近日，Nature Chemistry杂志以封面文章形式刊发了药学院、福建省药物新靶点研究重点实验室、谱学分析与仪器教育部重点实验室吴欣教授团队与合作者的最新研究成果：“A charge-neutral organic cage selectively binds strongly hydrated sulfate anions in water”，该项成果成功发展了一类电中性脲分子笼，实现了水相中的选择性硫酸根识别。
在生命体系中，硫酸根结合蛋白和氯离子通道等膜蛋白可通过丝氨酸残基、色氨酸残基和酰胺等电中性基团提供的氢键从水中结合阴离子。近二十年，人工合成阴离子受体取得显著的进展，却仍难以完全依靠氢键或其他离子-偶极相互作用，以电中性的空腔识别硫酸根等高水化能阴离子。能于水相中有效识别阴离子的人工合成受体在生物医学、工业和环保等方面有广泛的应用前景，如测量和调控生物体内阴离子的浓度、水相催化、药物递送以及清除环境中的有害阴离子等。目前众多人工合成受体可在有机溶剂中识别阴离子，但由于移除阴离子水化层伴随的能量损失，水相中的阴离子识别极具挑战性。
该论文报道了一类电中性寡聚脲分子笼，成功实现了水相中的选择性硫酸根识别，这类分子笼在阴离子分离和水质检测等方面亦展现出巨大的应用价值。分子笼1由廉价的试剂出发，在硫酸根模板的导向作用下一锅高效地形成，并具较高的水溶性。分子笼1能在二甲基亚砜-水的混合溶剂中以及在纯水中选择性地结合硫酸根，亲和力达到微摩尔至毫摩尔级别。X-射线晶体结构和分子动力学模拟的研究表明，空的分子笼1存在脲基⋯脲基分子内氢键和脲基⋯水分子的分子间氢键，与硫酸根结合后分子内氢键被打开，笼的6个脲基提供 12个强氢键包裹高负电荷的硫酸根阴离子。多重强氢键作用导致即使在纯水中硫酸根的结合过程仍呈现有利的焓变。利用胶束提供的低极性微环境，分子笼1在水中对硫酸根的表观亲和力增强至990 M-1。分子笼1可用于分析水和饮料样品中的二价阴离子，亦可通过液-液萃取的方式高效去除水中的硫酸根。
分子笼1的合成及其与硫酸根结合前后的晶体结构
中性分子笼1的高效模板导向合成及其于水中选择性识别高水化能硫酸根的性质为未来设计低制备成本、强主客体化学能力的分子笼材料，用于解决医药、工业和环保领域中的现实需求提供了新的思路。
吴欣教授和昆士兰大学计算化学专家Evelyne Deplazes博士为论文的共同通讯作者，药学院硕士研究生荆浏阳为论文的第一作者，昆士兰大学Jack K. Clegg教授指导了本论文的晶体学工作。该工作得到了江云宝教授、严小胜副教授、陈俊杰工程师和冯柳宾工程师的支持和帮助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41557-024-01457-5
