最新JACS：化學家開發出可隨時間分解的超分子聚合物

在化學時間可編程系統領域，科學家們一直致力于開發能夠響應外部刺激的智能材料、類生命人工系統以及分子機器。實現時間編程通常需要消耗某種化學物質作為“刺激”。然而，許多現有系統依賴于外部刺激來驅動聚合與解聚，有時會導致系統陷入動力學陷阱，難以恢復到初始狀態。如何設計一種無需外部刺激、能夠自發形成并隨時間可控分解的聚合物體系，是當前面臨的重要挑戰。

近日，羅馬智慧大學Stefano Di Stefano教授和羅馬第二大學Gianfranco Ercolani教授合作，展示了一種基于瞬時鹽橋的超分子聚合物新策略。該聚合物由等摩爾的二胺與雙功能活化二羧酸在氯仿中簡單反應即可形成。聚合物單體之間通過銨基和羧酸根之間的鹽橋（由靜電作用增強的氫鍵）連接。有趣的是，該聚合物會隨著羧酸根組分的逐步脫羧而緩慢分解，最終溶液僅剩下無法相互作用的起始二胺和脫羧產物，實現了完全的可逆分解。時間分辨的擴散序譜（DOSY）實驗直觀地捕捉了這一動態過程，而聚合度隨濃度變化的趨勢則通過環-鏈平衡理論得到了完美闡釋。相關論文以“Transient Salt-Bridge-Based Supramolecular Polymers: Experiments and Theory”為題，發表在

JACS

該研究的核心運作機制通過示意圖清晰地展現出來。圖1A闡釋了常見的由活化羧酸（ACA）脫羧驅動的酸-堿耗散系統原理：ACA通過質子轉移暫時改變環境中堿基位的質子化狀態，其自身最終被消耗。而本研究采用了創新策略（圖1B）：ACA的共軛堿（羧酸根）成為瞬態耗散系統的結構組成部分。圖1C則具體描繪了由雙功能ACA（1H?）和二胺（3）反應瞬時形成基于鹽橋的超分子聚合物的過程，以及其隨脫羧而解聚的最終命運。

圖1. (A) 由ACA脫羧驅動的酸-堿操作系統的示意圖。(B) 本工作中利用的一般操作方案，其中ACA被用作瞬態耗散系統的結構組分。(C) 描述由雙功能ACA (1H?) 和二胺 (3) 生成的基于鹽橋的超分子聚合物瞬時形成的示意圖和相應分子結構。

圖2進一步細化了這一過程。圖2A展示了二胺3被雙功能ACA（1H?）質子化后，與完全去質子化的ACA（12?）通過鹽橋形成超分子聚合物。隨著時間的推移，脫羧反應發生，導致組裝體解體，釋放出不能相互作用的起始二胺3和脫羧產物4。圖2B的核磁共振氫譜監測圖證實了這一化學變化，顯示了二胺3催化ACA隨時間脫羧的能力。

圖2. (A) 二胺3被雙功能ACA (1H?) 質子化后產生超分子聚合物的示意圖，其中完全去質子化的ACA (12?) 是結構組成部分。隨時間發生的脫羧反應使組裝體解體，釋放出起始二胺3和脫羧產物4，二者無法彼此相互作用。(B) 含有圖(A)所示二胺3 (10 mM) 的溶液在加入10 mM ACA 1H?之前（譜線a，t=0）和之后（譜線b至e）的1H NMR監測圖（CDCl?, 25°C；顏色代碼參見(A)），證明了3隨時間催化ACA脫羧的能力。

實驗結果表明，聚合物的初始聚合度強烈依賴于單體濃度。圖3通過卡通示意圖和核磁氫譜監測，生動展示了將等摩爾的對稱雙價ACA 1H?與二胺3混合后，瞬態超分子聚合物的形成與分解過程。譜圖信號的變化和DOSY實驗均證實了大型聚合物的存在及其隨后的消失。

圖3. 卡通示意圖展示了通過混合等摩爾量的對稱雙價ACA 1H?和二胺3獲得瞬態超分子聚合物的過程。其形成可通過1H NMR監測。實際上，在向含有100 mM二胺3的溶液（譜線a，t=0，藍色三角形）中加入ACA 1H?（譜線b至e）后，觀察到二胺信號的位移，暗示了超分子聚合物（(3H?2??12?)?，紅色和藍色圓圈分別對應雙功能ACA共軛堿和質子化二胺）的形成，這也被DOSY實驗所證實。通過觀察脫羧產物4（紫色方塊）隨時間的出現（CDCl?，25°C下24小時，隨后50°C下額外24小時），也可以監測其隨后的解體過程。

最關鍵的證據來自時間分辨的DOSY實驗（圖4）。將200 mM的1H?與200 mM的3混合后，分別在20分鐘、24小時和48小時（后24小時在50°C下）檢測溶液。圖譜顯示，擴散系數最初很低（對應聚合度高達442），表明形成了大型聚合物；24小時后擴散系數顯著增加（聚合度降至29）；48小時后擴散系數進一步增大（聚合度僅為3），最終溶液僅剩下兩個獨立且不相互作用的輕質物種，即產物3和4，清晰地演示了聚合物從形成到完全解體的全過程。

圖4. 時間分辨的DOSY實驗。在將200 mM 1H?和200 mM 3在CDCl?中混合后，于(a) 20分鐘，(b) 24小時和(c) 48小時（樣品在后24小時內保持在50°C）在典型對數刻度下測得的溶液的DOSY圖。(d)和(e)分別對應于(a)和(c)譜圖中選定區域在線性刻度下的顯示。

理論分析為實驗現象提供了堅實基礎。研究人員運用Jacobson和Stockmayer的環-鏈平衡理論，成功擬合了聚合度隨初始濃度變化的實驗數據（圖5）。理論模型不僅揭示了存在臨界濃度（約81 mM），低于此時單體主要形成環狀寡聚體，高于此濃度則線性聚合物鏈開始急劇增長，還準確估算出關鍵的熱力學參數，如環化傾向因子B和分子間平衡常數K，這些值與獨立估算結果高度吻合。

圖5. 理論擬合曲線。根據環-鏈平衡理論（方程式3和4）擬合得到的聚合度（DP）隨初始單體濃度（c?）變化的計算曲線（實線）與實驗數據點（圓圈）對比圖，顯示出良好的一致性。

這項研究成功展示了一種構建瞬態超分子聚合物的簡便新方法，其獨特之處在于將活化二羧酸同時用作系統的“燃料”和聚合物自身的結構單元。該工作不僅通過精巧的實驗設計和時間分辨光譜驗證了聚合物的瞬時性，更首次成功地將經典的環-鏈平衡理論應用于擬合此類超分子聚合體系的實驗數據，為理解和預測類似系統的行為提供了有力的理論工具。鑒于鹽橋相互作用在生物化學（如穩定蛋白質結構）中的核心作用，此項研究也為未來利用ACA暫時調控生物大分子構象提供了新的思路。