东南大学提出利用超分子自组装驱动力控制化学反应区域选择性概念

近日，国际顶级学术期刊《Nature Communications》在线发表了东南大学数字医学工程全国重点实验室/生物科学与医学工程学院梁高林教授课题组的一项最新研究成果，论文标题为《Assembly drives regioselective azide-alkyne cycloaddition reaction》。该文章提出了一个利用超分子自组装驱动力控制化学反应区域选择性的概念。根据这一想法，作者在无金属催化或加热的条件下实现了水溶液中超分子自组装诱导的、区域选择性的叠氮-炔基环加成反应。（Nat. Commun. 2023，DOI: 10.1038/s41467-023-39658-0）。

叠氮-炔环加成反应是合成含氮杂环化合物的一种非常常见的有机反应，但常受到其反应速度(环境温度下)和产物的低区域选择性的限制。虽然高温可以加速反应，但会降低反应的选择性。而金属离子的催化由于不具有生物亲和性，也限制了其在体内的进一步应用。因此，迫切需要开发一种生物兼容的无金属叠氮-炔环加成反应。自组装是一个由热力学和动力学驱动的自发过程，由各种非共价相互作用(如氢键、π-π堆积、静电相互作用、疏水相互作用和范德华力)的协同效应实现并决定最终形成的纳米结构的热力学稳定性和最小能量状态，随后自发地、分层地组装成功能超分子材料。因此，应用超分子自组装或其非共价作用来实现生物安全的化学反应是一种有潜力的策略。

针对这一科学问题，梁高林教授课题组设计和实现了基于超分子自组装的叠氮-炔基环加成反应，在无金属催化的条件下实现了反应的高区域选择性。作者分别设计合成了三种自组装单体：Nap-FFK-Azi（含叠氮基），Nap-FFG-Alk（含炔基）以及他们的环加成产物Nap-FFK-Tria-GFF-Nap（见图a），利用超分子自组装的性质实现无金属的叠氮-炔基环加成反应（见图b）。在水溶液中，Nap-FFK-Azi或Nap-FFG-Alk自发地组装成有序的纳米纤维，在非共价相互作用吸引下，周围的单体持续被吸引到纳米纤维附近，分子间距离的减小允许有效的分子碰撞，促进了环加成反应的发生。随着自组装和环加成反应的进行，纤细的纳米纤维转变为较宽的纳米带，这种形貌转变也印证了组装驱动的环加成反应的发生（见图c）。这项工作提出了一种利用超分子自组装的优异性质来实现免金属离子催化的反应新策略，为发展生物兼容的点击反应提供了全新的思路。

该论文共同第一作者是东南大学博士生蒋翘楚和副研究员占文俊博士。东南大学首席教授、数字医学工程全国重点实验室副主任梁高林为文章的唯一通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金重点项目和面上项目的资助。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-39658-0

(来源：东南大学 版权属原作者 谨致谢意）