上海交大冯传良教授课题组在仿生手性水凝胶领域取得重要研究进展

近日，《德国应用化学》以“Metal-Ion-Mediated Supramolecular Chirality of L-Phenylalanine Based Hydrogels”为题，在线报道了上海交通大学材料科学与工程学院冯传良教授课题组在仿生手性水凝胶领域取得的重要进展(Angew. Chem. Int. Ed., DOI:10.1002/anie.201800251)。

近年来，通过双亲性分子、π共轭分子、树枝化分子以及多组分共组装等制得了大量的手性纳米结构。然而，手性纳米结构的合成过程比较复杂、手性具有偶然性且不易被调控。由于制备方法的简单，利用金属离子来影响组装体手性开始引起了关注。尽管如此，在手性控制、螺距和直径的调节以及金属离子的选择等方面仍存在很大的局限性。

基于此，上海交通大学冯传良教授课题组设计并合成了基于苯丙氨酸衍生物的凝胶因子，可通过分子间氢键作用自组装。尤其是，该类凝胶因子两臂末端羧基与各类不同的金属离子配位相互作用。在不同种类金属离子存在的情况下，该类凝胶因子可自组装得到手性相反的纳米带状结构以及非扭曲的纳米纤维，且螺距和直径的尺寸相差较大。另外，在不改变分子手性的前提下，仅仅改变其非手性取代基，与同一金属离子作用亦可得到手性相反的纳米带状结构。

图1. 图示L型对应体与不同离子组装形成手性纳米结构，M代表左旋纳米结构，P代表右旋纳米结构。离子不同，所形成手性结构不同。此外，不同离子与同一个手性凝胶因子自组装，可引起手性的翻转。

图2. 凝胶因子与不同离子形成的凝胶扫描电镜图LPF/Ba2+, LPF/Mn2+, LPF/Al3+，LPF/Tb3+,LPPG/Ba2+, LPPG/Mn2+, LPPG/Al3+ LPPG/Tb3+。不同的手性纳米纤维结构可以清晰的分辨。

通过红外光谱和X射线衍射分析表明，不同种类金属离子与凝胶因子末端羧基配位会影响分子间氢键作用，且配位作用的强弱对凝胶因子的组装有很大影响，甚至会改变其基本的组装结构。因此，金属配合物组装体的手性以及形貌取决于特定的堆积方式，而其堆积方式是由酰胺键之间的氢键作用以及羧基与金属离子之间的配位作用共同决定的。

图3. (a) LPF和(b)LPPG 与Ba2+, Mn2+, Al3+ and Tb3+分别形成的水凝胶红外谱图。不同离子的使用，由于氢键的相互作用，可引起凝胶因子在特定位置的吸收强度和位置发生明显的翻转。

图4. LPF (a) 和 LPPG (b) 与 Ba2+, Mn2+, Al3+， Tb3+ 离子形成的自组装体的XRD谱图。

通过合理设计手性凝胶因子的化学结构与组份，可实现与更广泛的离子进行组织，为更加简洁有效制备手性特征可控的水凝胶提供了思路，这为手性水凝胶在生物医学研究领域开拓了方向。该工作第一作者为博士生王芳，通讯作者是冯传良教授。该研究成果得到了国家自然科学基金、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。

论文链接：

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201800251/full

来源：上海交通大学