天津工业大学刘义教授团队《自然·通讯》：仿生手性氢键框架结构

手性作为自然界的基本属性，在揭示生命起源和宇宙演变等基础前沿科学问题中起着至关重要的作用。手性结构和材料的开发也一直是化学、材料、生物、医学、药学及其交叉学科领域的研究前沿和热点。然而，由于手性基元具有低对称性、非平面结构及易变构象的高熵势垒，通过组装构建具有预制组分、结构及性质的手性纳米结构仍是一个重大挑战。

受启发于自然界氨基酸到蛋白质的自组装过程，最近，天津工业大学化学学院的刘义教授团队联合国家纳米科学中心唐智勇院士和天津大学赵美廷教授团队，提出了一种基于氢键的仿生自组装策略，成功组装构筑了一系列新型的手性氢键有机无机框架结构（HOIFs）（图1）。相关成果以“Biomimetic chiral hydrogen-bonded organic-inorganic frameworks”为题发表在《Nature Communications》上，郭俊教授为第一作者兼通讯作者。

图1. (a) 氨基酸组装演变成蛋白质的示意图。(b) 仿生组装策略构建手性HOIFs的示意图。

受益于氢键的动态特征，所构筑的手性HOIFs具有“解组装-重组装”的可逆特性以及组装依赖的手性光学活性（包括手性荧光活性）。如图2所示，HOIFs能够通过强质子性溶剂的氢键竞争，解组装形成单结构基元的手性纳米链结构；又可通过非质子性溶剂的诱导，重组装成三维框架结构，并且伴随组装依赖的荧光活性。

图2. HOIFs解组装成手性纳米链结构及组装依赖的荧光活性。

结合组装动态和光学特性，HOIFs可进一步实现对小位阻手性脂肪族对映体的高效手性识别，并且通过“解组装-重组装”的可逆性，实现了HOIFs材料的自清洁和回收利用，在至少三次手性识别和检测循环中，HOIFs不降低手性识别的选择性（图3）。

图3. HOIFs对脂肪族底物的手性识别及回收循环利用效果。

最后，通过纳瓦级等温滴定量热仪（nano-ITC）结合理论模拟，揭示了HOIFs手性识别的热力学机制和手性识别位点。

图4. 热力学机制和理论模拟的手性识别位点。

本研究提出的仿生自组装策略不仅为设计和构建动态手性氢键结构提供了新思路，所开发的手性结构在手性识别、对映体分离、光学器件、不对称催化及其他手性相关的应用中也表现出广阔的应用前景。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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