溶剂调控路径选择：单一手性联吡啶构筑相反手性的动力学与热力学超分子聚合物

《Materials Advances》：Solvent-controlled pathway selection between kinetic and thermodynamic supramolecular polymers with opposite chiralityOpen Access

　　

路径选择是超分子聚合中的核心挑战，因为动力学产物与热力学产物常表现出不同结构和功能。本文中，研究人员展示了一种溶剂控制的路径选择策略，可从单一手性联吡啶基构筑基元d-Ala-BPy（含两个手性d-丙氨酸部分）生成具有相反手性的超分子聚合物。在纯H₂O中，浓度依赖圆二色谱（circular dichroism, CD）研究显示，随浓度增加，CD信号由正转负，发生手性反转。时间依赖CD测量显示协同聚合，较高浓度下具有异常延长的滞后期，表明存在偏离路径（off-pathway）组装过程。原子力显微镜（atomic force microscopy, AFM）分析将正、负CD信号分别与缠结纤维网络和高度有序二维带状超结构相关联。值得注意的是，加入甲醇完全逆转了超分子手性，并将组装机制由偏离路径过程转变为在路径（on-pathway）成核-伸长机制。在H₂O/甲醇（85:15 v/v）中，瞬态中间体演化为具有相反手性的热力学稳定纤维状聚合物。这些发现确立溶剂组成作为水相超分子聚合中路径选择、形貌和超分子手性的强效调节因素。

研究背景与问题：生物体系通过氢键、疏水作用、静电作用和π–π堆积等可逆非共价作用形成有序功能结构，启发了超分子聚合物（supramolecular polymers，由可逆非共价作用形成的聚合物）研究。超分子聚合的核心特征之一是路径复杂性：同一分子构筑基元可形成亚稳动力学产物或热力学产物，二者在形貌、堆积和性质上不同，因此路径选择（pathway selection）成为超分子化学的重要挑战。溶剂环境直接改变分子间作用、溶解度和聚集动力学，尤其水具有强氢键网络和疏水效应，可放大协同组装，但也使组装对溶剂扰动敏感。问题在于，通过简单溶剂变化从同一构筑基元选择性获得具有相反手性的动力学与热力学超分子聚合物仍较少且未充分理解。为此，研究人员设计合成含两个手性d-丙氨酸、酰胺、联吡啶和羟丙基的d-Ala-BPy，在纯H₂O与H₂O/MeOH（85:15, v/v）中研究溶剂调控的路径选择、手性反转和形貌转变，以期理解超分子手性起源并为编程层级组织提供策略。

关键技术与方法：采用UV-vis吸收光谱、浓度/时间/温度依赖圆二色谱（CD）、原子力显微镜（AFM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、变温¹H核磁共振（VT ¹H NMR）、由温度依赖CD估算表观吉布斯自由能（ΔG_app），并用PM6-D3H4半经验计算评估分子间作用。本研究不涉及样本队列来源。

研究结果：原文结果与讨论部分未设二级小标题，以下按主题顺序浓缩。UV-vis显示d-Ala-BPy在DMSO中约290 nm吸收，转入H₂O和H₂O/MeOH后分别红移约6 nm（λ_max=296 nm）和8 nm（λ_max=298 nm）且吸收降低；水中低色效应更强，归一化吸收呈相反浓度依赖，提示不同聚集态。纯H₂O中老化1天后，浓度依赖CD显示5.0–5.75 mM为正CD（右手），6.0–8.0 mM为负CD（左手），正负幅度不对称，表明浓度改变竞争组装路径及手性放大/堆积差异。时间依赖CD显示5.0与8.0 mM均具非S型演化和滞后期，符合协同成核-伸长（nucleation–elongation）；但滞后期随浓度升高而延长，与常规成核-伸长相反，研究人员据此提出偏离路径（off-pathway）过程，可能涉及动力学捕获中间体，并明确该归属为合理解释而非直接证据。稀释实验显示8.0 mM预组装体在1.0–8.0 mM稀释中归一化CD至4.0 mM基本不变且无符号反转，临界聚集浓度低于4.0 mM；4.0 mM稀释液保留负CD仅强度下降，说明负CD对应纯H₂O中热力学有利超分子聚合物。AFM显示5.0 mM为微米级致密缠结纤维网络，多成核位点并交织；8.0 mM为二维（2D）带状超结构，从共同核多方向生长，有序性和层级组织更高；正CD对应纤维网络，负CD对应2D带状，提示前者为动力学有利路径，后者为热力学有利路径并涉及结构重组和结晶堆积。

