分子鏈末端帶有大位阻端基，并且諸多主體環(huán)分子可以在客體鏈分子上自由滑動(dòng)的結(jié)構(gòu)被稱為聚輪烷。作為一類典型的機(jī)械互鎖聚合物（mechanically interlocked polymers），環(huán)糊精基聚輪烷（cyclodextrin based polyrotaxanes, CD-PRs）在傳感器、仿生材料、高性能水凝膠以及儲(chǔ)能器件等領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力。然而，傳統(tǒng)的環(huán)糊精基聚輪烷合成通常采用兩步法：首先在水相中組裝形成聚偽輪烷（polypseudorotaxanes, PPRs），然后在有機(jī)相中封端轉(zhuǎn)化為聚輪烷。但是這種方法不僅費(fèi)時(shí)且調(diào)控穿環(huán)率復(fù)雜，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。 近日，四川大學(xué)的李龍玉特聘研究員課題組開發(fā)出了一種通過行星離心式混合器，快速制備聚偽輪烷的新策略，并采用水溶性封端分子谷胱甘肽（GSH）通過硫醇-烯點(diǎn)擊反應(yīng)一鍋法合成環(huán)糊精基聚輪烷。值得一提的是，GSH作為封端分子，在室溫下能夠有效防止環(huán)糊精從聚乙二醇（PEG）鏈上脫落，而加熱可以精確控制環(huán)糊精的脫落速率。這一過程使得所制備的亞穩(wěn)態(tài)聚輪烷具有可調(diào)的穿環(huán)率，拓寬了其在不同應(yīng)用領(lǐng)域中的潛在適用性。
圖1. 一鍋法制備GSH封端的具有可調(diào)穿環(huán)率的亞穩(wěn)態(tài)聚輪烷。行星離心式混合顯著縮短了聚乙二醇（PEG）和α-環(huán)糊精（α-CD）組裝成聚偽輪烷（PPRs）的時(shí)間。 作者首先使用4kDa分子量的PEG進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。并通過核磁、PXRD和DSC驗(yàn)證了聚輪烷的成功合成（圖2），在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步采用不同分子量（2 kDa、20 kDa 和 35 kDa）的PEG 和各種末端雙鍵，如丙烯酸、巴豆酸和烯戊酸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，證明了該方法的普適性。 圖2. PEG4k-(Nor)2, α-CD, PR4k的(a) 核磁譜圖, (b) PXRD譜圖, 以及PEG4k-(Nor)2, PR4k的DSC譜圖 通過直接加熱核磁管樣品，我們?cè)诤舜殴舱癫ㄗV中觀察到對(duì)應(yīng)于游離 α-CD 的尖銳峰，這顯示在加熱條件下α-CD 環(huán)能繞過 GSH 末端，從 PEG 鏈上脫落。為進(jìn)一步研究溫度對(duì)脫線速率的影響，我們進(jìn)行了額外的核磁實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，室溫下每隔 1 小時(shí)進(jìn)行的測(cè)試所得的四組數(shù)據(jù)圖基本重合（圖3a），說明 GSH 在室溫下可以起到有效封端的作用。而在90°C加熱條件下，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，樣品中游離的α-CD數(shù)量增加增多（圖3b）。通過對(duì)不同加熱時(shí)間下的樣品進(jìn)行透析純化，我們獲得到了一系列穿環(huán)率不同的亞穩(wěn)態(tài)聚輪烷（圖3c）。 圖3. 亞穩(wěn)態(tài)聚輪烷不同溫度下在時(shí)間尺度上的穿環(huán)率變化情況的核磁疊加譜圖. 在該工作中，李龍玉研究員及其團(tuán)隊(duì)首次將行星離心式混合技術(shù)應(yīng)用于聚偽輪烷的制備過程中，將PEG和α-CD的自組裝時(shí)間從超過一天縮短至僅2分鐘。接著，通過點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了一鍋法高效制備聚輪烷，為聚輪烷在功能性超分子材料中的實(shí)際應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此外，研究團(tuán)隊(duì)證明了谷胱甘肽作為末端分子可以實(shí)現(xiàn)穿環(huán)率的精確調(diào)控，為糊精基聚輪烷在藥物緩釋和性能可調(diào)的亞穩(wěn)態(tài)凝膠的制備提供了一種有效策略。 論文信息 Efficient Synthesis of Metastable Cyclodextrin-Based Polyrotaxanes with Tunable Threading Ratios Bo Qiao, Qinghong Zeng, Dr. Longyu Li Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202412839
