文献分享丨JACS：暂态主客体络合控制的催化活性

自然界中存在多种信号传导机制参与的生命活动。天然信号传导的一个关键特征是催化活性的变化是暂时的，即随着时间的推移，催化活性将回到背景水平，这个过程一般通过信号耗尽或催化剂的主动失活实现，这种信号响应催化在生物反应网络的调节中十分重要。受生物系统的启发，要设计与其具有相似复杂性和可控性的人工信号响应系统——化学反应网络（CRNs），关键是通过信号对反应过程实现动态调节。在化学反应网络中，催化活性的调节对于实现对化学转化的有效时间和空间控制至关重要。通过使用可控的信号分子对催化剂暂时激活是一种有效调节反应活性的手段。然而，现有的催化剂一旦开始工作，很难中途暂停，极大程度限制了CRNs的发展，导致复杂可控的人工CRNs目前仍未实现。

化学反应网络中，具有高化学势的分子（化学燃料）转化会使反应偏离平衡。此时，燃料分子被牺牲，产生暂时稳定的复合物，使反应朝着不利方向进行。非共价作用普遍存在于暂态稳定结构中，其中主客体作用是调节主、客体分子反应活性的有力工具。通过主体与类似化学燃料的不稳定信号分子形成暂态主客体复合物，可将CRNs暂时推离平衡，实现信号响应。

基于以上，本文报道了一种信号响应型催化剂，在主客体作用的参与下表现出暂时的催化活性，该体系可通过使用不稳定的信号分子实现持续时间可调的暂时性催化。

信号响应型催化剂控制反应的机制如图1，利用葫芦脲[7]（CB[7]）作为主体，将客体催化剂封装在水环境中。使用水解不稳定的酯作为临时信号，与催化剂分子竞争，酯与CB[7]结合会导致催化剂的释放和激活，而酯的水解会使催化剂被CB[7]重新捕获和失活，利用这种策略可以控制催化活性和总体反应速率。

图1. 与CB[7]形成可水解酯信号的暂态复合物，通过催化剂捕获和释放来控制化学反应速率。k_cat（表示催化速率常数）随时间的变化，并响应酯的加入和水解（左）。

设计CRN时，对酯有以下要求：

1、相较于催化剂分子，其与CB[7]有更高的亲和力；

2、在催化化学反应的时间范围内可水解；

3、水解产生的醇和羧酸无法与CB[7]络合。

根据以上要求，作者选择甘氨酸甜菜碱酯作为研究对象，合成了甲基酯（1）、乙基酯（2）和异丙基酯（3）三种分子作为客体。分子中铵的正电荷使其与CB[7]具有较高的结合常数。并且，由于存在相邻的α-氨基，氨基酸酯具有水解活性，而带正电的甜菜碱相对不带电的氨基酸酯具有更快的水解速率，酯的水解产物无法与主体结合。对比不同pH和CB[7]存在下酯的水解速率，由于给电子效应和空间效应，水解速率表现为：甲基酯（快）>乙基酯>异丙基酯（慢）。从逻辑上看，较大的pH会增加酯的水解速率，而CB[7]的存在会减缓水解。在CB[7]存在下，异丙基酯几乎不水解。

作者采用吖啶橙(AO，5)作为客体分子，其pK_a为9.8，因此在pH 7.5时主要以质子化形式存在。同时，其荧光强度在与CB[7]结合时会增加。初始条件下，5和CB[7]形成的复合物在525 nm处的荧光强度（发射光谱中的最大值）约为0.5（在图2中以绿色虚线表示）。由图2可知，加入酯后，荧光强度从0.5下降到0.2附近，表明酯取代了CB[7]内的染料分子。随着时间推移，酯水解产生甘氨酸甜菜碱4和醇。此时，由于4带有负电荷，使其无法与CB[7]结合，染料分子5再次进入CB[7]的空腔内。图2中荧光强度随时间增大证明了该过程的发生，并且荧光强度增加的速率与酯分子水解的速率规律一致，表明酯信号分子的化学结构对置换率有直接影响。染料替换实验证明可通过临时信号分子控制暂态复合物的形成，从而控制第二个过程（即染料捕捉和释放）的速率。

图2. 添加不同酯后，CB[7]内外的吖啶橙（AO，5）在525 nm下随时间变化的荧光强度。当在CB[7]（绿色虚线）内时，5的荧光强度较高。当酯取代CB[7]内的染料分子5时，荧光强度降低。当酯水解后且染料重新捕获在CB[7]内时，荧光强度再次增加。

