港大化学团队合成 "变色龙"分子链扣 高效结合正负离子
香港 - Media OutReach Newswire - 2024年7月7日 - 在日常生活中，金属链、手铐和钥匙圈等物件都由坚固的金属环互相紧扣而成。 这种环环相扣的结构令这类物件既坚固又灵活，因而能够发挥出它们相应的功能。
互锁大环的 "180度转向" 能令索烃分子选择性地在与亚铜离子或与硫酸根离子的这两种结合模式之间灵活切换。 图片改编自《自然-通讯》。
在分子世界中，由纳米大小的分子环互相扣起所组成的分子锁链则称为 “ 索烃（catenane）”，常用于开发分子开关和分子机器。 然而合成索烃并不容易，目前科学家对其应用的研究仍然有限。 近日，香港大学（港大）化学系欧阳灏宇教授及其研究团队，成功合成出一个由两个可自由转动的分子环互锁而成的索烃，并证明其可选择性地与亚铜正离子（copper（I） cation）或硫酸根负离子（sulfate anion）高效结合。 这项发现对于在环境或生物样品中监测这些特定离子具有重要意义。
由于同性电荷相斥，异性电荷相吸，一个可以吸引带正电的阳离子的结合位点，通常会与带负电的阴离子发生排斥作用，从而无法产生有效结合，反之亦然。 因此，要设计一个能和正离子与负离子均有结合能力的主体分子往往十分困难。 欧阳教授的团队巧妙地在索烃的两个环上都安装了能结合正离子的联吡啶（bipyridine）基团和与负离子结合的脲基（urea）基团，令该索烃能通过两个环的灵活转动，来适当调整这些结合位点的相对位置，从而既能与亚铜正离子结合，也能与硫酸根负离子结合。 这种由不同离子控制的构象切换，使得该索烃分子就好像一只变色龙，能够改变自己的外表来适应不同的环境。 该研究成果近日已在著名科学期刊《自然-通讯》（Nature Communications）上发表。
亚铜离子和硫酸根离子除了在工业和环境上都有重要影响外，对于动植物的生长和发育同样至关重要。 因此，如同测量血液样品中的钠离子、氯化物和其他电解质可用于监测血压和常规健康检查一样，该索烃分子有望用于在生物样品中对这两种离子进行识别与探测，以及开发相关的诊断和检测技术。
港大化学系欧阳灏宇教授表示：“ 这项研究成果展示了索烃在分子识别应用方面的巨大潜力。 它具有多变的结构、可调的性质以及相应的客体结合能力，因而有望用于高性能分子传感器的研发。” 谈及未来研究计划，欧阳教授表示，他和团队正在设计和合成更复杂的索烃分子，以实现多种正离子、负离子和离子对的同时间高效结合。
关于此研究论文
论文第一作者为欧阳灏宇教授的博士生姚跃良。 其他参与的研究人员包括港大的谢沅昌博士、赖健汶博士、史意祥博士和鲁锦鸿博士。
此項研究由中国科學院—裘槎基金會聯合實驗室資助計畫（the CAS-裘槎裘槎資助計畫（the CAS-裘槎裘槎資助計畫（the CAS-裘槎基金會聯合實驗室資助計畫（the CAS-Croucher Funding Scheme for Joint Laboratories）、香港研究資助局（The Research Grants Councils of Hong Kong）的協作研究金（Collaborative Research Fund）和優配研究金（General Research Fund）提供支持。
參看研究論文：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46099-w
欧阳灏宇教授简介
歐陽灝宇現為港大化學系副教授。他畢業於香港中文大學，並於英國劍橋大學取得博士學位。2011-2013年間獲得裘槎博士後研究獎學金，前往加州大學柏克萊分校進行博士後研究。他主要的研究方向為機械互鎖分子的化學，包括高階索烴的新型合成策略，以及機械互鎖分子於催化、分子開關、主客體化學等方面的研究和應用。他於2016年獲得裘槎前瞻科研大獎、Graeme Hanson Early Career Researcher Award和Thieme Chemistry Journals Award，2018年獲得Asian Core Program Lectureship Award，2020年獲得港大卓越大獎傑出青年研究學者獎。他於2020-2021年擔任Chemical Review青年編委，2020年起為中國化學會青年化學工作者委員會成員。他團隊的研究成果曾發表在《自然-通訊》（Nature Communications）、《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）、《應用化學》（Angewandte Chemie）、《化學科學》（Chemical Science）等知名科學期刊上。欲了解更多關於歐陽灝宇教授的研究，請瀏覽以下網頁： https://chemistry.hku.hk/staff/hoyuay/index.html