分子拔河：Nat. Chem.报道分子结的机械化学性能

近日，英国皇家科学院和欧洲科学院院士、华东师范大学化学与分子工程学院David Leigh（李大为）教授、华东师范大学化学与分子工程学院张敏研究员与曼彻斯特大学Guillaume De Bo教授合作，首次报道了分子水平上反手结（overhand knot）的机械断裂速率和机制，证实结结构能显著削弱分子链的机械性能，并导致原本稳定的化学键因应力积累发生特异性断裂。相关研究成果以华东师范大学为第一单位发表于Nature Chemistry 杂志。

结结构导致聚合物分子链因应力积累发生特异性断裂。图片来源：Nat. Chem.

结（knot）广泛存在于生活中，小到鞋带大至航海或攀登山峰所用的绳索，无一不证明结具有十分重要的用途。这类宏观的结结构相比于其线性结构，往往具有较弱的机械性能。在微观层面，分子结（Molecular knot）亦存在于DNA、蛋白质和一些长链高分子中。结结构的存在，会直接影响这些分子的性质，特别是其机械强度能显著影响高分子材料的性能，因而对分子结的机械性能研究具有重要意义。

由于分子结的复杂性，长期以来，其研究受限于设计和开发高效的合成路线，来有效合成这类分子。作为分子拓扑学方向的奠基者和开拓者，李大为教授在构筑纳米结构的分子结和探索其性质和功能方向做出了卓越的贡献。包括，人工合成“五叶结”分子，并研究其模拟生物异构酶的催化性质（Science, 2016, 352, 1555，点击阅读详细）；合成由192个原子连续组成的八个交叉点的分子结8₁₉，该结构被美国化学会评选为“2017年度分子”（Science, 2017, 355, 159，点击阅读详细）；立体选择性合成当时世界上最复杂的分子结：含9个交叉点的复合结“+3₁#+3₁#+3₁”和环状[3]索烃9₇³链（Nat. Chem., 2018, 10, 1083，点击阅读详细）；用一条分子链打出的多种分子结（Nature, 2020, 584, 562，点击阅读详细）；纳米“中国结”的合成（Nat. Chem., 2021, 13, 117，点击阅读详细）；利用Vernier模板法得到了具有六个交叉点的祖母结，以及具有十二个交叉点的三曲腿结（Science, 2022, 375, 1035，点击阅读详细）。

Vernier模板法合成大分子结示意图。图片来源：Dr. Stefan Borsley, Leigh Group

相较于分子结的复杂性，机械互锁体系中的另外两类结构——轮烷和锁烃的合成相对较易，早期作者团队对这两类结构的机械性能也做了相关探索（J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 5029; J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 15879; J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 12724.），最近也报道了基于轮烷的力致可控释放体系（Nature, 2024, 628, 320, 点击阅读详细）。

在对分子结的合成的充分认识基础之上，该研究团队对结的相关机械性能也产生了浓厚兴趣。由于分子结具有蛇形蠕动（reptation）以及沿分子链伸缩/扩张的特性，他们设计利用机械门控基团（Diels–Alder环）锁住反手结，形成一个闭环的三叶结（trefoil knot，最简单也最广泛存在的一种结结构），以保证在受力之前结的完整性。随后通过高分子力化学中常用的超声波所产生的沿高分子链传播的剪切力，探究反手结的机械力化学活性。机械力通常沿着其最短距离进行传播，因而具有机械力化学活性的门控基团会首先发生DA开环反应，随后力传导到分子结，使结结构发生拉伸和扭曲，并最终导致结结构中连接中间萘环的C-O键发生断裂。

机械门控分子结的设计及受力过程。图片来源：Nat. Chem.

作者分别合成了聚合物分子量相近、机械门控三叶结居中的线性高分子聚合物，以及合成分子结的线性配体和单独门控分子居中的线性高分子，并分别比较了这三类分子的机械力化学活性。超声实验结果证实分子结的断裂速率与门控分子相同，且显著高于线性配体（> 2.6倍）。这表明结结构能显著降低分子链的机械活性。更进一步的，也表明分子结的断裂与门控结构的断裂发生在同一次的拉伸事件中，并且DA门控分子的断裂是决速步骤。因为任何门控基团断裂，而结不断裂的情况下，将导致分子结解结（unravel）形成线性分子链，则其断裂速率应显著下降。

对比超声前后的核磁谱图，作者确认了DA门控基团开环之后的特征峰，但由于分子结的复杂性，无法进一步分析断裂位点。随后，作者通过水解反应，将断裂之后的片段从高分子链中分离出来，再通过核磁图谱和高分辨质谱，确认了三个明显的断裂片段。它们共同指向断裂位点位于分子结中连接中间萘环的C-O键，表明结主要围绕中心吡啶单元发生收缩。由于反手结具有高度对称性，四个C-O键均有可能在某一单次拉伸中发生断裂。同时由于分子结的蠕动性，作者也表明不排除有少量分子结发生移位并断裂在其他位点。线性配体超声前后的核磁谱图则没有任何变化，结合理论计算，表明线性配体分子自身具有较强的机械性能，在力的作用下不发生断裂，取而代之的是聚合物骨架的随机断裂。这也充分表明结结构的存在导致原本稳定的C-O键发生了特异性断裂。

机械门控分子结的机械力化学活性。图片来源：Nat. Chem.

随后通过理论计算（CoGEF），作者对这一力致断裂机制进行了详细解释。在外在拉力下，分子结的孔穴发生收缩，导致乙二醇基团的移动受限，并被拉伸变形，尤其明显的是连接中心萘环的C-O-C键角从自由态的109°被拉伸至断裂前的140°，该萘基团也从自由态的180°弯曲至145°。这一区域的应力累积，最终导致该C-O键发生异裂，形成的正负离子分别被吡啶上氮孤对电子和酰胺NH通过氢键作用所稳定。计算得出该反手分子结断裂的最大力为2.9nN (F_max = 2.9nN)，显著小于DA开环所需的拉力 (F_max = 3.7nN)，位于目前已开发的高活性力敏基团之列。这也从侧面印证了门控基团的断裂是决速步骤。

CoGEF计算。图片来源：Nat. Chem.

小结

物质在不同的尺寸层面常常表现出不一样的性质，例如宏观体系中的摩擦力和惯性可以使结结构保持稳定，在分子水平中则不适用。而本文的研究表明，分子结的断裂与宏观体系中绳结的断裂具有类似效果，展现出不同尺度之间的相互联系。该研究首次证实结结构能显著提高分子链的机械化学活性，其作用能导致原本稳定的化学键因应力积累发生特异性断裂。这一结论对高分子聚合物和其他含有分子结结构的体系的研究具有重要的指导意义。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Mechanical scission of a knotted polymer

Min Zhang, Robert Nixon, Fredrik Schaufelberger, Lucian Pirvu, Guillaume De Bo & David A. Leigh 

Nat. Chem., 2024, DOI: 10.1038/s41557-024-01510-3

导师介绍

张敏研究员

https://faculty.ecnu.edu.cn/_s34/zm2_24047/main.psp 

David A. Leigh（李大为）教授

https://www.x-mol.com/university/faculty/2423 

http://www.catenane.net/index.html 

Guillaume De Bo 教授

https://www.deboresearchgroup.com/guillaume.html 

https://www.x-mol.com/university/faculty/384550