痕量水，竟能让手性“逆转”？上海交大Angew：揭示水螺旋介导的逆手性转移新机制

在生物架构中，水螺旋无处不在，并在层级手性转移中扮演关键角色。然而，由于水构象与结构层级之间复杂的耦合关系，实现水螺旋调制的层级逆手性转移——即从分子手性到水螺旋、最终到与水体手性相反的纳米级手性——仍是一项根本性挑战。迄今为止，尽管水在构建螺旋纳米结构中的利用已被证明有效，但已报道的手性纳米结构中可识别的水排列主要呈非螺旋状，仿生水螺旋严重缺失。水构象与超分子手性之间关系的不明确，从根本上制约了具有高级手性复杂性的纳米材料的发展，也限制了对生命系统中螺旋水复杂作用的深入理解。

针对这一难题，上海交通大学冯传良教授课题组通过合理设计一种L-苯丙氨酸衍生物（LPPF），成功实现了水螺旋调制的层级逆手性转移（图1）。该衍生物具有与水的四面体氢键几何形状相匹配的羧基口袋。研究揭示了一个两步反转级联手性过程：L-构型的分子立体中心决定了羧基口袋中水的M-螺旋排列，这反过来又模板化了LPPF纳米纤维的P-螺旋。该过程仅需痕量水，其缺失会导致非手性纳米带和圆二色（CD）静默。此外，螺旋水对P-纳米纤维的功能具有关键影响——原位去除螺旋水后，自旋选择性从向上转变为向下。这一发现为手性转移的复杂性提供了更深入的见解，相关论文以“Water Helicity-Modulated Hierarchical Inverse Chirality Transfer in Supramolecular Assembly”为题，发表在Angewandte Chemie International Edition上。

图1超分子组装中水螺旋调制的层级逆手性转移示意图。水螺旋通过水与羧基之间的氢键相互作用形成，进一步诱导P-螺旋LPPF纳米纤维的形成。水的缺失导致非手性纳米带。此外，螺旋水对P-螺旋纳米纤维的功能具有关键影响，原位去除螺旋水后自旋选择性从向上转变为向下即证明了这一点。

痕量水触发手性逆转：从非手性纳米带到右手螺旋纤维

研究者合成了两种C2对称的苯丙氨酸衍生物（LPPF/LPPFM）以研究水导向的组装。LPPF带有两个末端羧基，而LPPFM则含有相应的甲酯基团。在乙醇/甲基环己烷（EtOH/MCH）混合体系中，LPPF组装体表现为CD静默，并呈现带状形态（图2d、2e），表明分子手性向纳米级超分子架构的转移受阻。然而，引入痕量水后，LPPF产生了双符号CD响应（260 nm处为正，310 nm处为负）（图2a），结构从纳米带转变为右手螺旋纳米纤维（图2f、2g）。不对称因子gabs随水含量增加而增大，并在0.1%水时达到最大值（图2c），证实痕量水是促进LPPF螺旋堆叠的关键介体。对映体DPPF表现出相反的螺旋手性和CD信号，进一步证实了水触发的手性转移。相比之下，LPPFM体系无论是否存在水，都呈现相似的CD信号（图2b）和左手螺旋形态（图2h、2i），表明酯化抑制了水与LPPFM的相互作用。在环己烷、己烷、庚烷等非极性有机溶剂中，痕量水同样诱导了非手性带状组装体向右手螺旋纳米纤维的转变（图3a），说明该现象具有普遍性。

