Nat. Commun.：在水中可運行、由可見光驅動的動態自組裝光致變色分子籠

制造能夠模擬復雜生物系統對環境變化作出高效適應的化學納米結構是納米技術的重要目標之一。該領域的發展依賴于在分子層面深入理解體系對外部刺激的響應與適應機制。由于光刺激具有快速、精準且可實現時空調控的優勢，光驅動的動態體系在相關研究中尤為引人關注。在本研究中，作者構建了一類能夠在可見光驅動下發生一系列可逆構型轉變的動態共價有機籠，并實現了其高效組裝。

作者通過光致變色雙醛1（FA）與三(2-氨基乙基)-胺2（EN）的反應，成功合成了動態共價籠3（FA?EN?），并通過X射線衍射對其結構進行了表征（圖1a、圖2a）。該籠在氯仿中具有良好的穩定性，并且是體系中的熱力學最穩定產物。在紅光（660 nm）照射下，(E,E,E)-3幾乎定量（>95%）轉化為(Z,Z,Z)-3。該籠表現出顯著的光致變色行為，而在綠光照射下，僅生成少量(E,E,Z)-3和(E,Z,Z)-3異構體。此外，通過預先用紅光處理雙醛1后再與三胺2反應，也可直接獲得(Z,Z,Z)-3。

圖1. 籠3的動態形成與光致變色性質：(a) 在CDCl?中于24 h內形成籠 (E,E,E)-3；(b) 籠3的光致變色行為——橙色的 (E,E,E)-異構體在紅光（660 nm，照射時間tirr=45 min）下幾乎定量（>95%）轉化為黃色的 (Z,Z,Z)-3，并在紫光（430 nm，tirr=15 min）照射下恢復（>90%）。

隨后，作者將(E,E,E)-構型的籠3與NaBH?反應，將亞胺鍵還原為二級胺，得到穩定的共價籠(E,E,E)-5。兩種籠結構均通過單晶X射線衍射得到了確認（圖2a）。(E,E,E)-5在590 nm或523 nm光照下可幾乎定量轉化為(Z,Z,Z)-5，而在紫光照射下則可逆轉，大部分（>70%）恢復為(E,E,E)-異構體。盡管5在水中不溶，但經TFA質子化后可定量轉移至水相（圖2b）。質子化后的5*H?能夠在兩種狀態之間可逆切換：一是以(Z,Z,Z)-異構體為主（590–523 nm），二是以(E,E,E)-異構體為主（410 nm）。此外，碳酸也可實現5從氯仿向CO?飽和水相的轉移，而在開口體系中攪拌后又可完全回到有機相（圖2c）。

在主客體化學方面，作者研究了籠5H?與葫蘆素的絡合行為，發現光照有利于(Z)-異構體的生成。為評估其生物相容性，作者進行了MTT細胞代謝實驗，結果顯示(E,E,E)-5H?的IC??為0.58 μM，而光照后的異構體混合物IC??為1 μM，表明在低于0.5 μM濃度下該體系基本無細胞毒性。

圖2. 動態籠3還原為穩定的共價籠5及5在質子化過程中的行為：(a) 動態組裝的籠(E,E,E)-3可以通過X射線晶體學進行分析。它可以用NaBH?還原，將不穩定的亞胺鍵轉化為穩定的二級胺。生成的共價籠5的結構也可以通過X射線分析觀察；(b) 將5從CDCl?相（濃度c = 1 mM）提取到D?O相中，加入TFA（0.15% v/v，20 mM）促進該過程；(c) (E,E,E)-5和(Z,Z,Z)-5溶解在CDCl?中（1 mM）；通過523 nm照射（tirr = 45 min）獲得(Z,Z,Z)-異構體；(d) 左：溶解在CDCl?中的(E,E,E)-5和(Z,Z,Z)-5（1 mM，底層）；右：將CO?通入溶液10分鐘后的樣品；(e) 將5溶解在CDCl?（1 mM）中后與D?O混合，未發生水相提取。將CO?持續通入溶液10分鐘足以將5轉移至水相。將樣品在開口小瓶中攪拌30小時可逆轉該過程，將5帶回有機層。

作者考察了籠3與含非鹵化偶氮苯單元的雙醛6之間的動態交換行為。結果表明，穩定的(E,E,E)-3在長時間內幾乎不發生交換，而經紅光（660 nm）轉化得到的(Z,Z,Z)-3則可發生明顯交換，生成多種中間體。在430 nm光照下，體系最終僅保留(E,E,E)-3、氟代雙醛1以及異配體籠(E,E,E)-7（圖3）。其中，籠7為3的類似物，其一個配體由非氟代偶氮苯取代，且未觀察到進一步交換產物，說明該交換過程具有良好的選擇性。

