近期，南方科技大学化学系蒋伟副教授课题组为超分子化学领域的科学难题——“水相中极性分子的选择性识别”提供了系统的解决方案。研究成果“Molecular Recognition of Hydrophilic Molecules in Water by Combining the Hydrophobic Effect with Hydrogen Bonding”发表在10月17日的《美国化学会志》期刊上（J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 41, 13466–13477, DOI: 10.1021/jacs.8b09157）。

超分子化学的基础是分子识别，也就是如何使一个分子选择性地“抓住”另外一个分子。经过半个世纪的发展，分子识别已经取得了巨大的成就。然而，“在水相中对官能团/极性分子的选择性识别”仍然被公认为该领域的基础科学难题。众所周知，绝大多数有机分子都含有官能团，生物受体能够在水相中对官能团/极性分子进行很好的识别。受生物受体结构特征的启发，在前期研究中，该课题组设计并合成了一类具有全新结构特色的大环主体分子——内修饰分子管（Chem. Sci. 2015, 6, 6731; J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 14550；J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 8436；Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 709；Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 7809），实现了对部分亲水分子的选择性识别。但是识别机理、识别范围、识别规律都还不是特别清楚。

仿生设计思路，图来源：J. Am. Chem. Soc.

在最近这项成果中，蒋伟课题组深入研究了内修饰分子管与44种亲水分子的键合行为。由于数据量大，各种相关变量较多，很难直接从中找到它们与键合能力之间的关系。研究人员通过引入主成分分析的方法，对数据进行了系统性分析，揭示了键合常数与客体的疏水性、体积、表面积和偶极矩等参数之间的相关性。通过分子动力学模拟，证实了空腔内“高能水”的释放是键合亲水分子的主要驱动力，而氢键相互作用是实现高选择性的关键。在此基础上，他们还总结出这类内修饰分子管的客体选择标准：氢键位点应互补；客体体积应足够大，以排出所有空腔内的“高能水”。遵循这些指导原则，他们还发现了一个“最佳”的客体，与顺式分子管的结合常数高达10⁶ M^-1。

内修饰分子管的计算结构，图来源：J. Am. Chem. Soc.

作者表示，内修饰分子管具有类似于生物受体的空腔特征。该研究不但有助于理解复杂的生物分子识别现象，还可以为设计其他亲水分子的受体提供理论指导。这类内修饰分子管在键合机理、键合的客体种类上与其他大环主体都不同，是一类全新的大环主体分子。此外，很多环境污染物、药物分子和疾病的生物标记物都是极性分子或含有极性基团。该研究在环境污染物的检测与去除、疾病诊断、药物增溶与靶向投递、催化、分子机器、智能材料等领域都具有广阔的应用前景。