单体序列主导大分子组装行为的研究

生物大分子如蛋白质、核酸等通常具有精确的化学结构与成分，其准确的单体序列结构往往决定着这些大分子材料的化学、物理和生物性质，如核酸通过对碱基顺序的控制来携带遗传信息、蛋白质通过对氨基酸序列的控制来体现特定的生物活性等。然而在合成高分子时单体序列的影响往往十分微弱，人们也缺乏合理的研究对象与研究手段。近年来受到生物大分子材料的启发，一些课题组已经报道了通过高效的有机化学反应来合成具有精确单体序列高分子的方法，但这些精确的单体序列将会对其微观结构和宏观材料的性质产生什么影响有待进一步系统研究。

近日，美国阿克伦大学的程正迪院士（点击查看介绍）课题组报道了一系列多面体倍半硅氧烷（POSS）纳米粒子为功能单体的具有精确化学结构的巨型分子（Giant Molecules）。这种巨型分子采用功能化的纳米粒子作为“大单体”，通过重复的循环化学反应制备得到较高分子量的精确大分子（图1），并且每一个POSS重复单元具有很强的多重协同分子间作用力（亲水或疏水），有望实现单个结构基元调控来改变整个巨型分子的组装行为。

图1. 具有精确结构巨型分子的（A）化学结构和（B）合成示意图

当亲水纳米粒子固定在链端时，通过改变疏水纳米粒子的个数，这些巨型分子能形成非常丰富的组装结构，包括层状相、双连续相、六方柱状相、A15相以及体心立方相。这些组装结构的尺寸可小至10 nm以下，在制备超小尺度模板器件等纳米技术领域具有潜在的优势。更有趣的是，当固定巨型分子的化学成分，只改变纳米粒子单体的连接序列时，超分子结构也会由于大分子构象的不同发生改变。不仅如此，当分子组成为球状相以后，通过精确调控分子序列，这些分子能够形成软物质中非常稀有的相结构，比如Frank-Kasper Sigma相和具有十二重对称结构的准晶（dodecagonal quasicrystal，DDQ）等。这种精确合成大分子的设计并不局限于倍半硅氧烷纳米粒子，还可以延伸至其他多种纳米材料体系，对今后人们研究和理解合成高分子中单体序列的作用及其应用具有重要的意义。

图2. 不同化学成分和单体序列巨型分子的自组装结构

该工作得到美国与中国国家自然科学基金委的支持，主要参与项目的还有四川大学的李乙文研究员课题组与北京大学的张文彬研究员课题组。相关工作主要由阿克伦大学的张炜博士完成。

该论文作者为：Wei Zhang, Xinlin Lu, Jialin Mao, Chih-Hao Hsu, Gaoyan Mu, Mingjun Huang, Qingyun Guo, Hao Liu, Chrys, Wesdemiotis, Tao Li, Wenbin Zhang, Yiwen Li and Stephen Z.D. Cheng

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Sequence-Mandated, Distinct Assembly of Giant Molecules

Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 15014, DOI: 10.1002/anie.201709354

导师介绍

程正迪

http://www.x-mol.com/university/faculty/26743