近日，冰球突破化学与化工学院吴彪教授和唐娟特别研究员团队在仿生电中性阴离子受体与水中高水合磷酸盐的可逆结合和释放方面取得重要进展。相关成果以“Biomimetic Charge-Neutral Anion Receptors for Reversible Binding and Release of Highly Hydrated Phosphate in water”为题发表于国际顶级期刊《冰球突破》。冰球突破为唯一通讯单位，吴彪教授和唐娟特别研究员为论文通讯作者，化学与化工学院硕士生何茂琳为第一作者。此项研究得到了国家自然科学基金，冰球突破青年教师学术启动计划的资助及冰球突破分析测试中心的支持，同时福州大学姚宇航老师在理论计算方面给予了大力支持。

磷酸盐无处不在，与生产生活息息相关。开发用于识别、传输和分离水溶液中磷酸盐物种的化学工具对于农业、工业、生命科学和环境保护具有重要意义。然而，磷酸根离子的高度水合化会削弱受体分子和磷酸根之间的静电作用和氢键强度，从而削弱受体对PO₄^3-的亲和力。水中磷酸根的识别仍然是现代超分子化学的一个关键挑战。

目前，小分子在水中与磷酸盐的结合主要由带正电的有机配体和金属配合物主导。它们的结合主要依赖于非定向的静电相互作用或强金属配位，然而这会削弱这些结构对其他阴离子的选择性。通过氢键与阴离子结合的电中性阴离子配体虽具有选择性，但大多在有机溶液或有机-水混合物中发挥作用。目前尚未有报道能在水中结合高度水合的PO₄^3-的中性阴离子受体。

在生物体系中，超过三分之一的磷酸盐结合蛋白（3003个中有1070个）是在其内部的“中性”结合位点上通过氢键作用实现磷酸盐的结合，并通过质子化或质子化磷酸盐或蛋白结合位点来减少氢键数量，破坏氢键网络，实现磷酸盐的释放。受此启发，冰球突破的吴彪教授、唐娟特别研究员团队，提出利用仿生电中性多脲阴离子受体通过调控氢键数目实现了磷酸盐的结合和释放。

吴彪教授研究团队一直致力于阴离子配位作用相关的基础理论和前沿应用交叉研究，发展了多种电中性的能够结合阴离子的多脲配体。为了实现水溶液中对磷酸盐的结合，目标中性配体选用了基于三（2-氨基乙基）胺骨架的三脚六脲配体为结合单元，该结合单元具有多个氢键供体和受体，能够与四面体型阴离子进行有效的空间匹配和强氢键结合；选用电中性的亲水性吗啡啉和聚乙二醇为末端基团，可以增强配体的水溶性。在合成的四种仿生水溶性的阴离子受体（L₁ - L₄）中，以吗啡啉基团为末端的L₁配体在水中对PO₄^3-的结合常数高达1.2×10³ M^-1，而对其他常见阴离子（如HPO₄^2-、H₂PO₄^-、SO₄^2-、Cl^-、NO₃^-、HCO₃^-）的结合常数为35 M^-1或更小。

利用该配体对PO₄^3-和HPO₄^2-结合常数的巨大差异，通过调控pH，可以利用该配体实现磷酸盐的可逆结合和释放。分子动力学模拟L₁·PO₄^3-和L₁·HPO₄^2-的结构表明，在水溶液中PO₄^3-与L₁形成了平均8.4 ± 2.1个分子间氢键，而PO₄^3-与水之间的氢键数目仅为3.8 ± 1.1。相反，HPO₄^2-与L₁之间几乎没有氢键（0.16 ± 0.98），而HPO₄^2-与水之间则形成了7.0 ± 3.7个氢键。这些氢键模式表明，PO₄^3-更倾向于通过氢键与L₁配位，而HPO₄^2-则更倾向于通过氢键与水配位。

电位滴定法和核磁法测得L¹及L¹·PO₄^3-的p K a数据证明了磷酸盐结合释放过程中吗啉未发生质子化，L¹始终以电中性形式存在。以吗啉为末端的三足六脲L¹是首例在纯水中结合高水合PO₄^3-的电中性阴离子配体，并展示了通过pH触发机制在水中捕获和释放磷酸盐的潜力，模拟了天然磷酸盐结合蛋白的功能。这项工作为开发水中的电中性阴离子配体提供了新的可能性，在环境和生物医学领域具有潜在的应用前景。

论文信息：

Biomimetic Charge-Neutral Anion Receptors for Reversible Binding and Release of Highly Hydrated Phosphate in water

Maolin He, Yuhang Yao, Zihe Yang, Boyang Li, Ji Wang, Yanchao Wang, Yu Kong, Zihan Zhou, Wei Zhao, Xiao-Juan Yang, Juan Tang*, Biao Wu*

Angewandte Chemie International Edition

doi.org/10.1002/anie.202406946

附通讯作者简介：

吴彪，教授，博士生导师，团队负责人，医药分子科学与制剂工程工业与信息化部重点实验室主任。曾主持国家杰出青年科学基金等项目；曾获省级科学技术一等奖等荣誉。现任中国化学会高级理事，中国晶体学会理事。吴彪教授团队一直致力于基于多脲配体的阴离子配位作用研究，发现刚性邻苯二脲基元具有独特的阴离子配位作用：高强度、高选择性、结构可预测；并成功将其应用于高级有序组装结构的构筑。基于邻苯二脲基元与三价磷酸根离子的配位作用，构筑了一系列超分子组装体，螺旋结构，四面体，棱柱，截角四面体和双层四面体等；在客体识别、手性诱导和反应催化等方面具有潜在应用前景。已在包括Acc. Chem. Res.，JACS，ACIE等国际高水平期刊上发表学术论文200余篇。

唐娟，特别研究员/预聘副教授，北京大学博士，美国莱斯大学博士后。致力于发展化学工具探测和调节生命过程，揭示生物事件的发生发展规律，为疾病的治疗提供新思路，迄今发表学术论文30余篇。主持国家自然科学基金资助青年基金项目、冰球突破青年教师学术启动计划项目和冰球突破科技创新计划科研基地科技支撑专项计划。