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知乎:MOFs单晶XRD

2013年,来自日本东京大学的Makoto Fujita教授的小组(The Fujita Laboratory)在Nature上发表了这样一篇名为“X-ray analysis on the nanogram to microgram scale using porous complexes”的论文[1][2],成为2013年Nature most read article[3],我个人认为这项工作是2013年化学领域最重大的突破工作,部分媒体报道见[4-6].

这项工作做了什么呢?
我们来看文章标题,可以分成三段
1. X-ray analysis
2. nanogram to microgram scale
3. using porous complexes

依次来解释。
第一点,X射线分析。
X射线单晶衍射[7,8]作为最强有力的结构表征手段,被广泛的用于分子结构鉴定。
其原理简单粗暴上张图[7]:

知乎:MOFs单晶XRD
上图中的黑点表示晶体中周期排列的原子,水平的灰色线条连起来的表示一系列原子形成的互相平行的晶面,黑色的箭头线表示X射线。入射X射线被镜子一样的晶面反射,由高中几何(三角函数)和物理(同相位的波叠加会加强)知识可以得到下面这样一个公式:

劳厄因发现晶体的X衍射现象获得1914年诺贝尔物理奖,布拉格父子1915年靠以这个公式为基础的X射线晶体分析方法获得诺贝尔物理奖,得不到的同学请自行参阅百科[9]并回忆自己的数学和物理老师长什么样。
简单的说,当X射线通过晶体的时候,被晶体中不同的晶面反射,在特定的位置上会形成衍射点。我们通过收集这些衍射点的位置数据,可以反演计算出晶体中的原子排列方式。并且由于不同原子对X射线的反射能力不同,这些衍射点的强度信息也能给出相应位置的原子信息。综合起来,这个分析手段能直接得到晶体中的原子种类和相应的排布规律,结合已有的化学常识就能得到分子的三维结构了,所以可以理解为X射线单晶衍射能让我们“看到”晶体中的分子长什么样。
X射线分析方法从发现发展到今天已经超过100年历史了,除了1914年和1915年拿过两次物理奖以外,还在1962年和1964年拿过2次化学奖[7],这是一种相当重要,很成熟的分析技术。X射线分析方法从发现发展到今天已经超过100年历史了,除了1914年和1915年拿过两次物理奖以外,还在1962年和1964年拿过2次化学奖[7],这是一种相当重要,很成熟的分析技术。

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第二点,纳克到微克级别的分析
这是个什么概念呢,现在一般用于单晶分析要得到不错的数据需要的晶体至少需要数十到数百微米的尺度,如下图[1], 一颗晶体一般在数微克。Fujita教授这个工作的报告我听过3次了,如果没记错的话在他不断的要求下,他的学生已经能从5 ng的样品中得到不错的单晶数据。把分析样品的检测限往下推了1000倍。但这不是这个工作牛逼的地方。这篇工作最牛逼的地方在于完全改变了X射线单晶衍射分析的样品制备方法,见下面第三点。知乎:MOFs单晶XRD第三点,多孔复合物
上面说了关于X射线单晶衍射分析的一些基本知识,但是所谓“巧妇难为无米之炊”,要做单晶衍射,首先你需要有质量不错的单晶。
说到单晶,简直就是有机狗心中永远的痛。虽然上面说一颗几微克的单晶就足够获得晶体结构数据了,但是培育单晶绝对不是几微克就能搞定的。一般都需要数毫克纯化合物分成许多份,用不同的条件(溶剂,浓度,温度等)平行尝试,即使这样,成功率也非常低。我PhD工作中尝试过长单晶不下于20来次,成功率不足三分之一,一半以上的结晶性不好根本长不成晶体,析出的都是无定形粉末,另一部分得到了晶体,但是或是太小,或是形成了孪晶,或是缺陷太多不能给出明确的结构信息。所以,有机化合物的单晶培育是一项很困难的工作。但由于X射线单晶衍射对于结构分析无法替代的地位,能给出其他分析手段无法提供的结构信息,尤其是对于研究有机反应机理的一些中间体和天然产物立体构型的确定,单晶衍射又是非常必要的

在这样的矛盾下,有机狗们怎么办呢?
答案竟然是一次次从原地爬起来再在同一个地方倒下去,没错,只能接着试,同时烧香拜佛指不定哪天天气好了长出单晶来了。T_T
至于花上数年摸索蛋白结晶条件的结构生物PhD们,已经和有机狗不是一个纬度的生物了,先按下不表。