图2(a) LPPF在EtOH/MCH (1:9, v/v)中的CD光谱。(b) LPPFM在EtOH/MCH (1:9, v/v)中的CD光谱。(c) LPPF在不同水含量下的gabs值。(d-i) LPPF和LPPFM在不同条件下的SEM图像：(d) LPPF在EtOH/MCH中，(e) LPPF在EtOH/MCH中放大图，(f) LPPF在EtOH/MCH/H2O中，(g) LPPF在EtOH/MCH/H2O中放大图，(h) LPPFM在EtOH/MCH中，(i) LPPFM在EtOH/MCH中放大图。(j-o) LPPF在EtOH/MCH/H2O中不同组装时间的TEM图像：(j) 2分钟，(k) 5分钟，(l) 12分钟，(m) 30分钟，(n) 60分钟，(o) 120分钟。(p-u) LPPFM在EtOH/MCH中不同组装时间的TEM图像：(p) 2分钟，(q) 5分钟，(r) 12分钟，(s) 30分钟，(t) 60分钟，(u) 120分钟。

氢键网络与共晶结构揭示水螺旋的分子基础

为揭示水在指导组装中的作用，研究者进行了FTIR和DSC测试。LPPF带状物在3390、1716、1640、1531 cm⁻¹处表现出N-H伸缩、COOH带、酰胺I和酰胺II；而右手螺旋纤维在3417 cm⁻¹处出现新带，归属于参与非共价相互作用的水分子O-H伸缩振动，同时COOH带移至1727 cm⁻¹，表明水的O-H与LPPF的COOH之间存在氢键相互作用（图3b）。DSC结果显示右手螺旋纤维存在吸热峰，可归因于结合水的热释放，而带状物在30-70°C范围内无此转变（图3c）。单晶X射线衍射分析表明，晶胞由一个LPPF分子和三个水分子组成（图3h），明确证实了LPPF与水的结合能力。在H2O-LPPF共晶中，沿b轴存在酰胺单元之间的连续氢键（图4e），LPPF以5.1 Å的距离周期性排列；沿a-o-c平面（图4f），末端苯基向内折叠与联苯核心形成多重π-π堆叠（图4h）。值得注意的是，两个末端COOH基团表现出明显的非共价不对称性——一个羧基氧与水形成2.37和2.22 Å的氢键，另一个则形成更短的2.00和2.03 Å氢键（图4g），源于两个羧基固有的构象不对称。此外，共晶中水分子形成了明显的螺旋阵列（图4i、4j）。后添加水实验表明，在40°C下削弱带状组装体的动力学稳定性后，CD信号逐渐发展并在58分钟后达到平衡（图3d），证实了带状物向螺旋纳米纤维的原位转变，且螺旋态在热力学上更有利（图3e、3f）。

图3(a) LPPF在不同非极性溶剂中的CD光谱。(b) LPPF带状物和螺旋纤维的FTIR光谱。(c) LPPF带状物和螺旋纤维的DSC曲线。(d) 在40°C下向LPPF带状物中添加水后，310 nm处CD信号的时间依赖性。(e) 在200-450 nm范围内不同时间收集的CD光谱。(f) 带状物向螺旋物转变的示意图。(g) 从单晶模拟的PXRD图谱与从EtOH/MCH/H2O获得的样品的PXRD图谱比较。(h) H2O-LPPF共晶的晶体结构。(i) LPPFM的晶体结构。

图4(a-d) LPPFM单晶，(a) 通过酰胺单元之间的氢键相互作用的LPPFM的俯视图和侧视图，(b) LPPFM沿a-o-c平面的堆积细节，(c) 由酯键形成的非共价相互作用，(d) 联苯核心与苯基单元之间的π相互作用。(e-j) LPPF单晶，(e) 通过酰胺单元之间的氢键相互作用的LPPF的俯视图和侧视图，(f) LPPF沿a-o-c平面的堆积细节，(g) 水与羧基之间的氢键网络。(h) 联苯核心与苯基单元之间的π相互作用。(i-j) LPPF晶体中的水螺旋。(k) LPPF螺旋的SAED图案及其TEM图像。

