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“分子捕手”藤田诚:给原子造“笼子”,让化学界从此告别“开盲盒”

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在化学家的世界里,最痛苦的事莫过于合成出了某种神奇分子,却因为无法结晶而永远见不到它的真容。这种感觉,就像是听到了天籁之音,却无法捕捉到曲谱。

但在东京大学,有一位被称为“分子捕手”的大师,他用氮原子和钯离子编织出精巧的“囚笼”,让那些生性自由、永不结晶的分子乖乖落网并定格。他,就是诺贝尔化学奖的超级热门人选——藤田诚(Makoto Fujita)。


1

从“乱点鸳鸯”到“建筑大师”:

自组装的艺术

在普通人眼中,实验室的成果往往是一支支五颜六色的试剂;但在化学家的逻辑里,如果不能确定分子的三维空间结构,一切合成都像是“盲人摸象”。

想要看清一个分子的原子排列,最权威的手段是单晶 X 射线衍射(XRD)。这就像是给分子拍一张高清的原子级“证件照”。但这张照片有一个极其苛刻的前置条件:分子必须排成整齐的队列,长成完美的“晶体”。 尴尬的是,大自然中许多极具潜力的天然药物、香精或油脂,性格极其“散漫”。它们在常温下往往呈液态,或者像乱麻一样堆在一起,无论实验员如何尝试更换溶剂、调整温度,大部分分子仍旧无法完美结晶。

正是在这种背景下,藤田诚教授用一种全新的思路打破了传统化学中结晶的问题:既然用各种分子间作用力将原子锁在一起不行,为什么不让分子自己动——通过构建一个个“格子间”,让分子排队坐好。

藤田诚教授意识到,如果想让分子自发排布结晶,就像自然界中病毒的外壳蛋白、蛋白质通过自组装拼装成完美的几何体一样,要实现这一过程,必须找到一种合适的化学键。

藤田诚教授首先考虑了共价键,一般来说,分子和原子之间一般通过共价键或非共价键链接,相比于非共价键,共价键通过共用电子紧紧锁死,作用力较强,但一旦其中一个分子出现错误,则很难拆卸重来。之后他们又想到了氢键,作为一种非共价的分子间或分子内相互作用力,氢键虽然连结灵活,但作用力较弱,但难以支撑起巨大的复杂结构。最终他们选择了配位键——一种比共价键弱、却具有“自动纠错”能力的化学键。它由金属离子提供“空位”,有机分子提供“电子对”来对接。作用力介于两者之间,最重要的是它具有 “自动纠错”能力,如果某一个分子连接错误,它能自动断开并重新寻找正确的位点,直到形成最稳定的几何形态。

“这就像是给分子装上了导航。”藤田诚利用钯离子(Pd²⁺)作为顶角,有机配体作为支架,让它们在溶液中像玩乐高一样,自动寻觅最稳定的状态,拼装成宏观、对称的多面体结构。这种自组装技术,使某些复杂超分子结构可以在较温和条件下高效形成。


▲图 2 藤田诚教授最新研究成果:通过客体吸附法(a)和溶液包封-结晶法(b)分别实现客体分子在成晶后和结晶前的引入(Nat.Chem.17, 653–662 (2025). https://doi.org/10.1038/s41557-025-01750-x)

2

结晶海绵:

终结化学家的“盲盒焦虑”

起初,藤田诚教授通过“自组装”合成多种有机多面体框架,在化学家眼中更像是微观世界的“艺术品”。人们赞叹于它们的对称美,却也在问:这些昂贵而精巧的笼子,除了好看还能做什么?

