奇偶效应诱导的苯丙氨酸类水凝胶手性反转

    手性反转是生命体中一种重要的现象，比如右手螺旋B-DNA与左手螺旋的Z-DNA之间的转化对基因复制的影响，以及右手螺旋和左手螺旋α-proteins的变换会导致蛋白变性。启发于这些高度复杂的生物螺旋与相应的螺旋手性反转的现象，设计合成螺旋手性可控的人工系统和模拟自然系统开发手性功能器件，是化学、生物化学和材料科学的新挑战和新的研究热点领域。在这方面，结构多样刺激响应性的超分子体系提供了很好的载体，而现有的研究超分子手性反转的文献，主要是利用对映体分子构建体系、或轻微的分子结构变化、溶剂、温度、客体分子、光照和pH等变量都可以引起螺旋结构的反转。但现有的这些体系具有生物相容性差、结构不稳定以及操作困难的缺点，限制了其在生物医学研究领域的应用。因此，设计合成新型的生物相容性良好的手性反转可控体系是人们目前一直所追求的目标。

图1  水凝胶手性反转可控体系的设计思路

     基于上述背景，上海交通大学冯传良教授课题组在《高分子学报》2018年第1期“聚氨基酸”专辑的特约论文中利用酰胺基(CONH)与脲基(NHCONH)之间的奇偶效应，设计合成酰胺基或脲基共价连接L-苯丙氨酸和苯环，外围为二甘醇胺和3-氨基-1,2-丙二醇的a-BDFAE、u-BDFAE、a-BDFAP和u-BDFAP 4种凝胶因子，通过改变L-苯丙氨酸手性碳与刚性苯环之间的NH奇偶数，实现了超分子组装体的手性反转可控。

图2  凝胶因子分子结构及a-BDFAE、u-BDFAE、a-BDFAP和u-BDFAP水凝胶照片
 

    文中通过圆二色光谱(CD)对a-BDFAE、u-BDFAE、a-BDFAP和u-BDFAP水凝胶状态下聚集体的超分子手性进行了测试分析。结果显示酰胺键修饰的a-BDFAE和a-BDFAP在208 nm、230 nmz左右出现了2个负的弱Cotton效应峰，在295 nm附近出现一个正的强Cotton效应峰；而脲基修饰的u-BDFAE和u-BDFAP在208 nm、228 nmz左右出现了2个正的弱Cotton效应峰，在275 nm附近出现一个负的弱Cotton效应峰。基于相同构型的L-苯丙酸合成得到的4种凝胶因子，分子层面的手性是相同的，区别在于脲基修饰的u-BDFAE和u-BDFAP比a-BDFAE和a-BDFAP多一个NH基团, CD谱图曲线信号显示两者具有一定的非镜像对称，产生了手性反转。酰胺键(CONH)与脲基(NHCONH)基团之间的奇偶效应改变了L-苯丙氨酸的手性碳与刚性苯环之间的空间距离，引发了组装分子之间的空间构象变化，造成了超分子组装体的手性反转。

图3  4种水凝胶的圆二色图谱
 

    通过扫描电镜(SEM)对凝胶a-BDFAE、u-BDFAE、a-BDFAP和u-BDFAP的微观形貌进行了表征分析。结果显示a-BDFAE和a-BDFAP凝胶的纳米纤维为右手螺旋，而u-BDFAE和u-BDFAP凝胶中纤维没有观察到螺旋结构。根据文献报道，这是由于脲基功能化的u-BDFAE和u-BDFAP凝胶因子比酰胺基功能化的a-BDFAE和a-BDFAP多了一对NH，这增加了分子间的氢键，拉近了分子间的距离，导致组装分子之间非常紧凑，不容易形成螺旋的凝胶纤维。

图4  4种凝胶因子干凝胶的扫描电镜图片

    另外，还利用UV-Vis来研究凝胶因子的组装模式，酰胺键修饰的a-BDFAE和a-BDFAP的组装体相对于凝胶因子单体吸收信号发生红移，表明二者采用了J式组装模式。而脲基修饰的u-BDFAE和u-BDFAP的组装体相对于凝胶因子单体吸收信号发生蓝移，表明二者采用了H式组装模式。

刘进营博士生是该论文的第一作者，冯传良教授为通讯作者。该项工作得到国家自然科学基金(基金号 51573092, 51273111)、上海市教育委员会科研创新计划重大项目和上海高校特聘教授(东方学者)岗位计划资助。

参考文献

Liu Jinying, Qin Minggao, Dang-i Y. Auphedeous, Liu Zhiwei, Dou Xiaoqiu, Feng Chuanliang. Inversion of Supramolecular Chirality of Nanofibrous Structures Tuned by the Odd-Even Effects among Bis-amide and Bis-urea. Acta Polymerica Sinica, 2018, (1): 80 - 89