Fundamental Research | 田威：拓扑骨架控制的超分子超支化/线型聚合物手性表达

Fundamental Research 2022-12-31

Fundamental Research 2022年第2卷第3期封面

拓扑骨架控制的超分子超支化/线型聚合物手性表达

关键词：超分子手性，超分子聚合物，拓扑结构，主客体作用，光致异构化

手性是生物和自然界的基本特征，组成生命体的蛋白质、RNA和DNA等生物大分子均具有手性和明确的拓扑结构。手性对这些生物大分子的功能性具有至关重要的影响，例如蛋白质中的氨基酸通常是左手性的，而DNA、RNA分子中的糖类都是右手性的。在DNA复制、转录，RNA翻译和蛋白酶催化等生命过程中，这些具有拓扑结构的生物大分子必须通过严格的手性控制来实现其复杂的生物功能。因此，研究聚合物的拓扑结构和手性表达之间的构效关系具有重要的科学意义。

针对上述科学问题，西北工业大学田威教授课题组与中科院化学所刘鸣华研究员课题组合作，研究了聚合物拓扑骨架对超分子手性表达的影响规律和机制（图1）。首先，通过“点击反应”将客体分子偶氮苯（A官能团）和手性主体分子β-环糊精（B官能团）进行共价连接，分别合成出AB型和AB₂型超分子聚合单体；再通过A与B在水中的主客体相互作用进行超分子聚合分别得到线型（LP）和超支化（HP）超分子聚合物，这种共价/非共价协同的设计策略巧妙地将不同聚合物拓扑骨架与超分子手性表达相结合。圆二色谱结果表明：两种聚合物表现出不同的手性表达行为，其中顺式线型聚合物（cis-LP）在n-π^*电子跃迁带表现出的负Cotton效应，而顺式超支化聚合物（cis-HP）则表现出显著增强的正Cotton效应。深入研究其手性诱导机理发现：由于HP结构中支化点的存在，导致其A与B的主客体包合模式与LP不同，因此cis-HP和cis-LP中偶氮苯产生了不同方向的偶极，最终分别诱导产生上述正/负手性信号。此外，HP高度支化的拓扑结构能够进一步产生手性放大，并且确保了其在固态膜中具有更优异的光异构化效率以及光手性开关行为。以上结果证明：聚合物的拓扑骨架对于手性信号的方向、强弱等参数均具有重要的影响。该工作建立了聚合物拓扑结构与其手性表达之间相关关系，为手性超分子拓扑高分子在仿生材料、智能手性材料等领域的应用提供了理论依据。

图1. 聚合物拓扑骨架控制手性表达。

以上内容节选自期刊Fundamental Research 2022年第3期发表的文章“X. Song, X. Zhu, H. Yao, Topological-skeleton controlled chirality expression of supramolecular hyperbranched and linear polymers, Fundamental Research 2(3)(2022) 422-428”。

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主要作者简介

田威 西北工业大学化学与化工学院教授。主要从事超分子聚合物化学研究工作。主持国家自然科学基金优秀青年科学基金项目。以通讯作者身份在Angew. Chem. Int. Ed., PNAS, Adv. Mater., Fundamental Research 等国内外期刊发表学术论文多篇。

宋昕 西北工业大学在读博士研究生。研究方向包括高分子化学、超分子手性和超分子组装。

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