香港科大任咏华《Chemical Science》：基于可逆共价键的新型DNA 超分子水凝胶
研究背景
多吡啶二价铂配合物具有多样化的光谱性质和优异的发光性能，是一类重要的金属配合物(Chem. Rev., 2015, 115, 7589)。该配合物在固态和溶液条件下均能通过非共价的金属-金属和 π-π 堆积作用形成有序聚集体，金属-金属相互作用的形成通常伴随体系近红外发光性质的出现。通过金属-金属相互作用，基于多吡啶二价铂配合物的分子构造、液晶、纳米结构和超分子凝胶相继被报道。二价铂的超分子凝胶展现出丰富的光物理性能，但其他性能研究报道很少，仅有热响应的凝胶-溶胶转变行为报道。
近期在超分子组装领域，出现了一类有趣的超分子体系，它们具有复杂的动力学路径(Nature, 2012, 481, 492)。这类超分子体系的中间态和终止态往往具有迥然不同的性质，这意味着人们可以通过对体系动力学的控制，获得热力学设计所无法获得的性质，对于新材料研发具有重要意义。另一方面，还出现了“燃料”驱动的超分子体系(Science, 2015, 349, 1075)，某些特定的化学试剂与超分子体系偶合，通过化学试剂与超分子单元的化学反应驱动超分子体系的性质转变，超分子体系性质不再受热力学因素控制，而完全由“燃料”浓度和化学反应动力学操控，这为超分子体系的行为调控和软物质材料的设计提供了全新的思路。
研究发现
香港大学任咏华课题组的研究人员在制备三联吡啶炔化铂(图 1)和双链 DNA 的嵌入化合物时，意外发现，黄色的铂配合物 1 溶液加入到 DNA 水溶液中，首先出现的是棕色的凝胶状物质，随着搅拌，凝胶状物质逐渐消失，最后形成黄色清澈溶液。对凝胶形成及自发解离过程的光谱研究表明(图 2)，铂配合物从初始的单体态经由凝胶聚集态到最终 DNA 嵌入态，整个过程并无化学反应发生。铂配合物的超分子状态的转变引起了研究人员对于体系凝胶行为的兴趣。
▲ | 图 1. 铂配合物的化学结构 |
▲ | 图 2. 三联吡啶炔化铂 1 从初始的单体态经由凝胶聚集态到最终 DNA 嵌入态的吸收(a)和发射(b)光谱变化 |
通过调节投料浓度和 DNA/ 铂配比，在 DNA 碱基对和铂配合物 1:1 摩尔比时，研究人员获得了在水中长时间稳定的水凝胶。一系列结构表征实验表明(图 3)，该水凝胶是 DNA 为连续相的超分子水凝胶，铂配合物在其中通过金属-金属和 π-π 作用而堆积成二维六方柱状相，铂柱状相带有多重正电荷，与 DNA 链通过静电吸引而起到非共价交联剂的作用。
▲ | 图 3. 由三联吡啶炔化铂非共价交联的 DNA 超分子水凝胶的透射电镜、选区电子衍射和粉末 X- 射线衍射实验结果 |
在过量 DNA 存在的情况下，由于 DNA 和三联吡啶炔化铂的嵌入作用强于金属-金属和π-π堆积作用，竞争的结果使 DNA 超分子水凝胶发生解离而形成清澈的 DNA- 铂嵌入化合物黄色溶液(图 4)。改变三联吡啶炔化铂的结构，引入较为疏水的铂配合物 2 作为非共价交联剂，可以提高 DNA 超分子水凝胶在过量 DNA 溶液中的稳定性，从而调控水凝胶解离的动力学。
▲ | 图 4. 三联吡啶炔化铂和 DNA 体系的超分子行为。铂配合物首先通过金属-金属和 π-π 堆积作用而非共价交联双链 DNA，得到的 DNA 超分子水凝胶在过量 DNA 存在下，由于 DNA 和铂配合物的嵌入作用对金属-金属和 π-π 堆积的竞争，DNA 超分子水凝胶发生解离。 |
当研究人员把三联吡啶炔化铂换成二苯并咪唑吡啶氯化铂时(图 1)，二苯并咪唑吡啶氯化铂亦可通过堆积聚集形成 DNA 超分子水凝胶的非共价交联剂，且在交联点处形成强烈的金属-金属和 π-π 堆积作用，过量 DNA 水溶液都不足以破坏交联点，由二苯并咪唑吡啶氯化铂非共价交联的 DNA 超分子水凝胶具有较高的稳定性。
有趣的是，将二苯并咪唑吡啶氯化铂非共价交联的 DNA 超分子水凝胶浸泡在谷胱甘肽水溶液中，发现随着浸泡时间的延长，浸泡液中检测到由 DNA 水凝胶解离出来的游离铂配合物，实际上是谷胱甘肽的巯基和二苯并咪唑吡啶氯化铂配合物上的氯发生配体交换，赋予铂配合物极大亲水性，并降低铂配合物的平面性，大大削弱铂配合物间的金属-金属和 π-π 堆积作用，使 DNA 超分子水凝胶发生解离(图 5)。这种通过化学反应操控金属-金属作用的方式在铂的超分子体系中鲜有报道，为这类体系的研究提供了全新的思路。谷胱甘肽常被用于氧化还原响应体系的刺激性试剂，在这个工作中，研究人员利用二价铂和谷胱甘肽巯基的软酸软碱组合，赋予超分子体系响应性能，体现了鲜明的配位化学特色。
▲ | 图 5. 二苯并咪唑吡啶氯化铂和 DNA 的超分子体系。二苯并咪唑吡啶氯化铂通过金属-金属和 π-π 堆积作用，非共价交联 DNA 而得到稳定的 DNA 超分子水凝胶。该水凝胶在谷胱甘肽水溶液中由于配体交换反应而发生解离。 |
研究结论
香港大学任咏华课题组利用实验中的偶然发现，通过铂配合物的金属-金属和 π-π 堆积作用，开发了一类用于制备 DNA 超分子水凝胶的二价铂非共价交联剂。获得的 DNA 超分子水凝胶具有优异的发光性能和良好的加工性质。通过调节二价铂非共价交联剂的结构，以及引入 DNA 嵌入作用和配体交换反应，可以很好的调节 DNA 超分子水凝胶的超分子行为和性能。由于采用二元超分子体系，可灵活选择所需的超分子单元，用模块化制备手段，通过少量的化学合成，即可得到一系列性质丰富的超分子材料。这项工作为超分子材料，特别是含金属的超分子体系的设计，提供了全新的研究思路。
论文信息
Platinum(II) non-covalent crosslinkers for supramolecular DNA hydrogels
Kaka Zhang (张卡卡，香港大学化学系博士后，现为中国科学院上海有机化学研究所研究员) and Vivian Wing-Wah Yam *(任咏华，香港大学化学系教授，中国科学院院士)
http://dx.doi.org/10.1039/C9SC05910E