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不靠高温靠“折叠”：螺旋聚合物实现非热“接链”

生物大分子通过共价与非共价协同，将离散模块组装成跨越多个尺度的复杂结构；肽和基因的化学连接（图1a）已证明自下而上延长结构大分子的可行性。然而，把从小分子构建的合成螺旋聚合物共价组装成更长、更具层级复杂性的结构仍很困难。常规热缩聚需高温越过构象熵导致的高活化能垒（图1b），与富含弱动态相互作用的软物质不相容；点击化学虽温和通用，却会引入三唑等外源连接位点，改变天然化学结构。核心挑战在于：反应端基碰撞概率受熵不利，且需克服活化能垒，同时保持螺旋构象和动态行为。

鉴于此，华东理工大学张琦教授和诺贝尔化学奖得主Ben L. Feringa教授提出一种折叠驱动超分子聚合后接动态共价缩聚的路径。该策略无需热激活，利用氢键诱导构象折叠，刚化主链并提供粘性末端进行超分子预组织，促进端基（硫醇盐-二硫化物）的碱催化共价交换。通过侧链单元调控可折叠性和分子间氢键预组织，获得了对连接过程的机理认识。所得延长螺旋聚合物在溶液中折叠为层级球状结构，在本体膜中表现热响应大分子缠结。非共价组装与动态共价聚合结合，为具二级结构动态聚合物的非热、可控缩聚提供了超分子途径（图1c）。相关论文以题为“Supramolecular chemical ligation of helical polymers”发表在最新一期《nature nanotechnology》上。

图 1 | 螺旋聚合物的超分子化学连接

分子设计与开环聚合

研究起点其实有些偶然。研究团队原本想用阴离子活性开环聚合调控一种β-螺旋聚二硫化物的分子量，却发现分子量几乎不随单体与引发剂的比例变化，这不符合典型活性聚合的预期（图2a）。跟踪聚合动力学后看到：早期分子量随转化率线性增长，约24 h后转化率趋于平台，但分子量却继续“二次增长”，而单体不再消耗；72 h达到平衡时，分子量已达230 kDa，转化率超过95%（图2b）。把初始浓度降到0.1 M，这种二次增长又消失了，分子量重新随转化率线性上升（图2c）。浓度依赖性提示：聚合后期发生的不是单体继续接入，而是短链之间在分子间氢键帮助下靠拢并缩聚。后续表征证实了这种超分子聚合。高浓度氯仿溶液中，聚合物出现明显双折射，旋转时亮度周期变化，说明形成了液晶畴；稀释或加热后双折射消失，符合超分子组装的可逆特征（图2d）。冷冻电镜观察到一维高长径比纳米纤维，内部有指纹状有序条纹，链间距约3.1 nm，与头尾相接的堆叠模型吻合（图2e、图2f）。流变学上，较高浓度溶液在60 °C附近出现热增稠，温度再升高又转为热变稀；稀释后只剩热变稀（图2g）。光散射和X射线散射进一步表明：低浓度下是离散的圆柱状单链，高浓度或低温下则长成更大的球形组装体（图2h—图2j）。这些结果共同说明，螺旋聚二硫化物能在非极性溶剂中通过分子间氢键一头一尾地超分子聚合。

图 2 | 螺旋聚合物的超分子聚合

碱催化动态共价连接

有了预组织，共价连接就有了“脚手架”。不过，室温下二硫键交换很慢，体系本身不会自发重组；加入催化量DBU使端基硫醇去质子化，交换被激活，再用三氟乙酸淬灭，即可用凝胶渗透色谱跟踪产物（图3a）。典型实验中，初始数均分子量约57kDa的聚合物，连接后增至约671kDa，提高超过十倍，分子量分布仍保持相当；原本的聚合物峰几乎消失，说明大多数链参与了连接。更关键的是，最终分子量可通过储备液浓度调节——浓度越高，超分子预组织越充分，连接产物越长（图3b）。侧链结构实验进一步支持了这一机制：只含单个酰胺、折叠能力差的类似物连接后分子量几乎不变；会形成多种稳定构象的类似物因预组织混乱，连接效率也低；而含强β-折叠氢键基元的侧链则能有效聚合和连接（图3c）。消旋混合物实验还显示，高浓度下两种手性链可非选择性地异手性连接，得到数均分子量约1.29 MDa的产物；浓度降低时则出现解聚和再平衡，热力学分析将其归因于消旋单体降低了聚合驱动力（图3d—图3f）。连接后的聚合物是否保住了螺旋结构？圆二色谱、红外光谱和偏光显微镜都给出了肯定答案。更有意思的是，长链比短链更稳定：稀释解聚更慢，热退火时短链会解聚并重新出现单体熔融峰，而长链可稳定到180 °C左右。这既因为连接后端基硫醇浓度降低，也因为长螺旋链通过协同非共价作用获得了额外热力学稳定。

图 3 | 螺旋聚合物超分子化学连接的侧链工程

连接后螺旋聚合物的热响应特征

延长的螺旋链还带来了新性质。对分子量约323.8 kDa的样品做变温X射线散射，-20 °C时散射曲线可用半径19.8 nm的球状模型拟合，冷冻电镜也看到更大的球形聚集体；升温到100 °C，球状组装消失，信号转为斜率约-1.1的圆柱状单链散射，且过程可逆（图4a、图4b）。本体膜中，高分子量样品在80—120 °C出现热刚化，储能模量从0.35 MPa升至1.13 MPa，低分子量对照则几乎无此效应（图4c）。变温红外显示，加热使部分分子内β-折叠样氢键减弱，同时出现较无序的分子间氢键；正是热解折叠引发的“分子内氢键向分子间氢键”转变，让材料在升温时反而变硬（图4d）。低分子量样品虽然也有类似氢键转变，但超过100 °C后分子间氢键解离、非共价交联被破坏，材料转而流动软化——这说明，只有通过超分子化学连接得到的长链，才能把这种热刚化行为“锁”住。

图 4 | 超分子化学连接后延伸聚合螺旋的构象动力学和机械性能

总结与展望

总的来说，这项研究把非共价自组装和动态共价聚合放进同一个体系：先用氢键折叠和超分子聚合把离散聚合物链预组织起来，再让动态二硫键在温和条件下完成共价“缝合”，从而在不加热、不引入外源连接基团的情况下，可控地延长螺旋聚合物。它既保留了螺旋二级结构和动态可逆性，又赋予了材料更高的分子量、更慢的解聚动力学和独特的热刚化行为。这种“先组织、后连接”的思路，为仿生层级软物质和响应性高分子材料的设计提供了一个有启发性的平台。