甲醇效应：随甲醇增加，纯H₂O中负CD渐变为正CD。1–2%甲醇时负CD物种渐消失至近CD静默，研究人员解释为动力学物种解离为单体并缓慢重组为相反正CD热力学产物，而非不可逆变性；>10%时初始CD近零，归因于负/正产物共存。H₂O/MeOH（85:15, v/v）中5.0 mM稳定正CD，6.0 mM初始已有弱正CD，说明甲醇含量和浓度共同调节竞争态群体与转化动力学。纯H₂O中酰胺氢键和联吡啶π–π堆积促进热力学有利左手聚合物；甲醇改变溶剂化、竞争氢键、调节π–π并降低疏水效应，改变多重非共价平衡而非仅氢键。混合溶剂时间依赖CD在4.0、5.0、6.0 mM均呈非S型滞后期；4.0 mM滞后期内先出现瞬态负CD，后转为强正CD；滞后期随浓度增加而缩短，符合在路径（on-pathway）成核-伸长，表明甲醇使体系由off-pathway转为on-pathway。AFM在6.0 mM混合溶剂10 min见星状纤维与片状异质结构，1天后主要变为1D纤维且片状消失，说明初始片状/分支为亚稳中间体，1D纤维为热力学有利产物，与正CD发展一致。FT-IR显示酰胺I由DMSO中1658 cm^?1在纯H₂O组装后移至1647 cm^?1，表明酰胺间氢键；混合溶剂拟合为1635和1655 cm^?1，分别对应较强和较弱氢键，说明两个酰胺环境不等价，甲醇调节氢键网络。变温¹H NMR显示联吡啶芳香质子H₁–H₃在293 K处较高场，升温至354 K下移，归因于组装态π–π堆积屏蔽及升温解离；2–8 mM浓度下化学位移无显著变化但线宽增加，支持分子间缔合和π–π堆积参与。热力学上，纯H₂O 8.0 mM的ΔG_app加热/冷却约?14.4/?12.3 kJ mol^?1，热滞后ΔT≈20 K，显示不完全可逆和慢重组；5.0 mM热响应不同于8.0 mM，T_e较低且与8.0 mM冷却T_e相当；温度依赖UV-vis亦呈非S型并见滞后，支持不同聚集态与动力学屏障。混合溶剂加热/冷却ΔG_app约?12.7/?12.4 kJ mol^?1，热滞后约5 K，接近热力学平衡，甲醇抑制动力学捕获中间体并促进on-pathway生长。计算显示PM6-D3H4下生成热由单体?877.35降至二聚?2007.15和三聚?3102.67 kJ mol^?1，相互作用能二聚?252.46、三聚?470.64 kJ mol^?1；优化三聚为左手螺旋，与纯H₂O实验一致，并见1.80–1.99 ?氢键及3.33–3.61 ?联吡啶堆积间距；右手三聚优化未成功，气相无显式溶剂不能充分重现溶剂依赖，提示甲醇特定溶剂化作用重要。综合虽无直接结构观察，但动力学、滞后期、热滞后和形貌演化支持：纯H₂O经off-pathway形成负CD的2D带状热力学稳定结构；混合溶剂经on-pathway形成正CD的1D纤维热力学有利结构；溶剂组成通过热力学稳定性和动力学可及性共同调控路径、手性和形貌。

讨论与结论翻译：研究人员总结，溶剂控制路径选择策略可从单一d-Ala-BPy形成相反手性的动力学与热力学超分子聚合物。纯H₂O中浓度依赖CD显示手性反转和形貌转变，时间依赖CD显示协同聚合且高浓度滞后期异常增加，表明off-pathway；AFM表明正/负CD分别对应缠结纤维和2D带状。甲醇引入完全反转手性并将机制由off-pathway转为on-pathway成核-伸长；时间分辨CD和AFM显示亚稳中间体转为相反螺旋性的热力学稳定纤维。该研究确立溶剂组成为超分子手性、形貌和路径复杂性调节因素，并为编程具有不同层级结构和手性光学性质的动力学/热力学超分子聚合物提供分子与溶剂设计策略，为自适应超分子材料和路径控制功能系统提供机会。