分子识别是生物体系的重要过程，尤其在酶-底物、抗原-抗体、药物-靶点等特异性键合过程中发挥着至关重要的作用。1985年富勒烯C60的发现开启了三维碳材料研究的新纪元。然而，随着富勒烯碳原子数的增加，其立体和构造异构体种类呈指数级增长。不同富勒烯异构体及其衍生物的物理化学性质存在显著的异构效应，直接影响到它们的光电、催化和生物医学应用。然而，由于富勒烯分子家族独特的球状结构，高阶富勒烯异构体（Cn，n > 70）的精准识别与高效分离面临重大挑战。
近日，中国科学院福建物质结构研究所孙庆福研究员团队联合华中科技大学卢兴教授团队，在《Nature Synthesis》期刊发表了题为“Low-Symmetry Coordination Cages Enable the Recognition Specificity and Selective Enrichment of Higher Fullerene Isomers”的研究论文。该研究基于碗状三苯三戊并烯配体构建了具有不同对称性空腔微环境的稀土配位分子笼，利用主客体间π作用精细调控实现了对高阶富勒烯异构体的特异性识别和选择性富集。主客体化学研究表明，相较于高对称性笼（T-3），低对称性笼（S4-4）在识别键合D2-C76异构体时表现出显著优势。通过精准的形状匹配，S4-4笼有效约束了其空腔内富勒烯客体的无规则转动，并导致主体对称性从原来的S4降低至C2。这一策略进一步被用于识别一对堪称孪生兄弟的C2v对称性的C78异构体。这对孪生富勒烯的区别仅在于两个相邻五元环的取向不同，只需一步Stone-Wales单键旋转即可实现彼此结构转化。结果显示，低对称性笼（S4-4）在识别灵敏度和结合力差异方面显著优于高对称性笼（T-3），在分离纯化高阶富勒烯异构体方面表现出独特优势。
该研究首次通过“降低对称性”策略实现了配位分子笼对高阶富勒烯异构体的精准识别，不仅为配位分子笼材料的结构设计与功能开发提供了新思路，也为生物体系中特异性识别过程提供了仿生模型。这一成果为高附加值富勒烯的分离纯化开辟了新途径，并凸显了分子笼材料在识别分离领域的广阔应用前景。
低对称稀土配位分子笼特异性识别极度近似C78立体异构体
相关成果在线发表于Nature Synthesis。福建物构所郭小青副研究员和华中科技大学余鹏威博士为论文共同第一作者，福建物构所孙庆福研究员和华中科技大学卢兴教授为共同通讯作者。本工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的经费支持。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s44160-024-00697-0
（孙庆福课题组供稿）
