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蘇州大學張偉/日本金澤大學程笑笑 Angew:異手性核的消旋嵌段共聚物中對映體將軍與非手性士兵的手性交流
2025-02-14  來源:高分子科技

  手性是自然界的基本屬性之一,自1848年巴斯德的開創性實驗以來,從外消旋混合物中生成同手性結構的研究已持續近兩個世紀。通過熵減過程形成的不對稱超結構,不僅引人入勝,還在理解自然界中同手性起源方面發揮著關鍵作用。通常情況下,消旋構筑基元結晶成手性空間群極為罕見。這種罕見性源于構筑基元的復雜化學性質,也為設計非中心對稱的光學活性材料帶來了巨大挑戰。盡管可以通過一維(1D)或二維(2D)超分子組裝在消旋體系中形成同手性結構,但通常僅形成特定手性域,整體仍不具有手性光學活性。在沒有外部手性源的干預下,實現消旋體系的全局手性的可控構建仍然是一個重大挑戰


  近幾年,蘇州大學的張偉教授團隊在高分子多層次手性結構的高效構筑及精準控制領域取得了諸多進展。(Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202417495; Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202414332; J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 16474; J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 13218; Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202315686; Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202401077; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202314848; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202312259; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 24430; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 18566; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 9669; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 15129; Sci. China Chem. 2023, 66, 1169; Sci. China Chem. 2021, 64, 2105; Chem. Sci. 2023, 14, 5116; Chem. Sci. 2023, 14, 1673; Chem. Sci. 2022, 13, 13623; Macromolecules 2022, 55, 8556等)


  為應對上述挑戰,在上一個研究工作中(Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202417495),蘇州大學張偉/日本金澤大學程笑笑等人基于手性高分子精密合成,在消旋聚合物體系中進行了全局域手性構筑。然而,除了對映異構體外,自然界中大量的非手性物質在不對稱放大中也起著關鍵作用。值得注意的是,即使在對映體過量或手性/非手性比例相對較低的情況下,通過手性刺激的共價或非共價結合導致的螺旋體過量也可在超分子結構中得到展現。對映體單元和非手性單元之間的復雜相互作用促進了手性-手性以及手性-非手性的交流、傳遞與不對稱放大。為了進一步實現無需任何外部不對稱干預即可精確調控此類體系中的全局域不對稱結構,他們基于對映體單體與非手性單體之間的相互作用提出了一種新的手性交流模式。即具有相反構型的等量手性偶氮苯介晶基元作為“將軍”單元,在疏溶劑液晶核內觸發手性聯盟與手性競爭,從而誘導非手性偶氮苯“士兵”單元形成不對稱超分子結構并促使消旋納米聚集體中全局域手性的形成以及多重手性反轉(圖1


圖1.異手性核的消旋嵌段共聚物中對映體將軍與非手性士兵的手性交流


  作者首先合成了偶氮苯類的對映體將軍單體與非手性士兵單體。隨后通過對將軍/士兵單元比例以及疏溶劑鏈段長度的調整,利用分步投料的聚合誘導手性自組裝策略成功制備了一系列消旋將軍-士兵(S&S)液晶共聚物組裝體。由于將軍單元與非手性士兵單元液晶相的差異,隨著將軍/士兵單元比例的變化也將產生相應的液晶相變。高分子聚集體中疏溶劑內核的多重相變(非晶相-液晶相以及手性向列相-扭曲晶界相)進而驅動了對映體將軍與非手性士兵單元間的手性交流模式的轉變(圖2)。


2.分步聚合誘導手性自組裝(PICSA)策略制備消旋S&S液晶共聚物組裝體


  隨后對制備的消旋S&S共聚物組裝體進行手性光學活性測試,組裝體均表現出明顯的CD信號,表明其形成了全局域的超分子手性結構。值得注意的是,盡管這一系列嵌段共聚物化學結構相似,但在其中出現了三種不同類型的手性交流模式。當對映體將軍含量較低時(Type ),從無手性光學活性到隨著聚合度的增加表現出明顯的手性信號并在中等聚合度時發生手性反轉;當對映體將軍含量中等時(Type ),手性信號不隨聚合度增加而改變;而當將軍含量較高時(Type ),與對映體將軍單元嵌段共聚相似,手性信號顯示出從正到負以及進一步到正康頓效應的兩次手性反轉(圖3


3. 不同對映體將軍/士兵比例下的手性交流示意圖及對應組裝體的CD光譜


  通過CD/UV-visDSCX射線衍射儀等儀器詳細跟蹤了聚合物組裝體內部介晶基元堆積模式與手性交流的關系。結果表明液晶相轉變、將軍和士兵單元的手性偏好以及“手性核”的穩定性,使得消旋S&S共聚物組裝體能夠以對映體選擇性的方式在異手性嵌段之間表現出多種手性交流模式。該工作為闡明對映體與非手性構筑基元間的相互作用以及在消旋聚合物體系中的手性動態調控提供了可能,并為消旋納米材料的去消旋化開辟了一條新的途徑。


  以上工作受到了國家自然科學基金(9235630522301208),安徽省自然科學基金(2308085J15),安徽省高等學校自然科學基金(2023AH010012)中國博士后基金(2022M722312)以及江蘇省自然科學基金(BK20230505)的經費支持。相關成果以Chiral Communication between Enantiomeric Sergeants and Achiral Soldiers in Racemic Triblock Copolymers with Heterochiral Cores for Triggering Multiple Helicity Inversions”為題發表于《Angew. Chem. Int. Ed.》上。文章的第一作者為蘇州大學博士研究生賀子翔,通訊作者為蘇州大學張偉/日本金澤大學程笑笑


  論文鏈接:https://doi.org/10.1002/anie.202500444


通訊作者簡介


程笑笑,2017安徽大學獲得學士學位,2022年在蘇州大學朱秀林課題組獲得博士學位。2018年赴日本北海道大學進行交流學習。2021年獲得日本名古屋大學的CSC留學資格。2023年在日本金澤大學擔任博士后,2024年起被聘為助理教授。他的研究興趣是精密高分子合成、手性轉移和螺旋聚合物。已發表50余篇學術論文,包括Angew. Chem. Int. Ed.11篇), J. Am. Chem. Soc., Chem. Sci.3篇), Small, Macromolecules等期刊,撰寫1本書的章節。



張偉,2001年畢業于安徽大學,獲得學士學位。2006年在蘇州大學獲得博士學位,指導老師是朱秀林教授。隨后在日本奈良先端科學技術大學院藤木道也教授的指導下進行博士后研究(2009-2011年),現為蘇州大學教授。他目前的研究興趣是聚合物合成、超分子化學和手性組裝。已發表200多篇SCI文章和撰寫3本書的章節。

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(責任編輯:xu)
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