藤田诚教授并没有让这些笼子留在展示架上。他敏锐地察觉到,这些多面体内部拥有巨大的、空旷的纳米空间,就像一间间空置的“精装客房”。

如果能让那些无法结晶的客体分子“入住”这些格子间,并利用笼子本身的整齐排列来固定它们,不就能解决结晶难题了吗?这一逻辑的跳跃,直接促成了2013年那项震撼世界的突破:结晶海绵法(Crystalline Sponge Method)。这一发现,被公认为是近二十年来结构化学领域最伟大的飞跃之一。

长期以来,X射线晶体衍射(XRD)是判定分子结构的黄金准绳。但它有个致命伤:物质必须先长成完美的晶体。许多珍贵的天然药物、香精、油脂,因为常温下呈液态或无序态,无法结晶,其结构成了永久的谜题。化学家为了给一个分子“长晶体”,往往要耗费数月甚至数年的时间去尝试各种溶剂。

藤田诚巧妙地避开了这个难题。初代结晶海绵是预先制备的多孔配位晶体;最新第二代体系则进一步将分子笼的捕获能力整合进晶体框架。并通过以下两步完成晶体构建:

  1. 吸附:这些笼子就像一块干渴的海绵。只要把无法结晶的目标分子溶液滴在上面,海绵就会通过亲和力,把分子吸入孔径。

  2. 定型: 通过多点主客体相互作用被限制在有序孔道中 ,被迫按照笼子的秩序整齐排列,从而可以直接进行X射线衍射。


▲图 3 初代结晶海绵法(Nature 495, 461–466 (2013). )

自此,即便只有几微克的液体样品,也能像固体晶体一样拍出高清的“原子证件照”。这项技术直接让天然产物全合成和药物开发的速度提升了一个量级。

3

实验室里的几何美学:

当化学遇上柏拉图多面体

看藤田诚教授的论文,更像是在看一场跨越维度的几何艺术展。从简单的四面体到具有巨大空腔的二十面体,再到具有MₙL₂ₙ结构的巨型分子球。他证明了:最硬核的科学,往往拥有最极致的对称美。

在藤田诚教授的“分子容器”中,因其狭窄的空间布局和高的电荷分布,往往材料具备一定的限域效应(Confinement Effect)。想象一下,原本在广阔操场(普通溶液)上自由奔跑的两个运动员(反应分子),被强行关进了一个只能容纳两人的窄小电梯(分子笼)里。在空间挤压和电荷诱导的双重作用下,一方面在极其狭小的空间内,分子被迫以特定的姿态紧挨在一起,大大增加了有效碰撞的概率,另一方面笼子骨架上分布着高浓度的电荷(如钯离子),这些电荷会像磁场一样重新排布笼内分子的电子云。

如此一来,这种多面体结构在多种领域中都得到了广泛应用。在化学中,由于反应物被强行挤压在一起,反应速度会呈几何级数倍增。这与纳米酶的活性中心设计异曲同工——通过精准的空间限域,模仿生物酶的高效催化能力。在生物学中,不稳定的药物分子可以包覆在笼子中,躲避体液中酶或酸碱环境的进攻,实现精准的药物递送与控释。


▲图 4 藤田诚课题组构建的不同分子结构。Fujita四边形大环配体设计(Scheme 1);a)Fujita四边形大环晶体结构;b)Fujita四边形大环晶体堆积图。Stang四边形大环配体设计(Scheme 2);c)Stang四边形大环晶体结构。

4

结语:

在混乱中寻找秩序的捕手

藤田诚教授给人的印象总是温文尔雅,带着典型日本学者的谦逊与严谨。但在他的科学视界里,却充满了征服微观荒野的雄心。他不仅在SCI顶刊上频繁刷屏,更致力于将“结晶海绵”技术推向产业化。

在药物研发中,确定杂质的结构往往是合规上市的最大障碍。利用结晶海绵法,制药公司不再需要为了几微克的杂质去苦等数月的结晶过程,仅需极少量样本即可瞬间锁定结构。这不仅缩短了新药研发周期,更大幅降低了研发成本。此外,在香料与食品领域,利用结晶海绵法,能帮助调香师精准辨识自然界中最幽微的香气分子结构,从而人工合成出更接近自然的香氛。甚至在食品防伪领域,它能像扫描指纹一样锁定特定产地油脂的分子特征。甚至在犯罪现场,结晶海绵法能在这种“极限环境”下取到之前仅仅能获得纳米级的微量物质,让那些曾经无法定性的微量剧毒物或证物现出原形。

藤田诚教授的“笼子”打开了分子世界新的大门,面对那些无法掌控的、混乱的物质,或许我们不需要强行改变它,只需要为它提供一个合适的“容器”,它自会展现出最本原的秩序与美丽。


文章转载自"墨子沙龙"公众号

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