关于“手性继承效应在基于反应性胱氨酸的共组装系统中”研究的学术报告
一、 研究团队与发表信息 本研究的主要作者为山东大学化学与化工学院的Zhuoer Wang、Changyu Chu、Aiyou Hao和Pengyao Xing（通讯作者）。其中，Zhuoer Wang与Changyu Chu为共同第一作者。该研究成果以题为“Chiral inheritance effect in the reactive cystine-based coassembly system”的论文形式，于2026年发表在*Nature Communications*期刊上。目前，该论文处于“in press”（付印前）阶段，文中所展示的是未经最终编辑的版本。
二、 学术背景与研究目的 本研究属于超分子化学、手性材料科学和固态/受限态化学反应的交叉领域。在材料科学中，设计和制备具有刺激响应性的智能材料是一个核心方向，其中，在固态或分子聚集态（即受限环境）下实现可控的化学反应尤为关键。与溶液相反应不同，受限环境中的分子扩散和碰撞受到极大限制，通常导致反应效率低下。然而，这种受限环境也提供了独特的优势，例如通过空间限制来引导超分子组装，实现特殊的（如手性）光学性质，并可能稳定在溶液中无法获得的中间体或产物结构。
尽管已有一些反应（如光[2+2]环加成、点击反应）在固态或受限环境中被成功应用，但如何将更广泛的合成化学反应引入到软物质或介观组装体系中，并利用这些反应动态调控材料的结构与功能，特别是超分子手性的演化，仍是一个巨大挑战。超分子手性因其可调、可逆和刺激响应特性，在自适应光学器件、手性光学开关和智能传感器等领域具有广阔应用前景。然而，通过化学反应（尤其是共价反应）来介导超分子手性演化，并实现对手性光学性质的精确控制，相关研究仍处于探索阶段。
本研究旨在解决上述挑战。研究团队设计并利用一种芳香族胱氨酸衍生物（文中称为 SS）作为核心构筑基元。SS 分子中含有动态的二硫键和可发生芳香亲核取代反应（SNAr）的潜在位点。研究的具体目标是：1）探索在超分子自组装体内部，能否高效进行二硫键还原和SNAr等多步共价反应；2）研究这些“自上而下”的原位化学反应如何影响纳米结构的演化；3）更重要的是，探究在反应过程中，初始组装体的手性信息（如螺旋性、圆二色性信号）能否“遗传”或“模板化”给反应后的新组装体，即实现“手性继承效应”。该研究不仅致力于拓展受限环境中的高效化学反应类型，更希望揭示化学反应介导的超分子手性演化新机制，为设计新型智能手性光学材料提供新策略。
三、 详细研究流程与方法 本研究是一个系统的、多步骤的实验工作，其流程可概括为以下几个核心部分：
1. 分子设计与基本反应验证： * 研究对象： 核心分子为一种吡喃修饰的胱氨酸衍生物 SS，以及作为客体的五氟吡啶 PFP。对照分子包括还原产物 SH（二硫键断裂后得到）和最终SNAr反应产物 SPFP。 * 实验方法： 首先在溶液（DMSO）中验证 SS 与还原剂三(2-羧乙基)膦 TCEP 的反应。通过核磁共振氢谱（¹H NMR）和高分辨质谱（HRMS）监测，确认二硫键可被定量、快速地还原为巯基（-SH），生成 SH。同时，验证了 SH 与 PFP 在弱碱（NaHCO₃）和温和加热条件下可发生SNAr反应，生成 SPFP，并通过¹H NMR、¹⁹F NMR和HRMS对产物进行了充分表征。这些基础溶液化学实验证明了所涉及反应路径的可行性。
2. 自组装体的制备与表征： * 组装方法： 采用经典的溶剂置换法。将 SS、SH 或 SPFP 的DMSO储备液注入水中（DMSO/水体积比为1:9），通过老化形成自组装体。对于共组装体系，将 SS 与 PFP 在DMSO中混合后再注入水中，形成 SS/PFP 共组装体。 * 表征手段： * 形态学： 使用扫描电子显微镜（SEM）观察不同组装体的纳米形貌（如纤维、微棒等）及其宏观手性（如螺旋纤维的左右旋性）。 * 光谱学： 利用紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）、荧光光谱、傅里叶变换红外光谱（FTIR）监测组装过程中的分子堆积和能量转移（如激基缔合物发射）。 * 手性光学性质： 通过圆二色光谱（CD）和圆偏振发光光谱（CPL）定量表征超分子手性的强度、信号特征和不对称因子（g-factor）。 * 结构分析： 采用掠入射广角X射线散射（GIWAXS）技术，获取组装体内部详细的、各向异性的分子堆积信息（如层间距、π-π堆积距离），从晶体学层面解析结构差异。
