分子捕手技術(shù)操作指南

含有長(zhǎng)烷基鏈的天然產(chǎn)物及藥物通常難以生長(zhǎng)單晶，這使得通過常規(guī)單晶X射線衍射（SCXRD）測(cè)定其分子結(jié)構(gòu)極具挑戰(zhàn)性，甚至往往無法實(shí)現(xiàn)。針對(duì)這一問題，浙江大學(xué)黃飛鶴教授團(tuán)隊(duì)近期報(bào)道了一種基于柱[5]芳烴金屬有機(jī)框架（MOF）的“分子捕手”技術(shù)，可在無需生長(zhǎng)單晶的條件下，快速、準(zhǔn)確地測(cè)定長(zhǎng)烷基鏈化合物的晶體結(jié)構(gòu)。該方法將預(yù)先合成的含柱[5]芳烴的MOF晶體浸泡于目標(biāo)化合物的溶液中，待目標(biāo)化合物被捕獲進(jìn)入MOF晶體后，通過X射線衍射分析即可確定目標(biāo)化合物的結(jié)構(gòu)。相關(guān)工作以題為“Synthesis and guest inclusion for molecular catcher-based structure determination” 于2026年5月27日發(fā)表在《Nature Protocols》。

具體而言，本論文方案所需的MOF晶體由實(shí)驗(yàn)室自制的柱[5]芳烴衍生物、市售四苯基乙烯衍生物及六水合硝酸鋅在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中制備而成。所得晶體用新鮮DMF洗滌以去除未反應(yīng)的原料，無需額外溶劑交換即可直接用于目標(biāo)化合物捕獲。其中最關(guān)鍵的一步是選擇尺寸適宜、質(zhì)量合格的MOF晶體。將選定的MOF晶體浸泡于目標(biāo)化合物溶液后，即可獲得適用于X射線衍射分析的含目標(biāo)化合物的MOF晶體。從初始原料到最終晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定的全過程可在10天內(nèi)完成。本文詳細(xì)闡述了該分子捕手技術(shù)在結(jié)構(gòu)鑒定中的合成及客體捕獲操作方案，并提供了全面的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，包括若干典型實(shí)例及故障排除指南，以促進(jìn)該技術(shù)的推廣應(yīng)用。

分子捕手結(jié)構(gòu)鑒定技術(shù)所需的合成路線及客體捕獲標(biāo)準(zhǔn)流程示意圖

根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟步驟，研究者首先合成了 EtP5，再經(jīng)四步反應(yīng)得到 EtP5BPPy 配體，并通過 1H NMR 和質(zhì)譜對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。最終合成的配體可實(shí)現(xiàn)克級(jí)制備。得到 EtP5BPPy 后，將其與 H?L1 和 Zn(NO?)?·6H?O 在 DMF 溶液中配位，成功合成了大量 EtP5-MOF-2 晶體。通過優(yōu)化晶體的生長(zhǎng)條件，我們發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)配體溶液濃度和 HAc 的加入量可以控制晶體的質(zhì)量和尺寸。在 2 mL DMF、5.55 mg EtP5BPPy、4.05 mg H?L1、2.98 mg Zn(NO?)?·6H?O 和 70 μL HAc 的條件下，研究者得到了尺寸合適、均勻且規(guī)整的 EtP5-MOF-2 晶體。

EtP5晶體消解后的核磁圖

獲得 EtP5-MOF-2 晶體后，研究者測(cè)定了其晶體學(xué)數(shù)據(jù)，并通過 SCXRD 分析和 1H NMR 確定了其結(jié)構(gòu)。隨后，通過 BET 比表面積分析和孔道分析驗(yàn)證了 EtP5-MOF-2 的多孔性。

接著，以三種目標(biāo)化合物（液態(tài)、粘稠態(tài)和固態(tài)）為代表，進(jìn)一步優(yōu)化了客體捕獲流程。研究者考察了晶體尺寸、樣品量、溶劑、浸泡溫度、浸泡時(shí)間以及 SCXRD 測(cè)試溫度對(duì)衍射數(shù)據(jù)質(zhì)量和客體無序程度的影響，并通過衍射圖和 Fobs 圖對(duì)這些影響進(jìn)行了分析。

EtP5-MOF-2 的孔道結(jié)構(gòu)分析。a，基于 EtP5-MOF-2 晶體結(jié)構(gòu)模擬得到的多孔結(jié)構(gòu)。EtP5-MOF-2 的孔道體積占晶胞體積的 47.5%（晶胞體積為 4124.52 ?3）。b，195 K 下活化后 EtP5-MOF-2 的 CO? 吸附與脫附等溫線，用于測(cè)定其孔道性質(zhì)。表觀 BET 比表面積計(jì)算值為 245 m2/g。