圖3. 籠3中配體與非氟化偶氮苯雙醛6的交換反應。1H NMR譜顯示反應混合物在15天后的情況。唯一新形成的產物7（以及被排出的氟化雙醛1）是一個異配體籠，包含一個非鹵化和兩個鹵化的偶氮苯配體。未發現進一步的交換產物。在實驗過程中，反應混合物通過反復短時間照射（20分鐘）保持在PSS660 nm下。

在前面的基礎上，作者設計并合成了四鄰位氯代偶氮苯雙醛9（CA）（圖4a）。相較于氟代體系，該分子具有更寬的光響應范圍：在紅光（623或660 nm）照射下由(E)構型轉變為以(Z)為主的混合物，而在綠光/藍光（455–523 nm）或近紅外光（730 nm）照射下又可逆轉為(E)構型，實現了在治療窗口內的雙向調控。將9與三胺2反應，可得到閉合籠10及少量部分開口的籠11（圖4b）。由于氯取代帶來的位阻效應，籠10在紅光照射下易發生解離形成多種物種，但在523–430 nm光照下又可恢復至原始分布，體現出體系的高度動態可逆性。在交換實驗中，籠3與氯代雙醛9反應生成異配體籠12（含一個氯代和兩個氟代配體）（圖5）。該過程在暗環境下較為緩慢，而在660 nm光照下顯著加速，但最終在熱力學平衡下，其組成與無光條件一致。

圖4. 氯化籠10的形成及其在照射下的動態行為。(a) 光致變色氯化雙醛9通過一步反應從非鹵化偶氮苯雙醛6合成；(b) 醛9與三胺TREN 2反應，生成閉合籠10以及部分打開的籠11（85:15的比例），且收率良好（總收率76%）；紅光照射導致籠結構的可逆解體。

圖5. 氟化籠3和氯化雙醛9生成異配體籠12。籠12可以通過動態交換從照射過的或未照射的籠3組裝而成，但其速率和收率不同。

基于此前成功構建的氟代共價籠5，作者進一步嘗試利用氯代雙醛9構建類似體系。結果發現，無論是NaBH?還是BH?·THF均無法得到目標產物，而使用NaBH(OAc)?則可選擇性生成共價籠13（總收率15%，圖6）。籠13在暗環境下主要為(E,E,E)構型，經TFA質子化后可溶于水。在水溶液中，(E,E,E)-13*H?在660 nm紅光照射下可完全轉化為異構體混合物；在523 nm光照下形成不同分布，而在455 nm藍光照射下又恢復至以(E,E,E)-13為主的初始狀態。UV–Vis光譜結果進一步驗證了該過程的可逆性。

圖6. 在水中可通過紅光（660 nm）切換的共價籠13的合成。籠10通過9動態組裝并使用NaBH(OAc)?還原，生成穩定的籠13。

最后，作者研究了動態籠3與非光致變色雙吡啶雙醛14的交換反應，生成同配體籠15。該過程在有機溶劑中較慢且不完全，但可通過沉淀法分離得到純凈的籠15。與光致變色籠3相比，籠15穩定性較低，在與雙吡啶配體14混合時僅發生部分交換，生成異配體籠16a和16b（圖7a）。當引入金屬鹽溶液（如Fe、Co、Ni或Cu）時，籠15可與金屬離子形成多核配合物，并定量轉移至水相（圖7b）。作者還測定了籠15與金屬離子（如Fe2?）之間的結合常數。此外，當預先形成的(E,E,E)-3與雙吡啶雙醛14及FeCl?溶液共同作用時，生成的異配體籠16a和16b同樣能夠轉移至水相并與金屬離子配位（圖7b，樣品V）。

圖7. 籠3與非光致變色雙(吡啶醛)14之間的動態交換過程，在有無金屬離子（Fe2?）的情況下產生不同的結果。(a) 非光致變色籠15可以通過將EN與雙(吡啶醛)14混合形成，或（部分）通過將3與14交換形成（同時生成異配體籠16a和16b）。籠16a可以通過660 nm紅光解體，并通過430 nm光重新組裝；(b) 籠3與吡啶雙醛14之間交換實驗的可視化，以及Fe2?介導的從CDCl?（底層相）到D?O（上層相）的轉移。

圖8. 與籠3和5結構相關的光致變色分子籠。

綜上所述，此類基于鹵代偶氮苯構建的動態共價有機籠體系能夠在光照及金屬離子等多重外部刺激下實現可逆交換與結構調控。這類體系不僅可在有機溶劑中運行，還可通過質子化轉移至水相，并實現雙向光響應切換，展現出優異的動態性與可調控性。

文獻詳情

Title：Dynamically assembled photochromic cages operational in water with visible light

Authors:Valentin Sch?fer, Angelika Seliwjorstow, Olaf Fuhr and Zbigniew L. Pianowski*

To be cited as:Nat. Commun.,2026, 17, 2488

DOI:10.1038/s41467-026-70406-2

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