3. “原位”化学转化与“手性继承”效应研究： 这是本研究的核心创新流程，分为两个层次： * 层次一：单组分体系（SS → SH）的原位转化。 * 流程： 首先制备好 SS 的自组装体（具有特定的纳米纤维形貌和强手性光学信号）。然后，直接向该组装体悬浮液中加入还原剂 TCEP，在聚集态下进行原位还原反应。 * 关键分析： 通过高效液相色谱（HPLC）分析离心收集的固体产物，证实即使在固态下，SS 到 SH 的转化率也接近定量。更重要的是，对比“原位转化”得到的 SH_in-situ 与“预先合成再组装”得到的 SH 在形貌、CD/CPL信号上的差异。研究发现，SH_in-situ 的CD谱图形状与 SS 更为相似，且CPL手性与 SS 相同，而与 SH 相反。这直接证明了初始 SS 组装体的手性模板作用。 * 层次二：双组分体系（SS/PFP → SH/PFP → SPFP）的级联原位转化。 * 流程： 首先制备 SS/PFP 共组装体。然后进行两步原位反应：第一步，加入 TCEP 将 SS 还原为 SH，得到 SH/PFP 共组装体；第二步，加入 NaHCO₃ 并温和加热，触发 SH 的巯基与 PFP 发生SNAr反应，生成 SPFP。 * 关键分析： 通过HPLC定量分析最终产物的组成，确认在聚集态下，从 SS/PFP 到 SPFP 的总转化率可达67%。同样，对比“原位两步法”得到的 SPFP_in-situ 与“预先合成 SPFP 再组装”得到的 SPFP。结果显示，SPFP_in-situ 的CPL不对称因子（g ~ ±5×10⁻³）显著强于 SPFP（g ~ ±2×10⁻³），且其纳米结构继承了起始 SS/PFP 的手性特征（如扭曲结构），而 SPFP 自身组装则形成无手性表达的直纤维。
4. 理论计算模拟： * 方法： 采用分子动力学（MD）模拟，对 SS、SH、SS/PFP、SH/PFP 和 SPFP 五个体系在相同条件下的自组装过程进行模拟。 * 分析内容： 通过分析模拟快照、静电势（ESP）、氢键数量、溶剂可及表面积（SASA）以及径向分布函数（RDF），从分子层面揭示了驱动组装的非共价相互作用。例如，ESP计算显示 PFP 存在强π-空穴区域（+42.3 kcal/mol），而吡喃为富电子区域（-16.0 kcal/mol），两者之间存在强烈的π-空穴/π相互作用，这与共组装实验现象吻合。RDF分析则定量给出了不同体系中芳香环之间的特征堆积距离。
四、 主要研究结果及其逻辑关联 1. 二硫键在组装体内的有效断裂与手性继承： 实验结果证实，TCEP 不仅能高效断裂溶液中 SS 的二硫键，在 SS 的固态聚集体中也能实现近定量转化（HPLC数据支持）。这一“原位”化学反应引发了纳米结构的深刻变革：SS 自组装形成扭曲的螺旋纳米纤维，而 SH（预合成后组装）则形成无宏观手性的微米棒。然而，关键发现在于，通过“原位转化”途径得到的 SH_in-situ，其手性光学性质（CD和CPL）与起始的 SS 模板高度相关，表现出相同的手性符号，而与直接组装的 SH 不同。GIWAXS数据进一步佐证了这种结构上的“遗传”：SH_in-situ 的散射图案既不同于 SS，也不同于 SH，显示出独特的、受模板影响的分子堆积参数（如出现12.3 Å和10.3 Å的较大层间距）。这些结果首次在单组分体系中清晰证明了通过“自上而下”的原位化学反应，可以实现超分子手性从反应前驱体到产物的“继承”。
2. π-空穴/π相互作用驱动的共组装及其反应性： 引入客体分子 PFP 后，SS 与 PFP 通过强烈的π-空穴/π相互作用形成共组装体 SS/PFP，其形貌仍为手性螺旋纤维。这一结果为后续的多步反应提供了更复杂的模板环境。在 SS/PFP 共组装体中，TCEP 同样能高效地将 SS 还原为 SH，形成 SH/PFP 共组装体。荧光光谱显示，此过程中激基缔合物发射减弱，单体发射增强，表明分子堆积发生变化。然而，CD光谱在还原前后变化不大，再次暗示了手性模板的稳定性。这为下一步反应奠定了基础。
3. 受限态下的高效SNAr反应与级联手性继承： 在 SH/PFP 共组装体中加入弱碱 NaHCO₃ 并加热，成功地在聚集态下触发了巯基对 PFP 的SNAr反应，生成 SPFP。HPLC分析表明，从 SS/PFP 出发，经过还原和SNAr两步原位反应，最终 SPFP 的产率高达67%，证明了在受限的超分子环境中进行复杂共价反应的可行性。这是本研究在方法学上的一个重要突破。更为重要的是，手性继承效应在级联反应中得到了延续。最终产物 SPFP_in-situ（通过原位两步法获得）展现出比直接由 SPFP 分子组装的样品更强的CPL信号和不同的纳米形貌（保留了扭曲结构）。这表明，即使经过多步化学转化，初始手性模板（SS/PFP）的结构信息仍然能够被传递和保留，最终影响产物的超分子手性表达。