對(duì)于液態(tài)和粘稠態(tài)樣品，研究者建議使用純樣品浸泡 EtP5-MOF-2 晶體，或加入輔助溶劑幫助客體擴(kuò)散進(jìn)入框架（例如，將 5 μL 樣品溶于 10 μL 丙酮中）。對(duì)于固態(tài)樣品，建議使用近飽和溶液浸泡晶體（例如，將 5 mg 樣品溶于 10 μL 苯乙醇中），以促進(jìn)客體進(jìn)入 MOF 框架。在作者已有的結(jié)果中，該技術(shù)已成功用于確定微量雜質(zhì)（濃度低至 NMR 無法檢測(cè)）的晶體結(jié)構(gòu)，以及分析反應(yīng)粗產(chǎn)物中的多個(gè)組分。對(duì)于混合體系，目標(biāo)分子同樣能得到成功解析。因此，該技術(shù)對(duì)化合物的純度和濃度沒有嚴(yán)格要求，但較高的純度（例如 90% 以上）和濃度（例如，樣品與溶劑體積比為 1:1）通常有利于目標(biāo)分子在 EtP5-MOF-2 框架內(nèi)擴(kuò)散。針對(duì)不同樣品，通常需要進(jìn)行多次優(yōu)化嘗試才能找到合適的客體包合條件。應(yīng)選擇與 EtP5-MOF-2 相互作用較弱的溶劑（如苯乙醇），或者有助于客體擴(kuò)散的溶劑（如將樣品溶于丙酮后使丙酮揮發(fā)），而避免使用與客體分子競(jìng)爭(zhēng)性強(qiáng)的溶劑（如 DMF）。對(duì)于液態(tài)客體，可將其制備為稀溶液（例如，將 10 μL 樣品溶于 10 μL 丙酮中），隨著溶劑緩慢揮發(fā)，可幫助客體擴(kuò)散進(jìn)入框架并達(dá)到熱力學(xué)平衡。

捕獲客體的 EtP5-MOF-2 晶體的 SCXRD 數(shù)據(jù)分析。a、b、c、d，使用 Ga Kα 輻射作為 X 射線源，在 100 K 下收集 SCXRD 數(shù)據(jù)，分別得到 EtP5-MOF-2-D1、EtP5-MOF-2-D2、EtP5-MOF-2-D4（單晶）和 EtP5-MOF-2-D5（孿晶）的 (0kl) 層進(jìn)動(dòng)照片。e、f，EtP5-MOF-2-D4（單晶）和 EtP5-MOF-2-D5（孿晶）的倒易空間圖。

EtP5-MOF-2-D、EtP5-MOF-2-B 和 EtP5-MOF-2-M 的晶體結(jié)構(gòu)分析。a、q、ab，D、B 和 M 的化學(xué)結(jié)構(gòu)。b，EtP5-MOF-2-D1至 EtP5-MOF-2-D7以及 EtP5-MOF-2-D9至 EtP5-MOF-2-D15晶體結(jié)構(gòu)中 D1?D7和 D9?D15的疊合結(jié)構(gòu)。r，EtP5-MOF-2-B1至 EtP5-MOF-2-B9晶體結(jié)構(gòu)中 B1?B9的疊合結(jié)構(gòu)。ac，EtP5-MOF-2-M1至 EtP5-MOF-2-M6晶體結(jié)構(gòu)中 M1?M6的疊合結(jié)構(gòu)。c?p、s?aa、ad?ai，在 EtP5-MOF-2-D1至 EtP5-MOF-2-D7、EtP5-MOF-2-D9 至 EtP5-MOF-2-D15、EtP5-MOF-2-B1 至 EtP5-MOF-2-B9以及 EtP5-MOF-2-M1 至 EtP5-MOF-2-M6 的晶體結(jié)構(gòu)中，疊加在 D1?D7、D9?D15、B1?B9和 M1?M6 結(jié)構(gòu)上的Fobs 電子密度圖。

合理控制浸泡溫度也能調(diào)節(jié)客體分子在框架內(nèi)的擴(kuò)散速率。可根據(jù)客體的粘度或熔點(diǎn)等因素來調(diào)整浸泡溫度。研究者建議在室溫下浸泡晶體，這有助于減少過高或過低溫度對(duì)晶體質(zhì)量的不利影響。此外，適當(dāng)延長(zhǎng)晶體在客體溶液中的浸泡時(shí)間并控制浸泡溫度，有助于客體在框架內(nèi)達(dá)到熱力學(xué)平衡。為了準(zhǔn)確解析客體分子的晶體結(jié)構(gòu)，需要選取尺寸合適（例如 50–200 μm，無裂紋）的高質(zhì)量單晶。在 SCXRD 測(cè)試過程中，適當(dāng)降低晶體測(cè)試溫度還可以減少客體分子的無序程度，從而有助于后續(xù)的客體識(shí)別和結(jié)構(gòu)精修。

獲得 SCXRD 數(shù)據(jù)后，需要基于 Fobs 圖對(duì)客體分子的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理精修。在精修過程中應(yīng)適當(dāng)施加晶體學(xué)約束/限制，但要避免強(qiáng)行對(duì)客體分子建模。如果 Fobs 圖與預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)不符，需要仔細(xì)判斷所觀測(cè)到的客體是來自樣品中的雜質(zhì)、樣品不穩(wěn)定導(dǎo)致的降解產(chǎn)物，還是客體分子本身的晶體學(xué)無序。

因此，若通過 SCXRD 數(shù)據(jù)獲得了客體分子的晶體結(jié)構(gòu)，建議進(jìn)一步結(jié)合 NMR 和質(zhì)譜數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，以避免目標(biāo)分子結(jié)構(gòu)解析出現(xiàn)錯(cuò)誤。

總結(jié)與展望：黃飛鶴教授團(tuán)隊(duì)提出的“分子捕手技術(shù)”實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、測(cè)試時(shí)間短、適用底物范圍廣，在藥物、天然產(chǎn)物和有機(jī)合成產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)確定方面具有非常廣闊的應(yīng)用前景。該技術(shù)為基于框架的結(jié)構(gòu)分析提供了新的概念性策略，顯著推進(jìn)了結(jié)構(gòu)鑒定領(lǐng)域的發(fā)展。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41596-026-01370-w