一、引言

含有长烷基链的天然产物及药物通常难以生长单晶，这使得通过常规单晶X射线衍射（SCXRD）测定其分子结构极具挑战性，甚至往往无法实现。针对这一问题，浙江大学黄飞鹤教授团队近期报道了一种基于柱[5]芳烃金属有机框架（MOF）的“分子捕手”技术，可在无需生长单晶的条件下，快速、准确地测定长烷基链化合物的晶体结构。该方法将预先合成的含柱[5]芳烃的MOF晶体浸泡于目标化合物的溶液中，待目标化合物被捕获进入MOF晶体后，通过X射线衍射分析即可确定目标化合物的结构。

二、研究成果

本论文方案所需的MOF晶体由实验室自制的柱[5]芳烃衍生物、市售四苯基乙烯衍生物及六水合硝酸锌在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中制备而成。所得晶体用新鲜DMF洗涤以去除未反应的原料，无需额外溶剂交换即可直接用于目标化合物捕获。其中最关键的一步是选择尺寸适宜、质量合格的MOF晶体。将选定的MOF晶体浸泡于目标化合物溶液后，即可获得适用于X射线衍射分析的含目标化合物的MOF晶体。从初始原料到最终晶体结构测定的全过程可在10天内完成。本文详细阐述了该分子捕手技术在结构鉴定中的合成及客体捕获操作方案，并提供了全面的实验细节，包括若干典型实例及故障排除指南，以促进该技术的推广应用。

图1. 分子捕手结构鉴定技术所需的合成路线及客体捕获标准流程示意图

根据实验步骤步骤，首先合成了 EtP5，再经四步反应得到 EtP5BPPy 配体，并通过1H NMR 和质谱对其结构进行了表征。最终合成的配体可实现克级制备。得到 EtP5BPPy 后，将其与 H₄L1 和 Zn(NO₃)₂·6H₂O 在 DMF 溶液中配位，成功合成了大量 EtP5-MOF-2 晶体。通过优化晶体的生长条件，发现调节配体溶液浓度和HAc的加入量可以控制晶体的质量和尺寸。在 2 mL DMF、5.55 mg EtP5BPPy、4.05 mg H₄L1、2.98 mg Zn(NO₃)₂·6H₂O 和 70 µL HAc的条件下，研究者得到了尺寸合适、均匀且规整的 EtP5-MOF-2 晶体。

图2. EtP5晶体消解后的核磁图

获得 EtP5-MOF-2 晶体后，测定其晶体学数据，并通过 SCXRD 分析和1H NMR 确定了其结构。随后，通过 BET 比表面积分析和孔道分析验证了 EtP5-MOF-2 的多孔性。接着，以三种目标化合物（液态、粘稠态和固态）为代表，进一步优化了客体捕获流程。研究者考察了晶体尺寸、样品量、溶剂、浸泡温度、浸泡时间以及 SCXRD 测试温度对衍射数据质量和客体无序程度的影响，并通过衍射图和Fobs 图对这些影响进行了分析。

图3. EtP5-MOF-2 的孔道结构分析。a，基于 EtP5-MOF-2 晶体结构模拟得到的多孔结构。EtP5-MOF-2 的孔道体积占晶胞体积的 47.5%（晶胞体积为 4124.52 ų）。b，195 K 下活化后 EtP5-MOF-2 的 CO₂ 吸附与脱附等温线，用于测定其孔道性质，表观 BET 比表面积计算值为 245 m²/g

对于液态和粘稠态样品，研究使用纯样品浸泡 EtP5-MOF-2 晶体，或加入辅助溶剂帮助客体扩散进入框架（例如，将 5 μL样品溶于 10 μL丙酮中）。对于固态样品，建议使用近饱和溶液浸泡晶体（例如，将 5 mg 样品溶于 10 μL苯乙醇中），以促进客体进入 MOF 框架。在作者已有的结果中，该技术已成功用于确定微量杂质（浓度低至 NMR 无法检测）的晶体结构，以及分析反应粗产物中的多个组分。对于混合体系，目标分子同样能得到成功解析。因此，该技术对化合物的纯度和浓度没有严格要求，但较高的纯度（例如 90% 以上）和浓度（例如，样品与溶剂体积比为 1:1）通常有利于目标分子在 EtP5-MOF-2 框架内扩散。针对不同样品，通常需要进行多次优化尝试才能找到合适的客体包合条件。应选择与 EtP5-MOF-2 相互作用较弱的溶剂（如苯乙醇），或者有助于客体扩散的溶剂（如将样品溶于丙酮后使丙酮挥发），而避免使用与客体分子竞争性强的溶剂（如 DMF）。对于液态客体，可将其制备为稀溶液（例如，将 10 μL样品溶于 10 μL丙酮中），随着溶剂缓慢挥发，可帮助客体扩散进入框架并达到热力学平衡。

图4. 捕获客体的 EtP5-MOF-2 晶体的 SCXRD 数据分析。a、b、c、d，使用 Ga Kα 辐射作为 X 射线源，在 100 K 下收集 SCXRD 数据，分别得到 EtP5-MOF-2-D1、EtP5-MOF-2-D2、EtP5-MOF-2-D4（单晶）和 EtP5-MOF-2-D5（孪晶）的 (0kl) 层进动照片。e、f，EtP5-MOF-2-D4（单晶）和 EtP5-MOF-2-D5（孪晶）的倒易空间图

图5. EtP5-MOF-2-D、EtP5-MOF-2-B 和 EtP5-MOF-2-M 的晶体结构分析。a、q、ab，D、B 和 M 的化学结构。b，EtP5-MOF-2-D1至 EtP5-MOF-2-D7以及 EtP5-MOF-2-D9至 EtP5-MOF-2-D15晶体结构中 D1−D7和 D9−D15的叠合结构。r，EtP5-MOF-2-B1至 EtP5-MOF-2-B9晶体结构中 B1−B9的叠合结构。ac，EtP5-MOF-2-M1至 EtP5-MOF-2-M6晶体结构中 M1−M6的叠合结构。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 的晶体结构中，叠加在 D1−D7、D9−D15、B1−B9和 M1−M6 结构上的Fobs 电子密度图

合理控制浸泡温度也能调节客体分子在框架内的扩散速率。可根据客体的粘度或熔点等因素来调整浸泡温度。研究者建议在室温下浸泡晶体，这有助于减少过高或过低温度对晶体质量的不利影响。此外，适当延长晶体在客体溶液中的浸泡时间并控制浸泡温度，有助于客体在框架内达到热力学平衡。为了准确解析客体分子的晶体结构，需要选取尺寸合适（例如 50–200 µm，无裂纹）的高质量单晶。在 SCXRD 测试过程中，适当降低晶体测试温度还可以减少客体分子的无序程度，从而有助于后续的客体识别和结构精修。获得 SCXRD 数据后，需要基于Fobs 图对客体分子的晶体结构进行合理精修。在精修过程中应适当施加晶体学约束/限制，但要避免强行对客体分子建模。如果Fobs图与预测结构不符，需要仔细判断所观测到的客体是来自样品中的杂质、样品不稳定导致的降解产物，还是客体分子本身的晶体学无序。因此，若通过 SCXRD 数据获得了客体分子的晶体结构，建议进一步结合 NMR 和质谱数据进行验证，以避免目标分子结构解析出现错误。