通过调节亲水-疏水平衡来控制脲啶-吡啶酮超分子单体的组装

《Journal of Polymer Science》：Controlling the Assembly of Ureido-Pyrimidinone Supramolecular Monomers by Tuning the Hydrophilic-Hydrophobic Balance

UPy衍生物通过调节烷基-脲间隔基和聚乙二醇链长度，研究了水相自组装行为及形态调控机制。实验结合光谱学、显微技术和分子动力学模拟，发现间隔基长度增加促进UPy二聚化及π-π堆积，但 lateral urea与核心竞争导致片状结构而非一维聚合物。研究揭示了分子设计对超分子组装的调控作用，为开发可调水溶性生物材料提供新策略。

　　本研究聚焦于水相中尿嘧啶-嘧啶酮（UPy）衍生物的自组装行为，旨在深入理解分子结构如何影响自组装过程，从而为设计具有可调性能的新型生物活性材料提供理论依据。UPy分子因其独特的自互补氢键配列能力，在有机溶剂中能够形成稳定的二聚体，进而通过π-π堆积和侧向氢键作用构建一维的超分子聚合物。然而，在水环境中，由于极性和非极性基团之间的微妙平衡，其自组装行为与在有机溶剂中存在显著差异。因此，本研究通过合成一系列具有不同长度的寡乙二醇（OEG）链和烷基尿素连接臂的UPy衍生物，系统地探讨了其在水中的自组装特性及形成的超分子结构的形态。

研究中，作者设计并合成了三类UPy衍生物，分别通过直接连接或通过烷基尿素连接臂与OEG链相连。通过实验分析和分子动力学（MD）模拟相结合的方法，揭示了分子设计对自组装行为的关键作用。实验结果显示，随着OEG链长度的增加，分子的水溶性显著提升，同时其自组装形成的结构也表现出不同的形态特征。例如，当OEG链较短时，自组装倾向于形成微小的球状结构；而随着OEG链长度的增加，形成的结构逐渐转变为片状结构。与此同时，烷基尿素连接臂的长度对自组装的效率和形成的结构稳定性也产生了重要影响。研究发现，较长的烷基尿素连接臂不仅促进了UPy二聚体的形成，还增强了其在水中的自组装能力，导致更长、更稳定的纤维结构。

值得注意的是，虽然较长的烷基尿素连接臂有助于促进UPy二聚体的形成和π-π堆积，但MD模拟进一步揭示了分子内部存在一种竞争性的相互作用：UPy核心与侧向尿素基团之间的氢键作用可能会干扰核心之间的相互作用，从而影响最终形成的超分子结构的维度。这一竞争性作用在实验中表现为，尽管部分更疏水的UPy衍生物能够形成较长的纤维，但它们更倾向于形成二维的片状结构，而不是一维的超分子聚合物。这表明，自组装过程不仅受到分子疏水性的影响，还受到分子内部氢键网络的动态平衡制约。

在实验观察中，作者利用不同的分析手段，包括紫外-可见光谱（UV-Vis）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和核磁共振（NMR）等，对自组装行为进行了定量研究。UV-Vis光谱显示，随着OEG链长度的增加，吸收峰的位移和强度变化反映了分子在自组装过程中的构型变化。FT-IR光谱则进一步验证了不同自组装形态下氢键网络的形成情况，而NMR分析则提供了关于UPy核心在自组装过程中可动性和分布的信息。这些实验数据共同表明，分子的疏水性与水溶性之间的平衡是决定其自组装行为和最终形态的关键因素。

此外，研究还关注了自组装结构在水中的热稳定性。通过变温UV-Vis和NMR实验，发现不同疏水性水平的UPy衍生物在加热过程中表现出不同的行为。例如，某些分子在高温下显示出从J型聚集态向单体状态的转变，这种转变可能与氢键网络的解离有关。而另一些分子则表现出更高的热稳定性，这可能与其更长的烷基尿素连接臂和更优的氢键配位有关。这些结果进一步支持了分子设计在调控自组装行为中的重要性。

研究还发现，分子的OEG链长度对自组装结构的尺寸和稳定性具有显著影响。在实验中，OEG链较长的分子能够形成更稳定的超分子结构，同时其自组装形态也表现出更高的有序性。然而，OEG链长度的增加也可能会导致分子在水中的分散性降低，从而影响其自组装的效率。这种矛盾关系提示，在设计水溶性UPy分子时，需要在疏水性和水溶性之间进行精确调控，以实现最佳的自组装性能。

在分子动力学模拟方面，研究通过模拟不同分子在水中的自组装过程，进一步揭示了疏水相互作用和氢键作用在超分子结构形成中的主导地位。模拟结果显示，较长的烷基尿素连接臂能够显著增强UPy分子之间的相互作用，从而促进更高效的自组装过程。然而，侧向尿素基团与UPy核心之间的氢键作用也可能会干扰核心之间的相互作用，从而影响超分子结构的维度和稳定性。这种竞争性作用在实验中表现为，尽管某些分子具有较高的疏水性，但其自组装形态更倾向于形成二维的片状结构，而非一维的纤维状结构。

本研究的结论强调了分子设计在调控UPy自组装行为中的核心作用。通过调整OEG链长度和烷基尿素连接臂的长度，可以有效控制自组装形成的超分子结构的形态和稳定性。这一发现为开发具有可调性能的新型生物活性材料提供了理论基础。例如，研究人员可以利用这些知识设计具有特定形态和功能的UPy基材料，以满足不同生物应用的需求，如药物输送、组织工程和生物传感等。

此外，本研究还为理解UPy分子在水中的自组装机制提供了新的视角。通过实验和模拟的结合，研究人员发现，疏水性较强的分子更倾向于形成有序的片状结构，而疏水性较弱的分子则更倾向于形成无序的微小结构。这种现象可能与分子在水中的相互作用方式有关，例如疏水作用、氢键作用以及π-π堆积等。这些相互作用不仅决定了自组装的效率，还影响了最终形成的结构的形态和稳定性。

总的来说，本研究通过系统地探讨不同分子设计对UPy自组装行为的影响，揭示了疏水-亲水平衡在超分子材料形成中的关键作用。这一发现不仅加深了我们对UPy自组装机制的理解，还为未来开发具有特定性能的生物活性材料提供了重要的指导。通过精确调控分子结构，研究人员可以实现对自组装形态的精准控制，从而开发出更加高效和功能化的超分子材料。这种研究方法为生物材料科学的发展提供了新的思路和工具，有望推动相关领域的技术创新和应用拓展。