhang, L.; Tan, Y.; Wang, Y.; Feng, Y.; Stern, C. L.; Stoddart, J. F.*, Suit[3]ane. J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 20152–20160.

Chen, X.-Y.*; Sorensen, E. J.*, Ir(III)-catalyzed Ortho C–H Alkylations of (Hetero)aromatic Aldehydes Using Alkyl Boron Reagents. Chem. Sci. 2018, 9, 8951–8956.

Chen, X.-Y.*; Sorensen, E. J.*, Pd-catalyzed, Ortho C–H Methylation and Fluorination of Benzaldehydes Using Orthanilic Acids as Transient Directing Groups. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 2789–2792.