苏州大学张伟教授团队《Adv. Sci.》: 通过溶剂产生的自由基差异揭示超分子组装体的路径复杂度和螺旋反转现象
路径复杂现象作为超分子组装体最重要的特性之一，近年来备受关注，这种超分子作用下特有的性质常用于调控不同类型组装体的生成。其中，具有超分子手性的组装体在不同路径中的组装过程和手性表达更为复杂。虽然超分子的活性聚合已经通过路径复杂现象在一些手性超分子单体中得到了设计和实现，但其路径复杂度和手性之间的机理尚未得到完全解释，因此限制了超分子组装体或聚合物在特定场景下的应用发展。
近年，苏州大学的张伟教授团队在聚合物体系中超分子手性的构建领域取得了诸多进展。（J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 16474; J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 13218; Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202315686; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202314848; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202312259; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 24430; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 18566; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 9669; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 15129; Sci. China Chem. 2023, 66, 1169; Sci. China Chem. 2021, 64, 2105; Chem. Sci. 2023, 14, 5116; Chem. Sci. 2023, 14, 1673; Chem. Sci. 2022, 13, 13623; Macromolecules 2022, 55, 8556; ACS Macro Lett. 2021, 10, 690; Small 2021, 2103177; Aggregate 2023, e351; Aggregate 2022, e262.）。在研究聚合物中超分子手性的同时，张教授团队还将目光放在了经典超分子单体的手性聚合上，进一步探索超分子手性在溶液体系下的丰富变化以及在不同层次中的联系和表达。他们根据已有的文献设计并合成了一种手性的三芳胺三酰胺（TATA）C3对称小分子单体，研究其在共溶剂体系中的组装过程和手性表达。张教授团队发现，这种手性单体在不同的双溶剂环境中会经历不同的组装过程得到完全相反的手性信号。在1, 2-二氯乙烷（DCE）和甲基环己烷（MCH）的溶液中，得到了具有M螺旋排列的薄纳米带组装体；而在DCE和己烷（HE）中，生成了具有P螺旋排列的纳米纤维组装体。这两种组装体具有截然相反的超分子手性结构，呈现出螺旋反转和路径复杂的现象。通过进一步的探究，他们发现溶剂对这两条路径的影响是通过自由基的作用进行的，并最终导致组装体的螺旋反转，产生相反的手性信号。
图1. (a) C3单体1R和1S的结构式。(b)路径复杂和螺旋反转现象的示意图。 (c)三苯胺中心结构产生手性的示意图。
作者在合成并确认单体1S后，首先研究了其在单一溶剂中的组装效果，发现没有组装体产生，因此更换双溶剂体系进行试验，最终在DCE/MCH和DCE/HE中发现了组装体的生成。紫外光谱（UV）表明其均有组装体生成，测试圆二色光谱（CD）发现两种组装体有着完全正负对称的信号，说明内部的手性排列是完全相反的。
图2. (a) 单体1S在不同溶剂中组装体的CD和 (b) UV谱图。(c) 1S在DCE/MCH中的时间相关CD和 (d) UV谱图。(e) 1S在DCE/HE中的时间相关CD和 (f) UV谱图。
接着通过透射电子显微镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）表征发现，两种组装体的形貌有所不同，在DCE/MCH中是很薄的纳米带组装体，而在DCE/HE中是扭转的细纳米纤维，说明在不同的溶剂中，单体经历了完全不同的组装过程，于是接下来，他们着重开始探究其中的机理。首先通过加热升温得到的组装体解聚曲线，将其与超分子聚合的数学模型进行拟合，得到了不同的拟合结果。在DCE/MCH中，单体是以协同-增长的机理进行聚合的，有着明显的临界温度，而在DCE/HE中，单体以等键机理进行聚合，没有明显的临界温度。
图3. (a) 1S在DCE/MCH中的组装体升温解聚过程以及拟合曲线。(b) 1S在DCE/HE中的组装体升温解聚过程以及拟合曲线。(c, e, g) 1S在DCE/MCH中的组装体的形貌和组装过程。(d, f, h) 1S在DCE/HE中的组装体的形貌和组装过程。
接着通过在单一溶剂中的核磁共振氢谱测试（1H NMR）可以发现1S单体主要通过氢键进行堆积组装，这在红外光谱（IR）中也得到了证明，酰胺之间的氢键作用是连接单体的主要超分子作用力，除此以外，他们发现在红外谱图中单体的自由基峰在不同溶剂中有着些许差异，说明自由基可能在这两个路径中有着关键作用。通过计算模拟和结构优化得出的P和M螺旋三聚体结构也验证了氢键的存在。
图4. (a) 1S在氘代氯仿中不同浓度下的1H NMR谱图。(b) 1S在不同溶剂中的组装体IR谱图。(c, d) 计算模拟得到的P螺旋1S三聚体结构示意图。(e, f) 计算模拟得到的M螺旋1S三聚体结构示意图。
接下来，他们对自由基在路径中的影响进行了详细的探索。通过长波长处的CD和UV测试可以发现，自由基在DCE/HE的组装体中出现并产生了手性信号，而在DCE/MCH中没有观测到对应的信号，说明自由基可能是产生两种路径的根本原因。而且电子顺磁共振谱图（EPR）显示DCE/HE中有自由基峰，而DCE/MCH中没有，更加直接地证明了自由基在两种溶剂中的差异化存在。
图5. (a) 1S在不同溶剂中组装体的长波长CD和 (b) UV谱图。(c) 1S在DCE/HE中的组装体的时间相关长波长CD和 (d) UV谱图。(e) 1S在不同溶剂中组装体的EPR谱图。(f) 1S在不同溶剂中组装体的CPL谱图。
由此结合对照试验分析，作者提出了基于自由基的路径复杂的机理解释。1S单体在DCE中可以通过自然光照生成自由基态单体，并与中性单体结合成混价化合物而稳定存在，加入MCH后，由于大量MCH的三级碳对自由基的中和，使得自由基变为中性态单体，进而通过成核-增长过程形成组装体；当加入HE后，因为HE没有三级碳对自由基进行中和，因此单体直接以混价化合物为核进行组装生长，即以等键机理形成组装体。进一步分析，在DCE/MCH中由于单体均为中性态，其中心结构C-N键角偏小，而在DCE/HE中自由基单体的中心C-N键角偏大，对应了结构优化后的模型中M结构键角比P结构键角略小，因此作者认为该单体在不同溶剂中，是溶剂产生的自由基的差异导致了两种不同的路径生成，并通过不同的组装过程最终得到了螺旋相反的组装体结构，产生相反的手性信号。
图6. 不同溶剂中组装体路径复杂现象机理示意图。
该工作首次从自由基的角度解释了超分子组装过程中的路径复杂和螺旋反转现象，在双溶剂体系中对基于三芳胺的超分子组装路径进行了详细的探究，为理解和预测三芳胺衍生物超分子组装的路径复杂度提供一种新的方法和角度，使超分子组装路径的精确控制成为可能，并为手性功能材料的设计和调控开辟新的道路。
以上工作受到了国家自然科学基金（92056111, 21971180和22301206）的经费支持。相关成果以“Revealing Pathway Complexity and Helical Inversion in Supramolecular Assemblies through Solvent-induced Radical Disparities”为题发表于《Advanced Science》上。文章的第一作者是苏州大学在读博士生马浩天，通讯作者为苏州大学/安徽工程大学张伟教授和博士后张弓。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202308371
DOI: 10.1002/advs.202308371
