北京大学化学学院宛新华、张洁课题组在聚合物调控立体选择性结晶领域取得新进展

手性化合物在药物，农药，食品添加剂，香料中都广泛存在，同时也是先进手性材料的关键组成部分。如何分离提纯单一对映体，长久以来一直是科学家努力的方向。结晶拆分法操作简单、成本低，仍然是目前大部分手性药物及其中间体最重要的生产方式。Lahav等人在上世纪八十年代提出逆向结晶法，通过加入“量身定制”的聚合物抑制剂，抑制与之相同构型的底物结晶。相反构型底物不受影响而较快析出。一定程度上扩大了拆分范围，提高了晶体光学纯度及产率。然而，到目前为止绝大多数的抑制剂都是通过单体聚合而来，其合成困难，官能团耐受度有限，不利于高通量的结构筛选；且想要获得另一构型底物需要重头合成相反构型聚合物，成本高，拆分效率低。

图1. 非共价键构筑聚合物抑制剂及其参与的立体选择性结晶过程

近期，宛新华教授和张洁副教授课题组从超分子聚合物的角度出发，利用非共价相互作用，将手性小分子锚定在非手性聚合物主链上，制备了一系列超分子聚合物抑制剂。该工作仅仅改变客体小分子结构实现了对多种“簇集晶体”的高效拆分，此外通过选用合适的客体分子，还实现了传统结晶法无法拆分的“外消旋晶体”谷氨酸及常用抗高血压药物尼莫地平的拆分。另外，该策略不仅适用于水溶液体系，同样也适用于醇类，有机溶剂体系等。通过合理使用各种非共价相互作用，可以预期更多的聚合物添加剂可以被如法炮制。近年来被广泛研究的用于手性拆分的微/钠粒子，有机/无机杂化颗粒或许都可以通过类似的方式进行制备。这将大大促进添加剂辅助的高效立体选择性结晶策略的发展。相关成果发表在Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 20243-20248。北京大学宛新华教授为该工作的通讯作者，第一作者为北京大学博士后叶曦翀。

此外，他们通过协同利用手性添加剂与外消旋底物之间的“立体选择性”与“非立体选择性”相互作用，实现了直接从外消旋底物出发构筑光学纯多层次手性晶体的目标。通过改变添加剂分子量可以改变两种作用力的相对大小，从而调控晶体的分子和宏观手性。这种利用聚合物分子量的手性调控过程，由于不需要从头制备相反构型的添加剂，相比传统方式更为简单、高效。这种策略具有一定的普适性，在使用不同结构添加剂的情况下，实现了多种簇集晶体的选择性结晶和晶体自组装过程。在多数体系中均能获得具有宏观手性形貌的晶体组装体。该策略不仅极大简化了多层次手性晶体的制备方式，且在极低添加量下便能诱导形成高化学纯度、光学纯度的晶体聚集体，为大规模创造光学活性晶体组装体提供了一种可行方案。除此以外，该工作可以提高人们对精准手性识别、跨尺度手性调控、多级手性传递的理解。相关成果发表在Nat. Commun., 2021, 12, 6841。北京大学宛新华教授为该工作的通讯作者，第一作者为北京大学博士后叶曦翀。

图2. 聚合物分子量调控晶体聚集体的分子及宏观手性

该系列工作得到了来自国家自然科学基金委和博士后科学基金等项目的资助。

论文链接：

1. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202106603

2. https://www.nature.com/articles/s41467-021-27236-1

北京大学化学学院宛新华、张洁课题组及合作者在螺旋聚苯乙炔圆偏振荧光与自组装领域取得新进展

圆偏振发光(CPL)指物质在一定波长的光激发下选择性地发出左旋和右旋圆偏振光，反映的是物质在激发态的手性，其在3D显示、量子通讯、信息存储、生物检测等高新技术领域有着广阔应用前景。与圆二色光谱(CD)和非偏振荧光光谱相比，CPL能排除其它非手性发光基团的干扰，在分子传感与检测上能表现出更高的灵敏度与分辨率。然而，若将其用于定量检测仍充满着挑战，因为这不仅需要高发光不对称因子(glum)，而且需要灵敏的刺激响应性以及glum值规律性的线性变化，完全满足这些要求的例子非常少。单取代聚乙炔是一类重要的动态螺旋共轭高分子，具有高光学不对称性，在外界刺激下易发生构象转变，具有成为优异的刺激响应性CPL材料的潜力。但是，目前报道的单取代聚乙炔大多呈现伸展的cis-transoid构象，其主链一直被认为不发光。即使引入发光基团，也会因为主链吸收波长较大、与侧基发射光谱重叠而大幅度降低荧光强度。

图1. 刺激响应性单取代聚苯乙炔圆偏振发光材料的分子设计及其在检测中的应用

近日，北京大学化学与分子工程学院的宛新华教授和张洁副教授课题组与中国科学院大学彭谦研究员、清华大学帅志刚教授合作，首次报道了基于紧密cis-cisoid聚炔骨架的单取代聚乙炔圆偏振发光材料，打破了传统单取代聚乙炔主链不发光的认知。其分子设计基于3,5-双酰胺取代结构，强分子内氢键稳定了紧密的cis-cisoid构象，限制了分子运动，降低了聚炔主链的1Bu能级，使E(1Bu) < E(2Ag)，侧基即使不引入荧光基团，聚合物也能表现出很强的黄绿色荧光。聚合物兼具手性和荧光性质，呈现出优异的CPL性能。利用氢键的溶剂与温度响应性，cis-cisoid螺旋构象与伸展的cis-transoid螺旋构象间能可逆转变，从而实现荧光和CPL的可逆调控。并且开拓了其在圆偏振发光检测器中的应用。利用聚合物液晶膜的CPL能对三氟乙酸进行快速、定量、特异性的检测。相关成果发表在Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 21918–21926。北京大学宛新华教授、张洁副教授与中国科学院大学的彭谦研究员为该工作的通讯作者，北京大学的汪胜博士与清华大学的胡德平博士为共同第一作者。

此外，宛新华和张洁课题组近期还实现了基于聚苯乙炔螺旋链的构象转变调控自组装及高效的手性传递。他们通过铑活性聚合催化剂成功地合成出了一系列窄分布的嵌段共聚物PPA-b-PsmNap。该嵌段共聚物以聚苯乙炔（PPA）为亲溶剂链段，而对于聚苯乙炔衍生物（PsmNap）链段，其构象会在四氢呋喃中由cis-transoid伸展螺旋结构逐渐变为cis-cisoid紧密螺旋结构，这种构象的变化会导致PsmNap链段溶解性下降并发生聚集，继而实现构象转变诱导自组装。进一步通过动力学参数k定量表征了这种构象转变速度，发现其与温度、溶剂组成以及聚合物的分子量相关。当在四氢呋喃中加入15%的N,N-二甲基甲酰胺，构象转变速度减缓，顺利观察到了从囊泡、纳米片到螺旋绳等组装形貌的转变。最终所形成的螺旋绳组装体有着明显的手性偏向，R型分子与S型分子均表现出高达98%以上的手性偏向，这可能是源于缓慢构象变化所引起的高效手性传递。这项研究也为模拟蛋白变构组装提供了一种新的思路。相关成果发表在Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 9686-9692。北京大学宛新华教授、张洁副教授为该工作的通讯作者，第一作者为北京大学博士研究生蔡思良和陈珺娴博士。

图2. 基于聚苯乙炔螺旋链的构象转变调控自组装及其高效手性传递

该系列工作得到了来自国家自然科学基金委和博士后科学基金等项目的资助。

论文链接：

1. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202108010

2. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202100551