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北京大學化學學院宛新華、張潔課題組在聚合物調控立體選擇性結晶領域取得新進展

手性化合物在藥物，農藥，食品添加劑，香料中都廣泛存在，同時也是先進手性材料的關鍵組成部分。如何分離提純單一對映體，長久以來一直是科學家努力的方向。結晶拆分法操作簡單、成本低，仍然是目前大部分手性藥物及其中間體最重要的生產方式。Lahav等人在上世紀八十年代提出逆向結晶法，通過加入“量身定制”的聚合物抑制劑，抑制與之相同構型的底物結晶。相反構型底物不受影響而較快析出。一定程度上擴大了拆分范圍，提高了晶體光學純度及產率。然而，到目前為止絕大多數的抑制劑都是通過單體聚合而來，其合成困難，官能團耐受度有限，不利于高通量的結構篩選；且想要獲得另一構型底物需要重頭合成相反構型聚合物，成本高，拆分效率低。

圖1. 非共價鍵構筑聚合物抑制劑及其參與的立體選擇性結晶過程

近期，宛新華教授和張潔副教授課題組從超分子聚合物的角度出發，利用非共價相互作用，將手性小分子錨定在非手性聚合物主鏈上，制備了一系列超分子聚合物抑制劑。該工作僅僅改變客體小分子結構實現了對多種“簇集晶體”的高效拆分，此外通過選用合適的客體分子，還實現了傳統結晶法無法拆分的“外消旋晶體”谷氨酸及常用抗高血壓藥物尼莫地平的拆分。另外，該策略不僅適用于水溶液體系，同樣也適用于醇類，有機溶劑體系等。通過合理使用各種非共價相互作用，可以預期更多的聚合物添加劑可以被如法炮制。近年來被廣泛研究的用于手性拆分的微/鈉粒子，有機/無機雜化顆粒或許都可以通過類似的方式進行制備。這將大大促進添加劑輔助的高效立體選擇性結晶策略的發展。相關成果發表在Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 20243-20248。北京大學宛新華教授為該工作的通訊作者，第一作者為北京大學博士后葉曦翀。

此外，他們通過協同利用手性添加劑與外消旋底物之間的“立體選擇性”與“非立體選擇性”相互作用，實現了直接從外消旋底物出發構筑光學純多層次手性晶體的目標。通過改變添加劑分子量可以改變兩種作用力的相對大小，從而調控晶體的分子和宏觀手性。這種利用聚合物分子量的手性調控過程，由于不需要從頭制備相反構型的添加劑，相比傳統方式更為簡單、高效。這種策略具有一定的普適性，在使用不同結構添加劑的情況下，實現了多種簇集晶體的選擇性結晶和晶體自組裝過程。在多數體系中均能獲得具有宏觀手性形貌的晶體組裝體。該策略不僅極大簡化了多層次手性晶體的制備方式，且在極低添加量下便能誘導形成高化學純度、光學純度的晶體聚集體，為大規模創造光學活性晶體組裝體提供了一種可行方案。除此以外，該工作可以提高人們對精準手性識別、跨尺度手性調控、多級手性傳遞的理解。相關成果發表在Nat. Commun., 2021, 12, 6841。北京大學宛新華教授為該工作的通訊作者，第一作者為北京大學博士后葉曦翀。