在上述这些铺垫的悲惨事实背景下,Fujita发表的这篇工作简直就成了有机狗们迷雾中的灯塔。

我需要再铺垫一下什么是Fujita所说的“多孔复合物”.
它另一个更被化学家使用的名字叫做“有机金属骨架化合物” (Metal–organic framework, MOFs)[10],通常是一种由有刚性机分子将无机金属离子或金属簇连接起来形成的一种2D或者3D的材料。
举个例子大概长这样[11]:

知乎:MOFs单晶XRD图中展示了MOF-5的晶体结构,蓝色四面体表示ZnO4(Zn在中间,O在顶点),这样的四个四面体组成了大立方体的顶点,顶点与顶点之间由对苯二甲酸连接起来,在三维空间中无限延伸就形成了MOF啦。这种材料最大的特点就是,晶体中有大量的空间(即图中的大黄球)。最近二十年以Yaghi为首的科学家们将MOF应用于氢气储存,气体分离,催化等领域,让MOF成为诺奖候选名单中的有力竞争者。去Yaghi组页面粗略统计了一下,近20年Yaghi在Nature/Science上发了接近20篇文章[12],大家感受下这个热度。图中展示了MOF-5的晶体结构,蓝色四面体表示ZnO4(Zn在中间,O在顶点),这样的四个四面体组成了大立方体的顶点,顶点与顶点之间由对苯二甲酸连接起来,在三维空间中无限延伸就形成了MOF啦。这种材料最大的特点就是,晶体中有大量的空间(即图中的大黄球)。最近二十年以Yaghi为首的科学家们将MOF应用于氢气储存,气体分离,催化等领域,让MOF成为诺奖候选名单中的有力竞争者。去Yaghi组页面粗略统计了一下,近20年Yaghi在Nature/Science上发了接近20篇文章[12],大家感受下这个热度。

那为啥Fujita不把他的多孔复合物叫做MOF呢?
查了下Yaghi的文章第一次出现Metal-Organic Framework是1995年,而Fujita在1994年就独立的发表了类似的东西了啊, 这篇1994年的JACS [13] 现在被引了2000多次了,是MOF领域奠基石之一,以后如果MOF真的拿奖了,Fujita必定作分一杯羹,而下面这份工作无疑加大了这个可能性。印象中,Fujita从来没在自己的paper中把自己的东西叫做MOF过,虽然大家都知道其实是一个东西,好高冷的感觉呢!这也从另一个侧面说明给好东西起个响亮的名字的重要性啊!!!

好回到正题,这种金属有机的杂化材料还有一个好处,结晶性很强,单晶生长成功率比纯有机物不知道高到哪里去了。我自己不做MOF,不过我们组有不少人在做,一般是配好溶液,几十个瓶子丢到恒温的炉子里放个数十小时到数天,然后一堆堆闪亮的小晶体就出现啦!比如这篇工作里Fujita教授所用的Framework是他们组发展了近20年的成果[14,15],晶体生长技术经过无数次重复已经相当成熟了,很短的时间内就可以大量获得需要的Framework单晶。

好,重点来了。Fujita教授在这篇惊世骇俗的文章中描述了一种具有一定普适性的单晶样品制备方法:将具有特殊孔径的Framework作为”结晶海绵“将待分析的小分子有机物吸收到“海绵”里,然后将吸收了待测物的Framework再拿去做单晶衍射分析,得到待测物的分子结构信息。
样品制备过程如下图所示,将待测有机小分子溶到尽可能少的溶液里(一滴都已经太大),滴到“海绵”上让其吸收(在Fujita教授展示的动画里可以看到吸收的过程非常快,几乎在数秒晶体就因为吸收客体分子而通体变色),然后将这颗吸收了待测物的晶体拿去做X射线单晶衍射。整个样品制备过程只需要几分钟的样子(那些花了数月长单晶的有机狗看到这篇文章如果不震惊就真是太迟钝了)
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那么,现在问题来了,为什么会这样呢?
我们来看一下“结晶海绵”的结构示意图如下。可以看到,其中的有机单元连接无机顶点之后形成了一个个“小房间”(绿色), 而且房间外有大量联通的”走道“。当溶解有有机小分子的溶液接触到这种多孔的晶体时,小分子们就沿着”走道”进入到晶体内部,并且由于“小房间”的”墙壁“和小分子们有一定的相互作用,所以小分子们更愿意老老实实呆在”小房间“中。由于这些”小房间”在晶体中是周期性有序排列的,所以他们的“房客”最后也是周期性有序排列的啦。而周期性有序排列正是X射线衍射能得到结构的必要条件!
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这已经够牛逼了,但是Fujita教授显然并没有满足。一般单晶都是用纯化合物来做的,由于这种新方法样品制备实在是太方便了,于是他们将这种方法和HPLC [高效液相色谱,16]连起来了,直接一针混合物打进HPLC, 每一个峰的洗脱剂直接送到结晶海绵上,然后拿去做单晶衍射, 然后直接得到混合物中各组分的晶体结构数据,我看到这里直接就被惊呆了。这直接做成仪器卖给全世界的天然产物全合成组,有机方法学组能解救多少有机PhD!大胆预测也许不久的将来就会有HPLC-SCD(高效液相色谱-单晶衍射)联用仪器了!这将大大提高有机狗们的工作效率。。。泪流满面。。。

