超分子化学已经发展成为一门与生命科学、材料科学、信息科学以及医学等多领域交叉融合的前沿学科。发展新的自组装策略一直是超分子化学领域的关键科学问题，也是推动该领域发展的动力之一。迄今为止，大多数已报道的超分子组装体是在开放环境中（如反应瓶中）制备而成。然而，在生命体系中，许多生物大分子（如DNA、RNA、蛋白质等）是在环境受限的细胞内自组装形成复杂的高级组装体，从而维持正常的生命活动。受自然界中自组装行为的启发，如何在类细胞的限域微反应器中实现超分子组装体的高效、可控和精准组装，引起了研究者们的极大兴趣。近年来，华东师范大学化学与分子工程学院徐林教授课题组基于微纳流控技术构建了类细胞微反应器，并在这些微反应器中成功高效地构筑了一系列超分子组装体，实现了组装过程强化和性能提升。基于此，该课题组在国际上首次提出并实施了超分子流动化学的新方向。近期，该团队在此领域取得了新的进展，成功实现了类细胞微反应器中结构微小差异的金属笼的高效自分类。相关研究成果发表在化学领域重要的学术期刊Angew. Chem. Int. Ed.上（Angew. Chem. Int. Ed.,2024,63, e202409878）。此外，该团队还在Chem. Soc. Rev.上发表了关于超分子组装功能化的综述性论文（Chem. Soc. Rev.,2024,53, 6042）。
自分类现象在自然界中广泛存在，例如DNA形成双螺旋、肌动蛋白组装成线性肌动蛋白丝以及微管蛋白的形成等。通过配位键导向自组装构筑的金属配位笼在催化、传感、药物输送和分子识别等领域具有广泛应用。研究金属配位笼的自分类不仅为功能性超分子组装体的设计与合成提供了理论依据，还有助于探索金属配位与其他非共价相互作用对复杂体系自分类行为的影响。目前，实现金属配位笼的自分类主要依赖于组装配体之间显著的结构差异，如长度、形状和对称性等。因此，研究结构微小差异的金属配位笼的自分类行为极具挑战。
近期，徐林教授团队利用微纳流控技术深入研究了微液滴中微小结构差异的金属配位笼的自分类行为，揭示了受限环境对自分类行为的内在机制和规律。研究团队首先设计并合成了两种具有相同长度、形状和对称性的三聚茚组装基元L1和L2，它们仅在中心取代基团上存在微小差异。这些组装基元通过配位键导向的自组装分别形成了四面体金属笼C1和C2。值得注意的是，这些微小的结构差异促进了自恋型自分类行为的发生。与传统反应器（如烧瓶）相比，微液滴中的自分类过程显著加速，这主要归因于微液滴限域环境增加了底物的局部浓度和碰撞几率，从而推动了动力学产物向热力学产物的转化。研究团队通过在微液滴和传统反应器中进行竞争性自组装以及金属笼之间的结构转化实验，进一步探讨了自分类的机制。
该研究展示了微小结构差异的金属配位笼在微液滴环境中的自分类行为，并有效利用微纳流控技术提升了自分类效率，为研究限域环境中的自分类行为提供了新的研究思路。
徐林教授课题组长期从事超分子化学的研究工作。课题组率先通过荧光共振能量转移技术实现了一级配位自组装和二级配位自组装过程和机理的高效、高灵敏、无损伤的原位研究（J. Am. Chem. Soc.,2017,139, 9459;J. Am. Chem. Soc.,2021,143, 399）；基于对超分子组装过程和机理的理解认识，发展限域配位自组装新策略解决了超分子配位组装体稳定性弱的关键问题并实现了组装效率提升和性能强化（J. Am. Chem. Soc.,2018,140, 5049;Angew. Chem. Int. Ed.,2020,59, 7435;J. Am. Chem. Soc.,2020,142, 9152;Angew. Chem. Int. Ed.,2023,62, e202301900;Angew. Chem. Int. Ed.,2024,63, e202409878）；基于对组装过程的深入研究，理性设计构筑了一系列新型超分子组装功能材料，拓展了超分子组装体在光敏催化、光敏诊疗等领域的功能化并首次实现了超分子配位组装体在全息成像领域的应用（Nat. Commun.,2018, 9, 3190;Nat. Commun.,2019,10, 4285;J. Am. Chem. Soc.,2020,142, 6285;J. Am. Chem. Soc.,2020,142, 16748;Angew. Chem. Int. Ed.,2021,60, 11789;CCS Chem.,2022,4, 2090;Angew. Chem. Int. Ed.,2023,62, e202308210;Angew. Chem. Int. Ed., 2024,63, e202315061;Chem. Soc. Rev.,2023,52, 1129;Chem. Soc. Rev.,2024,53, 6042）。
以上研究工作得到了国家自然科学基金、上海市优秀学术带头人以及上海市曙光学者计划等项目经费的资助。
原文链接：
Efficient Self-Sorting Behaviours of Metallacages with Subtle Structural Differences, Tongxia Jin, Kai Zeng, Xin Zhang, Wei-Tao Dou, Lianrui Hu, Dawei Zhang, Weiping Zhu, Xuhong Qian, Hai-Bo Yang, Lin Xu,Angew. Chem. Int. Ed.,2024,63, e202409878.
Supramolecular cage-mediated cargo transport, Qing-Hui Ling, Zhen-Chen Lou, Lei-Zhang, Tongxia Jin, Wei-Tao Dou, Hai-Bo Yang, and Lin Xu,Chem. Soc. Rev.,2024,53, 6042.