华东理工团队合成“类多肽”动态高分子：可折叠、可解构，破解双动态协同难题

华东理工大学化学与分子工程学院/费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心张琦、曲大辉团队，与本·费林加（Ben Feringa）合作，在《Nature Chemistry》发表题为“Dual dynamic helical poly(disulfide)s with conformational adaptivity and configurational recyclability”的研究成果。该团队成功合成一种完全人工设计的双动态螺旋聚二硫高分子——它既能在溶液中像蛋白质多肽链一样发生α-螺旋折叠，又能可控解构回初始小分子单体，实现了共价键与非共价键在微观可逆性上的协同调控，为超分子化学领域的“双动态聚合物”设计提供了突破性解决方案。

论文第一作者兼通讯作者为张琦教授，共同通讯作者为曲大辉教授与本·费林加教授。研究获国家自然科学基金、上海市科学技术委员会等项目资助，实验过程中还得到罗马尼亚巴比什-波雅依大学、荷兰阿姆斯特丹大学及中国散裂中子源等机构的技术支持。

一、研究背景：生物启发的“双动态”挑战

共价键与非共价键的协同作用是生命系统的核心特征：例如蛋白质通过氨基酸序列调控氢键，形成α-螺旋、β-折叠等动态构象；DNA依靠碱基互补配对形成双螺旋，同时提升主链稳定性。而人工合成高分子长期面临“两难”：

• 非共价键超分子聚合物：依赖弱相互作用组装，在稀释、加热下易解聚，稳定性不足；

• 高键能共价螺旋聚合物（如聚异腈、聚苯乙炔）：结构固定，一旦形成难以动态重构和解聚，缺乏构型灵活性。

因此，设计兼具“构象适应性”（如多肽折叠）与“构型 recyclability”（如单体回收）的双动态聚合物，成为超分子化学领域的关键科学难题。

二、技术突破：从分子设计到“双动态”实现

团队长期深耕“二硫动态化学”，此前已基于天然小分子硫辛酸开发出自修复材料、可循环高分子等，但聚硫辛酸主链因缺乏立体规整性，难以实现精准构象调控。为突破这一瓶颈，研究团队通过多轮分子工程设计，最终实现目标：

1. 单体设计：解决“立体规整聚合”难题

研究人员摒弃硫辛酸的烷基链结构，从头合成五元环状二硫单体——将羧基直接修饰在二硫五元环β位，先解决α-硫辛酸难以立体规整开环聚合的本征问题；后续进一步优化，设计出可高效聚合的AA系列单体，并在侧链引入氨基酸基元（兼具手性导向与氢键功能），为螺旋折叠奠定基础。

2. 双动态功能：折叠与解构的协同

合成的螺旋聚二硫在溶液中展现出类似生物大分子的双重动态性：

• 构象折叠：侧链酰胺基团形成类似β-折叠的分子内氢键，驱动聚二硫主链精准折叠成α-螺旋；侧链氨基酸的手性中心还能通过氢键阵列传递手性信息，使主链二硫键在电子圆二色光谱上呈现显著手性信号；

• 构型解构：通过调控条件，聚合物可完全解聚为初始小分子单体，实现“合成-折叠-解构-回收”的闭环。

三、机制解析：热力学模型揭示协同本质

为阐明共价键与非共价键的协同规律，研究团队采用二维核磁、电子圆二色、振动圆二色、中子小角散射等多技术联用表征，并开展热力学分析：

• 发现单体-聚合物的热力学平衡符合非线性范特霍夫方程（非天然体系中罕见）；

• 以“热容变（ΔCₚ）”定量描述动态共价键与非共价键的协同作用强度，为双动态化学系统建立了可预测的热力学模型，为后续同类材料设计提供理论依据。

四、成果意义：从基础研究到应用潜力

该研究不仅解决了人工高分子“双动态”设计的科学难题，还具有多重价值：

• 理论层面：提供了研究动态共价-非共价协同作用的理想模型体系，为理解生物高分子的复杂性与动态行为提供参考；

• 应用层面：双动态螺旋聚二硫兼具稳定性与灵活性，未来有望在 chiral传感、不对称催化、可循环功能材料等领域展现应用潜力，尤其为“环境友好型高分子材料”研发开辟新路径。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41557-025-01947-0