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关于2013年的这篇Nature的主要内容大概到这里就完了。
他们将这种具有一定普适的方法发表[17]之后, 毫无疑问得到了全世界各地有机组的关注,最近一次听Fujita教授的报告他说已经有数十个组给他们寄来样品求合作,并且有不少都成功了!未来应该会有一大波应用此法获得单晶数据的paper发出来。

值得一提的是,已经有另一个课题组在完全独立的情况下重复出来了这种方法[18], 而且得到的是一个正常状态下是液体的化合物的晶体结构。若非这种绝妙的方法,我们又如何能得轻易得到液体分子的单晶结构呢?

总结一下,此方法的优点:
1. 简单方便,制备样品用时短
2. 所需样品量极少,最少只需要一个TLC点的量
3. 有潜力将HPLC-SCD联用快速得到混合物中的分子结构信息

当然,科学上是不会有完美的,该方法的限制:
对待测分子的大小和结构都有一定要求,分子若是太大进不了Framework中的空穴或是和其没有相互作用,则该方法就不行了。不过Fujita课题组目前应该在发展更大孔径的Framework将其用在更大的分子上,或是用不同的有机连接片段,改变能接受的客体分子相互作用来提高客体的diversity。据Fujita教授说,目前试过的有机小分子(记不清了,应该是上百),成功率有三分之一的样子(我听报告的记忆,可能有出入)

最后再开个脑洞,Fujita另一项令人赞叹的工作是像下图这样的巨大的分子笼子[19]。下图中前三个已经发表,第三个直径5nm, 2010年发表在Science上[20], 最近一次报告他已经展示过第四个的单晶了,当时我已吓尿,我觉得他不把最后一个做出来估计是不会停了。。。
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他拿这些笼子装各种东西,有机的无机的都包,里面包完了外面长,有兴趣可以搜来看看,大约有10来篇paper. 我要说的是2012年他们在Nature Communication上发表了一篇包蛋白的文章[21].
不过目前的分辨率还不足以做到蛋白解析,据说他们组也在往Framework包蛋白方向做,如果真能成功,那就不光解救了有机狗,连结构生物学也要把Fujita供起来啦。知乎:MOFs单晶XRD不过目前的分辨率还不足以做到蛋白解析,据说他们组也在往Framework包蛋白方向做,如果真能成功,那就不光解救了有机狗,连结构生物学也要把Fujita供起来啦。

知乎:MOFs单晶XRD

References:

  1. nature.com/nature/journ
    2. Corrigendum: X-ray analysis on the nanogram to microgram scale using porous complexes : Nature : Nature Publishing Group
    3. Fujita教授的presentation
    4. nature.com/nature/journ
    5. Breakthrough in chemical crystallography — ScienceDaily
    6. Crystalline sponge method
    7. X-ray crystallography
    8. X射线衍射 _百度百科
    9. 布拉格方程 _百度百科
    10. Metal-organic framework
    11. nature.com/nature/journ
    12. Omar Yaghi’s Laboratory
    13. Preparation, Clathration Ability, and Catalysis of a Two-Dimensional Square Network Material Composed of Cadmium(II) and 4,4′-Bipyridine
    14. Self-assembly of ten molecules into nanometre-sized organic host frameworks
    15. Networked molecular cages as crystalline sponges for fullerenes and other guests :  Nature Chemistry :  Nature Publishing Group
    16. 高效液相色谱
    17. nature.com/nprot/journa
    18. Structural Reevaluation of the Electrophilic Hypervalent Iodine Reagent for Trifluoromethylthiolation Supported by the Crystalline Sponge Method for X-ray Analysis
    19. Self-Assembly of M24L48 Polyhedra Based on Empirical Prediction
    20. Self-Assembled M24L48 Polyhedra and Their Sharp Structural Switch upon Subtle Ligand Variation
    21. nature.com/ncomms/journ

 

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