4. 分子模拟对相互作用和组装机理的阐释： MD模拟结果从理论上支持了上述实验观察。ESP图直观展示了 PFP 与吡喃之间强烈的静电互补性。RDF分析表明，SS/PFP 共组装体中，吡喃与 PFP 之间在0.36 nm处存在强相关性峰，证实了π-空穴/π相互作用主导的交替堆积阵列。对于 SPFP 体系，模拟显示分子内折叠和分子间组装共存，其堆积模式与 SS 或 SH 均不同，这与GIWAXS和光谱结果一致。模拟还显示，从 SS 到 SH 的转化增加了亲水溶剂可及表面积，解释了其形貌从纤维向更大尺寸晶体转变的部分原因。
五、 研究结论与价值意义 本研究的核心结论是：在基于芳香族胱氨酸衍生物的自组装系统中，可以实现高效、多步的“自上而下”原位共价化学反应（二硫键还原与SNAr反应）。更重要的是，研究揭示并证实了强烈的“手性继承效应”：即反应前驱体自组装体所具备的手性超结构，能够作为牺牲模板，引导和“遗传”给通过原位化学反应生成的新产物的组装体，从而决定最终材料的手性光学性质（如CPL手性和强度）和纳米形貌。这种效应与传统的“自下而上”直接组装路径产生的结果截然不同。
科学价值： 1. 拓展了受限态化学反应的范畴： 成功将二硫键化学和SNAr反应引入到动态超分子组装体系中，并实现了较高的转化效率，为在软物质和介观尺度下进行复杂合成提供了新范例。 2. 揭示了化学反应介导的手性演化新机制： 明确提出了“手性继承”与“模板化”效应，强调了材料制备“路径依赖”的重要性。这为理解超分子手性的动态构建与调控提供了新视角。 3. 连接了超分子化学与合成化学： 将非共价组装与共价化学反应有机结合，展示了如何利用超分子环境来控制反应进程和产物结构，反之亦利用化学反应来重塑和演化超分子结构。
应用潜力： 1. 智能手性光学材料： 基于该体系对氧化还原和pH/热的双重响应性，可开发多刺激响应的手性光学开关或传感器。 2. 信息加密与防伪： 研究中展示的“路径依赖”手性光学性质可用于高级信息加密。例如，SS 组装体（绿色荧光）经 TCEP 处理后变为 SH_in-situ（蓝色荧光），其荧光颜色与直接组装的 SH 相同，但二者手性光学信号不同。因此，仅凭荧光颜色无法解密，必须通过CD或CPL光谱读取“路径”信息才能还原隐藏内容，安全性更高。 3. 可控纳米结构合成： “手性继承”效应为合成具有特定手性形貌的纳米材料提供了一种新策略，即通过设计具有特定手性的前驱体模板，经化学反应“铸造”出目标产物纳米结构。
六、 研究亮点 1. 概念创新： 首次在超分子共组装体系中系统性地提出并实验验证了多步原位化学反应下的“手性继承效应”，强调了材料合成路径对最终功能的决定性作用。 2. 方法创新： 实现了在超分子聚集态下高达67%产率的级联共价反应（还原+SNAr），突破了固态/受限态反应效率低的传统认知。 3. 体系设计精巧： 所选用的 SS 分子集成了多个功能单元：二硫键（动态、可还原）、吡喃（发光、π-堆积、手性表达）、氨基酸（氢键、组装驱动力），并能与 PFP 通过特异性π-空穴/π相互作用共组装，为多步反应和复杂行为提供了完美的分子平台。 4. 表征全面深入： 结合了从溶液到固态、从宏观性质（CD/CPL）到微观结构（SEM/GIWAXS）、从实验观察到理论模拟（MD/DFT）的多层次、多维度表征手段，为结论提供了坚实、立体的证据链。 5. 功能展示明确： 不仅停留在机理阐述，还具体演示了基于该原理的荧光-手性双模式信息加密应用，体现了基础研究向应用拓展的潜力。
七、 其他有价值的内容 本研究还观察到一个有趣的现象：在自组装的初始阶段，体系经历了液-液相分离（LLPS）过程。原位CD/UV-Vis监测发现，CD信号（特别是350 nm处的Cotton效应）在LLPS过程中发生了剧烈变化甚至完全反转，随后才达到稳定。这表明LLPS这一动态受限环境深刻影响了分子堆积模式、相互作用势垒和成核路径，使得竞争性的手性构象得以出现，并最终筛选出热力学或动力学上更有利的手性结果。这一发现将超分子手性的演化与更广泛的软物质物理过程（相分离）联系起来，增加了研究的深度和复杂性。