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JACS：用紫精镊子检测单个供体-受体π-相互作用力
0 前言
供体-受体之间的π-相互作用是一种连接不同分子实体或组分的弱吸引力，在超分子化学中得到了广泛的利用。如今，人工分子机器的设计正蓬勃发展，这些（超）分子经过合理设计，可展现它们一个部分或其中一种组件相对于另一种组件的运动。例如，许多机械互锁分子（Mechanically interlocked molecules, MIMs）是使用基于π-相互作用来定向合成的，并利用这种π-相互作用来实现一个组件相对于另一组件的可控运动。
通常，人们普遍根据非共价相互作用的热力学结合常数或自由能来制备具有特定功能的化合物。但是，在描述或比较人工合成的分子机器的机械功时，我们会应用非平衡热力学，而相关的参数是机械力。力是矢量而我们常见的热力学量都是标量，因此弱相互作用力的机械特征参数可能与其热力学参数有很大不同。
在此背景下，单分子力谱技术在定量测定单个分子（超分子）所产生的机械力和功方面已显示出良好的发展前景。单分子力谱（single-molecule force spectroscopy, SMFS）是一种捕获目标分子并以可控的方式机械地拉伸它以观察一个特定事件（构象变化、破坏相互作用或机械阻力）的方法。但是，迄今为止，这一领域的前沿研究仅包括一系列结合氢键的多个供体-受体π-相互作用，未有测量单个供体-受体π-相互作用的报道。Anne-Sophie Duwez课题组制定了一种方法，量化了破坏单个供体-受体π-相互作用所需的机械力。
1 内容
1.1 紫精分子镊子合成及实验原理
作者选择最为常见的4,4'-联吡啶（紫精）作为π-受体，选择了3种不同的π-供体（二甲氧基联苯，DMBP；二甲氧基萘，DMNP；二氨基萘，DANP）作为参与π-相互作用的分子。两个紫精分子通过联苯甲基连接，组成了一个缺电子的分子镊子（图1A），它能够封装π-供体。并且，这种连接两个紫精单元的回路经过专门设计，可以显示出明确的构象变化，其大小足以被AFM检测到。最后，在紫精镊子的两端修饰两个聚乙二醇链（PEG），使得该结构能够在云母表面和AFM尖端物理吸附。
在一个标准实验过程中，将覆有功能化紫精镊子的表面浸入含有π-供体的溶液中，将AFM针尖推到表面上，将PEG锚定在AFM尖端上以进行单分子力谱实验。PEG附着后，可控地拉伸锚定的分子（图1B），并测量机械打开紫精镊子所需的力。
图1. （A）紫精“镊子”的分子结构式；（B）AFM力谱实验方案。
1.2 单分子力谱（SMFS）测试
首先，在没有π-供体的情况下，在乙腈中对该紫精单分子镊进行拉伸实验。如图2A所示，力-距离曲线显示出单峰特征。使用统计机械模型（wormlike chain, WLC）对该峰进行拟合，结果表明镊子的最大拉伸长度为0.3 ± 0.05 nm，这与PEG分子链的柔韧性一致的；断裂力峰值可达150 pN，这也与一个聚合物的物理吸附数值一致1。
图2. 在没有π-供体的情况下，在乙腈中对该紫精单分子镊进行拉伸实验获得的力-距离曲线，红色线是统计机械模型（WLC）对该峰进行拟合。
然后，作者在体系中加入不同π-供体再次进行力谱测试。如图3A所示，在1,5-二甲氧基萘（DMNP）存在的情况下，在力-距离曲线上发现除了原来的断裂力峰（约150 pN）之外，还出现了一个新的断裂力峰（约73 pN）。为了将这一模式与紫精镊子的机械拉伸联系起来，作者在第一个峰出现后测量了在恒定的力作用下紫精镊子长度的增量（Δx）。也就是说，当供体-受体的π-相互作用被机械打断时，Δx值对应的是镊子释放的长度。长度增量的分布如图3D所示：Δx的值约为1.4±0.2 nm。考虑到紫精镊子的闭合形态（0.7 nm）和开启形态（2.3 nm）的长度差（外部的吡啶基团之间的距离），Δx实验值与理论值1.6 nm比较吻合。此外，对应于此处观察到的π-相互作用断裂（73±6 pN）的断裂力（图3 E）与之前文献报道的在类似条件下展开单寡烷过程中得到的值（72±4 pN）完全吻合。因此，作者认为这个双峰对应于一个紫精镊子从从包埋1,5-二甲氧基萘的封闭形态到开启形态机械打开过程的特征（图1B）。
图3. （A–C）不同π-供体存在下进行力谱测试获得的力-距离曲线。（A：1,5-二甲氧基萘（DMNP），B：1,5-二氨基萘（DANP）C：二甲氧基联苯（ DMBP））；（D）在DMNP做π-供体的情况下，在恒定力下测量的第一个和第二个峰之间的长度增量的分布。高斯拟合（红线）为Δx = 1.4±0.2 nm；（E）图A的峰值力分布图，高斯拟合（红线）得处峰值为Fpeak = 73±6 pN。
1.3 用不同的π-供体调节相互作用力
作者采用探测弱相互作用的力值而不是平衡能量值，为了证明这种方法探测各种弱非共价键相互作用的普适性，作者选择了另外两种与紫精基团分别表现出高亲和性和低亲和性的化合物：二甲氧基联苯（DMBP）和1,5-二氨基萘（DANP）进行测试。结果证实，对于不同的π-供体，其断裂力与其受体-供体结合常数（Ka）变化趋势相同（如表1所示）。
表1. （左）π-供体与紫精基团的结合常数（Ka）; （右） 单分子力谱测得的不同π-供体使镊子长度的增量（Δx）和π-相互作用力值（Fpeak）。
1.4 原位π-供体替换实验
非共价键相互作用的强度以及打破它所需的力取决于环境和局部扰动。为了检测是否会有π-供体从紫精镊子腔中脱出，作者还设计了在溶液中的“替换”实验。首先在存在DMBP（弱π-供体）的情况下开始了标准的拉伸实验，然后在该体系中添加了相同浓度的DANP（强π-供体）。如图4所示，在添加DANP前后，都检测到了类似的双峰分布。但是，峰值力的分布从50 pN（加DANP前）变到84 pN（加DANP后）。这证实了结合常数小的π-供体会被结合常数大的所替换。
图4. 添加DANP前后，力-距离双峰曲线的第一个峰的力分布图及其高斯拟合。
2 小结
本工作设计并合成了适用于基于AFM力谱的分子镊子，并通过实验设计量了化单个供体与受体之间π-相互作用的机械强度。力-距离曲线的双峰揭示了带有不同π-供体的紫精镊子的机械开、闭过程。对于不同的π-供体，其断裂力与其受体-供体结合常数（Ka）变化趋势相同。从弱相互作用到强相互作用的原位π-供体替换实验还表明了这种方法的高灵敏度。可以利用这种简单的方法来量化多种非共价键相互作用力，量化力后便可以计算一些分子机器在单分子水平上所产生的功。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c10339
参考文献：(1) Sluysmans, D.; Hubert, S.; Bruns, C. J.; Zhu, Z.; Stoddart, J. F.; Duwez, A.-S., Synthetic oligorotaxanes exert high forces when folding under mechanical load. Nature Nanotechnology 2018, 13, 209-213.
撰稿人：赵艺（2020级博士生）
校稿人：路泰歌（2020级硕士）
