最新JACS：化学家开发出可随时间分解的超分子聚合物

在化学时间可编程系统领域，科学家们一直致力于开发能够响应外部刺激的智能材料、类生命人工系统以及分子机器。实现时间编程通常需要消耗某种化学物质作为“刺激”。然而，许多现有系统依赖于外部刺激来驱动聚合与解聚，有时会导致系统陷入动力学陷阱，难以恢复到初始状态。如何设计一种无需外部刺激、能够自发形成并随时间可控分解的聚合物体系，是当前面临的重要挑战。

近日，罗马智慧大学Stefano Di Stefano教授和罗马第二大学Gianfranco Ercolani教授合作，展示了一种基于瞬时盐桥的超分子聚合物新策略。该聚合物由等摩尔的二胺与双功能活化二羧酸在氯仿中简单反应即可形成。聚合物单体之间通过铵基和羧酸根之间的盐桥（由静电作用增强的氢键）连接。有趣的是，该聚合物会随着羧酸根组分的逐步脱羧而缓慢分解，最终溶液仅剩下无法相互作用的起始二胺和脱羧产物，实现了完全的可逆分解。时间分辨的扩散序谱（DOSY）实验直观地捕捉了这一动态过程，而聚合度随浓度变化的趋势则通过环-链平衡理论得到了完美阐释。相关论文以“Transient Salt-Bridge-Based Supramolecular Polymers: Experiments and Theory”为题，发表在

JACS

该研究的核心运作机制通过示意图清晰地展现出来。图1A阐释了常见的由活化羧酸（ACA）脱羧驱动的酸-碱耗散系统原理：ACA通过质子转移暂时改变环境中碱基位的质子化状态，其自身最终被消耗。而本研究采用了创新策略（图1B）：ACA的共轭碱（羧酸根）成为瞬态耗散系统的结构组成部分。图1C则具体描绘了由双功能ACA（1H₂）和二胺（3）反应瞬时形成基于盐桥的超分子聚合物的过程，以及其随脱羧而解聚的最终命运。

图1. (A) 由ACA脱羧驱动的酸-碱操作系统的示意图。(B) 本工作中利用的一般操作方案，其中ACA被用作瞬态耗散系统的结构组分。(C) 描述由双功能ACA (1H₂) 和二胺 (3) 生成的基于盐桥的超分子聚合物瞬时形成的示意图和相应分子结构。

图2进一步细化了这一过程。图2A展示了二胺3被双功能ACA（1H₂）质子化后，与完全去质子化的ACA（1²⁻）通过盐桥形成超分子聚合物。随着时间的推移，脱羧反应发生，导致组装体解体，释放出不能相互作用的起始二胺3和脱羧产物4。图2B的核磁共振氢谱监测图证实了这一化学变化，显示了二胺3催化ACA随时间脱羧的能力。

图2. (A) 二胺3被双功能ACA (1H₂) 质子化后产生超分子聚合物的示意图，其中完全去质子化的ACA (1²⁻) 是结构组成部分。随时间发生的脱羧反应使组装体解体，释放出起始二胺3和脱羧产物4，二者无法彼此相互作用。(B) 含有图(A)所示二胺3 (10 mM) 的溶液在加入10 mM ACA 1H₂之前（谱线a，t=0）和之后（谱线b至e）的¹H NMR监测图（CDCl₃, 25°C；颜色代码参见(A)），证明了3随时间催化ACA脱羧的能力。

实验结果表明，聚合物的初始聚合度强烈依赖于单体浓度。图3通过卡通示意图和核磁氢谱监测，生动展示了将等摩尔的对称双价ACA 1H₂与二胺3混合后，瞬态超分子聚合物的形成与分解过程。谱图信号的变化和DOSY实验均证实了大型聚合物的存在及其随后的消失。

图3. 卡通示意图展示了通过混合等摩尔量的对称双价ACA 1H₂和二胺3获得瞬态超分子聚合物的过程。其形成可通过¹H NMR监测。实际上，在向含有100 mM二胺3的溶液（谱线a，t=0，蓝色三角形）中加入ACA 1H₂（谱线b至e）后，观察到二胺信号的位移，暗示了超分子聚合物（(3H₂²⁺•1²⁻)ₙ，红色和蓝色圆圈分别对应双功能ACA共轭碱和质子化二胺）的形成，这也被DOSY实验所证实。通过观察脱羧产物4（紫色方块）随时间的出现（CDCl₃，25°C下24小时，随后50°C下额外24小时），也可以监测其随后的解体过程。

最关键的证据来自时间分辨的DOSY实验（图4）。将200 mM的1H₂与200 mM的3混合后，分别在20分钟、24小时和48小时（后24小时在50°C下）检测溶液。图谱显示，扩散系数最初很低（对应聚合度高达442），表明形成了大型聚合物；24小时后扩散系数显著增加（聚合度降至29）；48小时后扩散系数进一步增大（聚合度仅为3），最终溶液仅剩下两个独立且不相互作用的轻质物种，即产物3和4，清晰地演示了聚合物从形成到完全解体的全过程。

图4. 时间分辨的DOSY实验。在将200 mM 1H₂和200 mM 3在CDCl₃中混合后，于(a) 20分钟，(b) 24小时和(c) 48小时（样品在后24小时内保持在50°C）在典型对数刻度下测得的溶液的DOSY图。(d)和(e)分别对应于(a)和(c)谱图中选定区域在线性刻度下的显示。

理论分析为实验现象提供了坚实基础。研究人员运用Jacobson和Stockmayer的环-链平衡理论，成功拟合了聚合度随初始浓度变化的实验数据（图5）。理论模型不仅揭示了存在临界浓度（约81 mM），低于此时单体主要形成环状寡聚体，高于此浓度则线性聚合物链开始急剧增长，还准确估算出关键的热力学参数，如环化倾向因子B和分子间平衡常数K，这些值与独立估算结果高度吻合。

图5. 理论拟合曲线。根据环-链平衡理论（方程式3和4）拟合得到的聚合度（DP）随初始单体浓度（c₀）变化的计算曲线（实线）与实验数据点（圆圈）对比图，显示出良好的一致性。

这项研究成功展示了一种构建瞬态超分子聚合物的简便新方法，其独特之处在于将活化二羧酸同时用作系统的“燃料”和聚合物自身的结构单元。该工作不仅通过精巧的实验设计和时间分辨光谱验证了聚合物的瞬时性，更首次成功地将经典的环-链平衡理论应用于拟合此类超分子聚合体系的实验数据，为理解和预测类似系统的行为提供了有力的理论工具。鉴于盐桥相互作用在生物化学（如稳定蛋白质结构）中的核心作用，此项研究也为未来利用ACA暂时调控生物大分子构象提供了新的思路。