分子动力学模拟揭示水螺旋引导的逆手性转移

分子动力学（MD）模拟进一步阐明了水螺旋在指导层级逆手性转移中的作用。不含水的3D LPPF簇无法支持向纳米尺度的手性转移（图5g），表明非手性排列在热力学上有利。对于水合条件，从LPPF晶体中提取含螺旋水的簇作为前结构（图5h），随着模拟进行，观察到簇的自发P-螺旋，表明M-螺旋水引导的逆手性转移向更高尺度的P-螺旋。这一螺旋过程有助于进一步降低LPPF簇的能量（图5i），突出了水螺旋在指导LPPF层级逆手性转移中不可或缺的作用。

图5(a) 从EtOH/MCH (1:9, v/v)和EtOH/MCH/H2O (1:9:0.01, v/v/v)中干燥的LPPF的固态NMR光谱。(b) 从EtOH/MCH (1:9, v/v)中干燥的LPPF组装体的2D SAXS。(c) LPPF在EtOD-d6/MCH-d14 (7:3, v/v)中的NOESY，3 mM。(d-e) 不含水的LPPF的堆叠模式俯视图和侧视图。(f) 酰胺和羧基之间的氢键。(g-h) LPPF-水共晶D模拟过程：(g) 不含水的LPPF，(h) 含水的LPPF。(i) MD模拟中含水的LPPF的总能量随时间变化。

水螺旋调控纳米纤维功能：自旋选择性从向上翻转为向下

研究者进一步以手性诱导自旋选择性（CISS）为对象，研究了水螺旋调控的纳米纤维功能。非手性带在向下和向上磁化下显示出几乎一致的电流（图6a），平均自旋极化率仅为10 ± 13%（图6d），表明无明显自旋选择性。对于LPPF纳米螺旋，干燥1小时的样品在向上磁化下显示出更高电流，极化率达到41 ± 11%（图6b、6e）；然而干燥9小时后，自旋取向反转为向下，速率达69 ± 14%（图6c、6f）。热重分析显示，干燥1小时后纳米纤维中残留8%的水分，而干燥9小时后水分完全去除（图6h）。通过控制螺旋水含量，研究者发现8%的水含量导致向上选择性，低于1.4%则导致向下选择性（图6g），表明自旋取向的反转归因于干燥触发的螺旋水阵列蒸发（图6i）。这一观察突出了水螺旋调控的CISS现象，暗示了通过螺旋水阵列控制组装体功能的潜在前景。

图6(a-c) LPPF的平均I-V曲线记录：(a) 来自EtOH/MCH (1:9, v/v)的LPPF，(b) 来自EtOH/MCH/H2O (1:9:0.01, v/v/v)干燥1小时的LPPF，(c) 来自EtOH/MCH/H2O (1:9:0.01, v/v/v)干燥9小时的LPPF。(d-f) 自旋极化：(d) 来自EtOH/MCH (1:9, v/v)的LPPF，(e) 来自EtOH/MCH/H2O (1:9:0.01, v/v/v)干燥1小时的LPPF，(f) 来自EtOH/MCH/H2O (1:9:0.01, v/v/v)干燥9小时的LPPF。(g) 来自EtOH/MCH/H2O (1:9:0.01, v/v/v)的LPPF的干燥时间依赖性自旋极化。(h) 在100°C以下来自EtOH/MCH/H2O (1:9:0.01, v/v/v)的LPPF的干燥时间依赖性重量损失。(i) 水螺旋依赖性自旋选择性的示意图。

结论与展望

该工作通过合理设计具有几何匹配羧基口袋的L-苯丙氨酸衍生物，证明了M-螺旋水阵列可以介导层级超分子体系中的逆手性转移。LPPF的L-构型立体中心指导水分子排列成M-螺旋，进而模板化LPPF堆叠成P-螺旋纳米纤维。该过程仅需痕量水，其缺失导致非手性纳米带和CD静默。螺旋水作为活性功能元件，原位去除它可使纳米纤维的自旋选择性从向上逆转为向下。这项工作建立了一种以前未被认识的手性转移范式，其中水螺旋和相反手性的纳米级组装体通过合理设计非共价口袋而相互耦合，加深了对层级和手性传播复杂性的理解，并为具有日益复杂手性架构的超分子材料开辟了新途径。