北化邓建平教授/赵彪副教授团队 Chem. Mater.: 非手性聚合物体系中螺旋手性的对映选择性诱导、放大和储存

2022-08-05 来源：高分子科技

手性普遍存在于自然界中，并与生命现象密切相关。关于自然界中均手性（homochirality）的起源一直是当今世界上最具挑战性的科学问题之一，此现象虽已被广泛研究和探索，但当下的大多数观点仍存在争议，也缺乏科学的方法对其进行验证。研究由非手性分子构成的手性超结构有助于理解生命进化过程中的均手性现象。特别是从发展的角度来看，探究手性是如何从非手性环境中产生并进一步从分子水平传递到超分子甚至更高层次，对基础科学研究和实际应用都具有深远意义（图1）。

图1 非手性聚合物体系中的对称性破缺、手性传递和手性放大

近日，北京化工大学材料科学与工程学院邓建平教授/赵彪副教授团队在没有任何物理和化学手性源的情况下，实现了非手性聚合物体系中的对称性破缺，从消旋螺旋聚合物/极性聚合物基体体系出发成功制备了光学活性薄膜（图2）。研究发现，制备的手性聚合物薄膜的光学活性可以简单地通过成膜参数的改变来调节。同时，聚合物链间的弱分子间相互作用可以对映选择性地打破消旋螺旋聚合物分子链的平衡态，驱动和诱导螺旋手性的产生，而诱导产生的手性特征可在固体薄膜中进一步放大和储存。另外，将制备的手性聚合物薄膜与非手性荧光体结合，成功实现了圆偏振荧光发射。该工作通过对大分子水平上对称性破缺现象的研究，不仅可提升我们对自然界中均手性的理解，还为设计和制备新型手性功能材料提供了思路。

图2 手性聚合物薄膜的制备及光学表征

非手性聚合物薄膜体系中对称性破缺发生的可能机理如图3所示。其中，消旋螺旋聚合物（Poly1）的侧链酰胺结构可提供分子内氢键作用以稳定螺旋构象，而极性成膜基质（如PVB）中的含氧官能团可与Poly1形成分子间氢键作用，为随后对称性破缺的发生提供驱动力。在成膜过程中，Poly1与PVB分子链间的氢键作用可驱使Poly1侧链上的潜手性基团发生转变，产生微小的手性偏差。这种诱导产生的手性偏差会沿着螺旋聚合物主链不断传递，如同“多米诺骨牌效应”一样被持续放大，最终形成单手过量螺旋结构，并显示出明显的光学活性。同时，诱导产生的螺旋手性可以在所制备的聚合物薄膜中保持稳定。

图3 非手性聚合物薄膜体系中对称性破缺的可能机理图

该工作为研究自然界中自发对称性破缺现象提供了新思路，同时有助于理解手性起源和生命进化过程中生物分子的均手性特征，并为通过非手性模块构建手性功能性材料提供了新策略。相关研究成果以“Enantioselective Induction, Amplification and Storage of Helical Chirality in Absolutely Achiral Polymer Systems”为题发表在《Chemistry of Materials》上。文章第一作者是北京化工大学材料科学与工程学院博士生李鹏鹏。该研究得到国家自然科学基金的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.2c01783

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（责任编辑：xu）

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