近日，我校化学与分子工程学院费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心张琦教授课题组在动态化学领域取得研究进展。相关研究成果以“Dynamic Covalent Polymerization Through Liquid-Liquid Phase Separation”为题在线发表于《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc., 2026,10.1021/jacs.6c15613）。
细胞中广泛存在生物大分子（例如蛋白质、RNA）通过液液相分离（LLPS）形成的液态凝聚体，被认为是无膜细胞器形成的关键机制。通过人工合成的手段，设计非天然分子体系，研究其在水相中的液液相分离机制，对于理解这一基于多重非共价相互作用的关键生命过程具有重要意义。现有的合成液态凝聚体主要聚焦于构型明晰的小分子、超分子或高分子，对于动态分子体系，例如能够在小分子与高分子间可逆转换的动态聚合物体系，仍然缺少相关研究。其中，无定型、凝聚态液滴的限域微环境可能为动态共价-非共价协同聚合系统提供独特的热力学、动力学调控机制并促进新功能涌现。
在此背景下，研究人员基于课题组前期开发的动态二硫聚合物体系（Acc. Chem. Res. 2026, 59, 151-164），设计合成了一种双亲性环状二硫小分子单体，分子结构中的大位阻二肽连接基团提供了重要的疏水残基和氢键结合位点，使得该分子在水溶液中能够自发形成无定型凝聚态液滴，该液滴的形成进一步促进了小分子单体到聚二硫高分子的开环聚合反应，实现了单体到聚合物的一步、无催化剂、无引发剂水相合成。相比现有的环状二硫水相聚合体系，液液相分离的限域微环境提供了独特的热力学、动力学优势：1）水相中自发凝聚态的单体液滴在热力学上克服了溶液中熵不利的稀释作用，促进了单体分子间的二硫键形成，使得单体转化率高达90%，超越了硫辛酸类聚二硫的固有热力学驱动力（后者主要依赖五元环环张力释放）；2）液液相分离驱动的开环聚合过程无需额外催化剂或引发剂，凝聚态液滴的微环境结合水分子的极化作用，降低了二硫开环聚合反应的活化能垒。该动力学过程可以被体系pH动态调控：碱性环境进一步催化二硫交换；而酸性条件则淬灭二硫交换反应，实现动态体系的动力学捕获；3）无膜液滴的自发融合过程进一步驱动了聚合物的链间凝聚和缠结，该体系在陈化24小时后能够通过高聚物自缠结形成水凝胶，展现自支撑的力学性质。
图片说明：液液相分离驱动动态共价聚合概念示意图
研究人员进一步聚焦这一“液液相分离驱动动态聚合”现象，通过同步辐射小角X射线散射实时跟踪了液液相分离的过程，并结合凝胶排阻色谱与核磁波谱分析了聚合过程的动力学增长曲线，发现该体系先形成凝聚体液滴，随后驱动开环聚合与链增长，伴随着液滴融合和体系粘度变大，体系聚合动力学变慢，最终在陈化过夜后形成热力学稳定的水凝胶网络。有趣地是，得到的水凝胶网络在除水干燥后，得到的干凝胶能够在紫外光照（365 nm）下，自发解聚变回初始油状单体（纯度超过95%），该过程不需要额外催化剂、引发剂或溶剂。为了理解这一过程，研究人员设计了一系列参比实验，并通过合成单体类似物进行了X射线单晶衍射分析，确定了分子间氢键决定的二硫五元环空间组装朝向起到了决定性的作用，该结构也对于课题组前期提出的“超分子化学回收”概念（Nat. Nanotech. 2025, 20, 1805-1812）普适性进行了再次验证。该体系将二硫动态聚合与液液相分离结合到一起，解决了聚二硫动态高分子在水相中不稳定、难合成的问题，实现了高分子量、热力学稳定的聚二硫水凝胶的高效简易合成，得到的水凝胶材料有望应用于细胞外基质、生物医用材料等场景。
该论文第一作者为博士研究生蒋子劢，通讯作者为张琦教授。该工作得到了田禾院士、费林加教授、曲大辉教授的指导和支持，并受到了国家自然科学基金等项目的资助。
原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c15613
