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方面取得研究进展。相关研究成果以“Supramolecular Chemical Ligation of Helical Polymers”为题在线发表于《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology, 2026,10.1038/s41565-026-02310-1）。
螺旋二级结构在生物高分子（如蛋白质、DNA）中广泛存在。通过人工化学合成手段制备具有螺旋手性结构的非天然高分子，不仅为理解生物高分子构造基础具有基础研究意义，而且能通过功能涌现进一步拓展手性功能材料的应用前景。在螺旋高分子合成中，随着分子量的增加，多官能团之间的弱相互作用模式呈现指数性增长，这使得聚合物主链的反应活性位点经常被“包埋”到高分子结构内部，难以进一步发生链增长反应。例如在多肽合成中，液相反应一般只适用于10个残基以下的多肽合成，进一步的缩合修饰反应活性会由于链构象明显降低。1994年美国芝加哥大学StephenB.H. Kent等人提出“天然化学连接”（NativeChemical Ligation, NCL）策略（Science 1994,266, 776），将硫酯和半胱氨酸之间的高效连接反应应用于多肽的片段化合成，研发出目前广泛使用的多肽片段连接以及蛋白质化学合成技术。然而，非天然螺旋高分子的“片段化”化学连接合成方法仍然具有基本挑战。
在此背景下，团队成员提出“超分子化学连接”（SupramolecularChemical Ligation, SCL）策略实现高分子量螺旋聚合物的片段化连接合成，即通过非共价相互作用驱动螺旋高分子的超分子液晶聚合，克服其活性末端反应所需的高活化熵，使其能够在室温或低温条件下通过活性末端的动态二硫交换反应实现高分子片段的高效化学连接和分子量成倍增长。基于课题组前期开发的螺旋聚二硫体系（Nat.Chem. 2025, 17, 1462–1468），研究人员聚焦其中侧链具有二肽结构的螺旋聚二硫结构，利用核磁波谱以及凝胶渗透色谱研究了其从小分子单体到平衡态聚合物的动力学增长规律，发现该体系不同于经典的活性聚合体系，分子量与单体转化率随着时间的增长曲线展现“先活性聚合、再缩合聚合”的阶段性规律，且最终平衡态的聚合物分子量似乎与单体、引发剂比例无关。这一异常现象引起了团队人员的研究兴趣，通过大量参比实验以及系统的溶液相散射实验，发现了该高分子体系在浓溶液中会通过分子间弱相互作用，发生液晶超分子聚合，这一非共价预组装过程为聚合物末端的动态共价二硫交换反应提供了模板作用，促进了主链聚二硫的缩合聚合反应。基于这一发现，研究人员进一步开发了面向动态聚二硫的超分子化学连接合成新方法，将初始分子量的螺旋聚二硫高分子溶液通过浓缩、降温手段驱动其液晶超分子预组装，随后加入催化量有机碱活化末端硫醇-二硫交换反应，即可在热力学驱动下，实现螺旋聚二硫主链分子量的成倍增长，且由于二硫键的本征动态性，形成的化学连接点与主链分子结构保持一致。得到的高分子量螺旋聚二硫不仅在溶液中具有类似球状蛋白的高级折叠结构，同时其体相聚合物薄膜展现出独特的热致硬化性质，体现了通过超分子化学连接形成的高分子量螺旋聚合物结构在促进材料功能涌现方面的潜力。
该论文第一作者为博士研究生马敏毅，通讯作者为张琦教授、费林加教授。软物质溶液表征方面得到中国科学院上海高研院李娜研究员、复旦大学高分子科学系徐一飞研究员的大力支持。该工作得到了田禾院士、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资助。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41565-026-02310-1