圖2. 聚合物分子量調控晶體聚集體的分子及宏觀手性

該系列工作得到了來自國家自然科學基金委和博士后科學基金等項目的資助。

論文鏈接：

1. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202106603

2. https://www.nature.com/articles/s41467-021-27236-1

北京大學化學學院宛新華、張潔課題組及合作者在螺旋聚苯乙炔圓偏振熒光與自組裝領域取得新進展

圓偏振發光(CPL)指物質在一定波長的光激發下選擇性地發出左旋和右旋圓偏振光，反映的是物質在激發態的手性，其在3D顯示、量子通訊、信息存儲、生物檢測等高新技術領域有著廣闊應用前景。與圓二色光譜(CD)和非偏振熒光光譜相比，CPL能排除其它非手性發光基團的干擾，在分子傳感與檢測上能表現出更高的靈敏度與分辨率。然而，若將其用于定量檢測仍充滿著挑戰，因為這不僅需要高發光不對稱因子(glum)，而且需要靈敏的刺激響應性以及glum值規律性的線性變化，完全滿足這些要求的例子非常少。單取代聚乙炔是一類重要的動態螺旋共軛高分子，具有高光學不對稱性，在外界刺激下易發生構象轉變，具有成為優異的刺激響應性CPL材料的潛力。但是，目前報道的單取代聚乙炔大多呈現伸展的cis-transoid構象，其主鏈一直被認為不發光。即使引入發光基團，也會因為主鏈吸收波長較大、與側基發射光譜重疊而大幅度降低熒光強度。

圖1. 刺激響應性單取代聚苯乙炔圓偏振發光材料的分子設計及其在檢測中的應用

近日，北京大學化學與分子工程學院的宛新華教授和張潔副教授課題組與中國科學院大學彭謙研究員、清華大學帥志剛教授合作，首次報道了基于緊密cis-cisoid聚炔骨架的單取代聚乙炔圓偏振發光材料，打破了傳統單取代聚乙炔主鏈不發光的認知。其分子設計基于3,5-雙酰胺取代結構，強分子內氫鍵穩定了緊密的cis-cisoid構象，限制了分子運動，降低了聚炔主鏈的1Bu能級，使E(1Bu) < E(2Ag)，側基即使不引入熒光基團，聚合物也能表現出很強的黃綠色熒光。聚合物兼具手性和熒光性質，呈現出優異的CPL性能。利用氫鍵的溶劑與溫度響應性，cis-cisoid螺旋構象與伸展的cis-transoid螺旋構象間能可逆轉變，從而實現熒光和CPL的可逆調控。并且開拓了其在圓偏振發光檢測器中的應用。利用聚合物液晶膜的CPL能對三氟乙酸進行快速、定量、特異性的檢測。相關成果發表在Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 21918–21926。北京大學宛新華教授、張潔副教授與中國科學院大學的彭謙研究員為該工作的通訊作者，北京大學的汪勝博士與清華大學的胡德平博士為共同第一作者。

此外，宛新華和張潔課題組近期還實現了基于聚苯乙炔螺旋鏈的構象轉變調控自組裝及高效的手性傳遞。他們通過銠活性聚合催化劑成功地合成出了一系列窄分布的嵌段共聚物PPA-b-PsmNap。該嵌段共聚物以聚苯乙炔（PPA）為親溶劑鏈段，而對于聚苯乙炔衍生物（PsmNap）鏈段，其構象會在四氫呋喃中由cis-transoid伸展螺旋結構逐漸變為cis-cisoid緊密螺旋結構，這種構象的變化會導致PsmNap鏈段溶解性下降并發生聚集，繼而實現構象轉變誘導自組裝。進一步通過動力學參數k定量表征了這種構象轉變速度，發現其與溫度、溶劑組成以及聚合物的分子量相關。當在四氫呋喃中加入15%的N,N-二甲基甲酰胺，構象轉變速度減緩，順利觀察到了從囊泡、納米片到螺旋繩等組裝形貌的轉變。最終所形成的螺旋繩組裝體有著明顯的手性偏向，R型分子與S型分子均表現出高達98%以上的手性偏向，這可能是源于緩慢構象變化所引起的高效手性傳遞。這項研究也為模擬蛋白變構組裝提供了一種新的思路。相關成果發表在Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 9686-9692。北京大學宛新華教授、張潔副教授為該工作的通訊作者，第一作者為北京大學博士研究生蔡思良和陳珺嫻博士。

圖2. 基于聚苯乙炔螺旋鏈的構象轉變調控自組裝及其高效手性傳遞

該系列工作得到了來自國家自然科學基金委和博士后科學基金等項目的資助。

論文鏈接：

1. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202108010

2. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202100551