在作者之前的研究工作中，已证实了CB[7]可以控制缓冲系统中苯胺催化腙的形成^[1]。这里，作者在CB[7]控制的苯胺催化醛7和酰肼8反应生成腙的反应系统中，加入水解酯，实现对反应速率的暂时控制（图3A）。如图3B-J所示，在醛7和酰肼8的反应中，加入0.2 mM催化剂苯胺6可加速形成腙，速率常数为0.081 /mM·h；加入0.6 mM CB[7]时，反应速率降低，速率常数为0.025 /mM·h，此时只有92%的催化剂与CB[7]络合，一旦加入酯信号，就会发生客体交换，酯取代了CB[7]中的催化剂，释放出的催化剂加速了腙的形成。随时间推移，酯水解后催化剂再次被捕捉到CB[7]空腔，反应速率常数的降低说明了这种现象（图3E-J黑线）。

图3. （A）可水解酯与CB[7]的暂态复合物形成，以控制苯胺催化剂6的捕获和释放，从而调控腙的形成速率。在各种催化条件下，腙的产率（B−D）和速率常数（E−J）随时间的变化。用加入酯信号的实验值（黑线）与模型（蓝色虚线）进行比较：（B, E）甲基酯1 2.5 mM，（C, F）乙基酯2 1.5 mM，（D,G）异丙基酯3 0.8 mM，（H）甲基酯1 2 mM，（I）乙基酯2 1 mM和（J）异丙基酯3 0.75 mM。

总的来说，酯分子的结构和浓度控制着产物腙9生成的反应速率。当甲基酯1的浓度为2.5 mM时，约50 h后停止催化（图3B，E），168 h后9的产率约为60%，当甲基酯1的浓度为2.0 mM时，停止催化时间为40 h（图3H），168 h后9的产率类似。当乙基酯2的浓度分别为1.5和1.0 mM时，停止催化时间分别约为70 h（图3F黑线）和60 h（图3I黑线），168 h后，两者的收率约为68%。异丙基酯3为近永久性客体，当它的浓度分别为0.8和0.75 mM时，反应速率几乎没有随时间降低（图3G和3J黑线），168 h后，两者的腙9产率均约为90%（图3D）。以上结果表明由于酯水解导致溶液中游离催化剂浓度的变化，反应的速率常数也就会随时间而变化。利用酯和催化剂与CB[7]结合的平衡关系以及之前确定的CB[7]内外的酯水解速率常数，作者设计了一个动力学模型来确定所有物质随时间的浓度变化，与实验数据在误差范围内吻合，实现了对反应速率的可预测控制。

此外，作者又通过原位的催化剂活化实验进一步验证控制催化过程。初始条件相同，反应8 h时添加酯，反应速率增加，腙加速形成（图4B-D）；酯水解后，反应速率减慢，产物9的生成速率常数和最终产率的下降趋势与图3相似，其中甲基酯1水解最快，异丙基酯3最慢，作者建立的模型准确预测了不同酯水解造成的反应速率常数的下降。为进一步确定系统的稳定性，作者进行了多次添加酯的实验。以甲基酯1为信号，可实现至少3个连续的信号控制暂态催化循环（图4E−F）。总之，作者通过调整催化剂的释放时间，控制溶液中游离催化剂的浓度，进而控制并预测第二步化学反应的速率。

图4. （A）在t=8h时，原位添加酯1−3后腙9的产率随时间的变化。在各种催化条件下，腙的形成速率常数随时间的变化。将酯信号（黑线）的实验值与模型（蓝色虚线）进行比较：（B）甲基酯1 2.5 mM，（C）乙基酯2 1.5 mM，（D）异丙基酯3 0.8 mM。在t=8、32和56 h连续添加3次甲基酯1时，腙9的（E）产率和（F）形成速率常数随时间的变化。

本工作中，作者利用可水解酯作为临时信号控制催化活性，信号分子与超分子主体的结合，导致主体腔中催化剂的排出和活化；信号分子的水解导致催化剂被主体分子再捕获和失活。通过建立动力学模型，实现了对第二步化学反应过程的控制和预测。这种基于酯水解和超分子封装的非平衡CRN设计策略具有一定的普适性，有望用于构建更复杂的非生物网络。另外，与共价激活（抑制）类似，非共价激活（抑制）催化活性可用于构筑信号响应的软物质材料。因此，本篇工作将有助于推动信号传导在人造材料和化学反应网络中的应用。

1. Li, G.; Trausel, F.; van der Helm, M. P.; Klemm, B.; Breve, T. G.; van Rossum, S. A. P.; Hartono, M.; Gerlings, H.; Lovrak, M.; van Esch, J. H.; Eelkema, R., Tuneable Control of Organocatalytic Activity through Host-Guest Chemistry. Angew. Chem. Int. Ed.2021, 60 (25), 14022-14029.

编    辑：夏钟升 苑子恒