生物技术启发的拓扑合成高分子制备及构效关系研究
批准号:
22101010
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
邵宇
依托单位:
学科分类:
高分子合成
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
邵宇
中文摘要
拓扑结构是调控高分子性质的独特维度,但复杂拓扑高分子的合成仍存在极大挑战,主要在于难以实现高分子构象的精准控制与位点特异性的高效偶联。本项目受天然拓扑蛋白质的形成机制启发,拟将生物技术(包括方便分离或方便切割的多肽标签、可发生定点偶联的多肽标签以及可实现缠绕偶联的主动模板等)应用于水溶性合成高分子(如聚乙二醇)中,通过多肽片段的折叠及其与酶的特异性识别,辅以高效的点击化学工具以及金属离子配位的超分子模板,实现拓扑合成的高选择性和高效率,简化其纯化步骤,从而制备一系列传统方法难以获得的模型(多)索烃拓扑高分子,并通过变化其分子量、化学组成、连环数目等,初步探究(多)索烃高分子的结晶性、相分离、动力学等物理特性,提炼拓扑结构性能关系及其內秉规律,以期发现新奇的分子性质和物理图景,具有重要的理论和实践意义。
英文摘要
Topology is a unique dimension in macromolecular engineering. While there has been tremendous progress in the synthesis of polymers with relatively simple topologies (e.g., linear, branched and cyclic), it remains a daunting challenge to synthesize polymers with complex topologies, such as links or knots. The problem mainly lies in the difficulty in the precise manipulation of polymer chain conformation and site-specific ligation. Inspired by the formation mechanism of both natural and artificial topological proteins, we wish to apply the chemical tools in biotechnology to synthetic macromolecules to address these challenges. Such tools include the peptide tags for selective purification, for selective cleavage by proteases, for site-specific ligation, and for “active-template” synthesis of heterocatenanes. In this proposal, we plan to attach these peptide tags onto water-soluble polymers such as poly(ethylene glycol) and prepare a series of polymers with complex topology that are otherwise difficult to prepare by conventional methods, such as [n]catenane. The synthesis is empowered by the synergy between peptide/metal-ligand assembly and efficient reactions. The complication in purification is circumvented by selective purification with peptide tags and the characterization of topology is facilitated by enzyme-mediated transformations. This project will give a library of model topological polymers with various molecular weight, chemical composition, and topology for a systematic study on their physical properties, such as crystallinity, phase separation, kinetics, and for revealing the topological effects on structure-property relationship. Through these efforts, we aim to discover novel molecular properties and physical pictures from such unconventional macromolecules.
复杂拓扑结构的合成是高分子化学的重大挑战。研究拓扑构效关系是高分子科学的前沿热点。然而,复杂拓扑结构的制备仍存在诸多难点。天然生物大分子展现出惊人的结构复杂性和拓扑多样性,该多样性对生命体系中“智能”的涌现也表现出重要指导意义。受此启发,本项目开展了复杂拓扑结构构筑、拓扑分子构效关系等方面的研究,具体发现及意义如下:.1).在生物大分子拓扑结构研究方面,发展了不同特性的蛋白质正交主动模板反应元件并在此基础上成功实现异质索烃和高阶索烃化蛋白质大分子的胞内合成,如蛋白质异质[3]索烃以及对称、非对称奥林匹克五环[5] 索烃等。这些高阶索烃可以在不同位置融合多种功能蛋白质,后续有望应用到流线型催化反应、配体多价展示及分子协同变构等方面,此外,也为高度复杂的机械互锁结构的合成开辟了新的途径,有助于未来进一步探索与运用拓扑蛋白质的独特功能优势。.2).在巨型分子研究方面,开发了一系列Bola状拓扑大分子,通过自组装实现亚5纳米的周期排列结构,实现了层状结构的垂直取向。发现拓扑分支结构稳定了某些非常规的柱状相,例如独特的类石墨烯蜂窝结构和四方柱状结构,有望作为图案化模板应用在纳米制造领域中。未来的挑战包括改进相图以解耦支化度φ和体积分数fPS对自组装的影响,发现新的非常规相,以及探索这些有趣的二维形态的薄膜自组装。此外,完成了A4B区域异构大分子的制备并探究了其对Frank-Kasper相中的A15和Sigma相形成的指导作用,该工作实现单一位点的构型异构化调控以及探究其对分子非传统自组织结构影响这一极具挑战性的研究。.3).积极开展了对“智能”的物质基础的讨论,智能物质是由分子组装而成的复杂物质体系, 包含传感、存储和驱动基元及其之间的相互作用网络。复杂相互作用导致“涌现”现象的产生,使智能物质能够胜任特定的功能,并可实现自主的学习、适应和进化。智能物质的研究是物质科学的机遇与挑战, 也是人工智能领域的新方向。
面向亚5纳米尺度二维密铺相的巨型分子拓扑改造及精密合成
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批准号:22371009
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项目类别:面上项目
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资助金额:50万元
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批准年份:2023
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负责人:邵宇
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依托单位:
国内基金
海外基金