以連續(xù)碳碳鍵為骨架的聚合物是使用最廣泛的人造材料之一，例如聚苯乙烯、聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等，然而，傳統(tǒng)的合成技術(shù)均無法制備出單序列的聚合物或類似物?？茖W(xué)家們已經(jīng)證實(shí)人造DNA和小分子機(jī)器可以沿著軌道移動(dòng)，迭代分離和連接嵌段，制備具有特定序列的單分散低聚物和轉(zhuǎn)錄多分散性的聚合物。并且小分子軌道機(jī)器可以像核糖體一樣，通過酰胺鍵將所有的嵌段鏈接起來。
近日，英國曼徹斯特大學(xué)教授、英國皇家科學(xué)院院士、歐洲科學(xué)院院士David A. Leigh教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種最新的人造分子機(jī)器，它可以沿著分子軌道迭代地連接嵌段，制備出具有連續(xù)碳碳鍵骨架的單序列低聚物。這是繼分子機(jī)器模擬核糖體合成短肽等研究碩果之后，Leigh教授團(tuán)隊(duì)在人工合成上的又一關(guān)鍵突破，為傳統(tǒng)的合成功能分子材料方法帶來全新的思路和重大的變革。相關(guān)研究以題為“A Track-Based Molecular Synthesizer that Builds a Single-Sequence Oligomer through Iterative Carbon-Carbon Bond Formation”發(fā)表在《Chem》上。
首先，大環(huán)分子2經(jīng)逐步CuAAC點(diǎn)擊反應(yīng)制得一種機(jī)械互鎖輪烷1，如圖1 所示，它是由特定序列的磷?鹽構(gòu)成的線性分子和大環(huán)分子互鎖形成，大環(huán)分子能夠在線性分子軸上自由移動(dòng)，并且各磷?鹽和大環(huán)分子上均含有活性醛基。大環(huán)分子沿著線性軸向另一端移動(dòng)，當(dāng)遇到特定的2,2-二苯丙烷磷酸?鹽阻礙其繼續(xù)移動(dòng)時(shí)，大環(huán)上的醛基與該磷酸?鹽進(jìn)行Wittig反應(yīng)，生成三苯基氧膦和“臂”增長的大環(huán)分子，新大環(huán)分子跨越此障礙后繼續(xù)向下移動(dòng)，遇到下一個(gè)特定磷酸?鹽阻擋時(shí)，將重復(fù)類似Wittig反應(yīng)，生成“臂”更長的大環(huán)。如此一來，大環(huán)分子通過連續(xù)的Wittig反應(yīng)跨過所有磷?鹽基團(tuán)，直到軸的另一端，最終可得到具有連續(xù)碳碳鍵骨架的單序列低聚物7。
圖1. 分子機(jī)器合成單序列低聚物示意圖。
此外，研究者們還巧妙地設(shè)計(jì)一、二和三嵌段輪烷11、12和14，如圖2所示，通過類似Wittig反應(yīng)，最終制得具有連續(xù)碳碳鍵骨架的一、二和三嵌段低聚物10、13和15。
圖2. 分子機(jī)器分別合成一、二和三嵌段單序列低聚物示意圖。
當(dāng)反應(yīng)結(jié)束后用凝膠色譜儀對產(chǎn)物7和線性分子軸8進(jìn)行分離，MS/MS表征發(fā)現(xiàn)，低聚物7嚴(yán)格按照預(yù)期的聚合物骨架順序依次進(jìn)行分裂，證明了分子機(jī)器操作的序列完整性，如圖3A-3C所示。在蛋白質(zhì)中，一個(gè)氨基酸的遺漏或是序列錯(cuò)位，將直接引起一個(gè)關(guān)鍵功能的缺失或改變。盡管研究者們可以有效地操控低聚物7的序列，但是相比于蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)而言，目前的研究依然存在很多弊端。例如，分子模擬計(jì)算表明低聚物7的Z型立體異構(gòu)體均呈現(xiàn)出α螺旋構(gòu)像（圖3D和E），而在實(shí)際操作過程中卻很難明確地分辨出低聚物7中烯烴立體異構(gòu)體。因此，精確調(diào)控鏈二級結(jié)構(gòu)將是分子機(jī)器合成連續(xù)碳碳鍵骨架的低聚物和聚合物的下一個(gè)重大挑戰(zhàn)。
圖3. 單序列低聚物的結(jié)構(gòu)表征。
研究者們精妙地結(jié)合輪烷和逐步Wittig反應(yīng)，首次制備了連續(xù)碳碳鍵骨架的低聚物，這是生物體系都未能實(shí)現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)模式，這項(xiàng)研究對探索特定分子合成以及序列完整性具有開拓性的意義。
