【人物与科研】浙江大学高超课题组：序列精确可控的单分散聚季铵盐的合成

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读博士不易，做合成更难，一切好工作都源于坚持。高超老师感慨学生赵博能一直坚持完成这项挑战性工作，特赋诗一首。

七律·读博

赠赵博

赵博不怕合成难，勇克六年九道关。

单体分离求至纯，聚合反应追高产。

除铜降解需心细，质谱凝胶尝胆寒。

铁杵成针不是梦，精诚开启金石山。

导语

人工合成序列精确可控的大分子，是高分子合成领域的一个重要课题。在现有的合成方法中，绝大多数合成所得的序列聚合物不带电荷，一些仿DNA的聚合物在主链上带有负电荷，而由于合成及表征的困难，主链带有阳离子的序列单分散聚合物在过去仍无人合成。

近日，浙江大学纳米高分子高超课题组通过交替进行季铵化反应以及铜催化的叠氮-炔点击反应，合成了一系列序列精确可控的阳离子聚合物。该合成方法具有高产率（单步产率超过95%）、高产量（可实现质量为克级的反应）、结构可精确设计（包括侧链、端基、拓扑结构等）、提纯简单、反应条件温和等优势。该工作以“Scalable Synthesis of Positively Charged Sequence-Defined Functional Polymers”为题发表在J. Am. Chem. Soc.上（DOI: 10.1021/jacs.9b00172）。

高超教授课题组简介

浙江大学高分子科学与工程学系纳米高分子课题组成立于2008年，由国家杰出青年基金、万人计划入选者高超教授领衔。目前建有石墨烯组装（A. Lab）、石墨烯复合材料（C. Lab）、新能源材料（E. Lab）3个实验室。课题组代表性成果有氧化石墨烯液晶、石墨烯纤维及其它石墨烯宏观组装体（如石墨烯无纺布、石墨烯组装膜及超轻石墨烯气凝胶）、铝—石墨烯电池等。课题组秉承“First, Best, Most”3T科研精神和“发奋、发现、发明、发达”4发科研理念，聚焦石墨烯，拥抱新时代，助飞中国梦！团队微信公众号：纳米高分子高超课题组。

高超教授简介

高超，浙江大学求是特聘教授、博导，浙江省科协第十届委员会委员、常委，浙江大学学术委员会委员，第二批国家“万人计划”入选者。担任Nano-Micro Letters、《中国科学·化学》、《功能高分子学报》等期刊编委。2001年获上海交通大学博士学位，主要从事石墨烯化学与组装等方面研究。在Sci. Adv., Nat. Commun., Adv. Mater., Acc. Chem. Res.等期刊发表SCI论文200余篇，获得中国发明专利授权56项。入选科技部“创新人才推进计划中青年科技创新领军人才”、“浙江省151人才工程第一层次培养人员”、“Academician of Asia-Pacific Academy of Materials（APAM）”，获得 “钱宝钧纤维材料青年学者奖”、“Gold Kangaroo World Innovation Award”、“第十二届浙江省青年科技奖”等荣誉。

前沿科研成果

序列精确可控的单分散聚季铵盐的合成

为了通过简易的合成及提纯方法来获得目标产物，团队设计了一种全新的极性反转合成策略，采用丙炔溴以及合成的叠氮-胺单体，交替进行季铵化反应和叠氮-炔点击反应，来合成单分散聚合物。由于聚季铵盐为强极性化合物，而单体为弱极性化合物，这导致了它们在弱极性溶剂（例如乙醚）中可通过简单的沉淀及离心操作来分离。通过分子设计，合成中使用的季铵化反应及叠氮-炔点击反应在DMF等强极性溶剂中均为100%完成度，且反应进行迅速，使得反应过程中无低分子量聚合物残留，保证了其单分散性以及高产率。由于叠氮-胺单体自带叔胺基团，因此无需像传统铜催化的叠氮-炔点击反应那样加入胺类络合剂，过量的单体自身即可实现络合剂的功能，避免了额外的杂质引入。

图1. 单体结构及合成策略

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

团队通过此方法合成了具有12个重复单元、分子量达到4800的聚合物。通过进行核磁（NMR）、凝胶渗透色谱（GPC）、红外（IR）、质谱（Maldi-Tof MS）等表征，所有产物的单分散性均可以得到证明。

通过单体结构设计，可在聚合物中引入不同的侧链基团，并自由完成序列设计。聚合物的拓扑结构也可以通过调整起始单元来控制，确保了聚合物的高度可设计性，活性端基及活性侧基也为后续的进一步改性提供了广阔的空间。

图2. Maldi-Tof中季铵键的异裂及GPC、Maldi-Tof图谱

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

阳离子聚合物的质谱表征在过去一直是一个难题。团队采用双三氟甲烷磺酰亚胺锂（LiTf₂N）对合成的聚合物进行阴离子交换，发现置换后的聚合物可以获得良好的Maldi-Tof图谱。研究发现，阴离子为Tf₂N^-的单分散聚季铵盐在Maldi-Tof质谱检测中，季铵键会产生异裂，形成一系列有规律的单电荷碎片峰。通过计算这些碎片峰之间的间隔，再结合单体的分子量数据，聚合物的序列顺序就可以被读取出来。这种编码方式无需回溯聚合物的合成历史，也不需要复杂的计算，仅通过读取Maldi-Tof图谱即可完成解码，使这种序列阳离子聚合物成为了一种优秀的信息传递载体。

图3. 不同侧链和拓扑结构的序列聚季铵盐的GPC、Maldi-Tof图谱

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

初步的基因转染实验表明，随着分子量的上升，聚合物带来的基因转染效率也有明显提升。在生物应用领域，团队合成所得的水溶性单分散阳离子聚合物展现出了良好的潜力，例如可在侧链连接上碱基对，以合成阳离子主链类DNA聚合物，或通过精确设计，使所得的序列聚合物与特定的DNA或SiRNA产生互相作用。

本工作成功设计了一种全新的极性反转合成策略，并获得了一系列序列精确控制的单分散聚季铵盐。这种合成策略具有高延展性，聚合物的主链、侧链、端基和拓扑结构均可被调控，为此类阳离子单分散聚合物的进一步改性及应用打下了基础。可以预见，在信息编码、基因转染、载药等领域，这种单分散聚合物将会在未来有非常好的应用前景。

关于人物与科研

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