巨型分子異構體的精準合成與可控組裝

邵 宇，楊曙光，張文彬

(1.北京大學化學與分子工程學院 軟物質科學與工程中心 高分子化學與物理教育部重點實驗室，北京 100871)(2.東華大學先進低維材料中心 材料科學與工程學院 纖維改性國家重點實驗室，上海 201620)

1 前 言

同分異構是化學中十分重要的現象(圖1)[1-5]。任何具有相同化學組成但鍵連方式不同的分子均可稱為同分異構體。它主要分為兩類：構造異構體和立體異構體。前者具有不同的原子鍵連方式，后者具有相同的原子鍵連方式，但不同的三維分子結構。可想而知，同分異構體具有相同的化學組成和相似的理化性質，因此其分離制備具有較大的難度。在某些情況下，不同的異構體具有截然不同的性質。比如，具有不同手性的對映異構體中，可能一個具有藥用價值，而另一個則具有毒性。異構體的選擇性合成一直是有機化學的主題。而在高分子化學中，人們對異構體的關注相對較少。這一方面是由于隨著分子尺寸的增加，所有可能的異構體的數目急劇增加，其精準合成更具挑戰性，極為復雜；另一方面，合成大分子的性質對于精細的結構差別并不敏感，而更依賴于單體間集合的物理相互作用。比如，高分子鏈上手性中心的規整度可分為無規、間規、全同等，它很大程度上決定了高分子的物理性質，包括結晶性、機械強度等。但是單一位點的結構差異通常不會對整個合成高分子鏈的行為和功能產生很大的影響。相反，生物高分子(比如蛋白質)具有高度的組成異質性和結構精確性，對其結構的細微差別極為敏感。因此，在大分子科學中，同分異構現象一直是非常重要，但卻進展較少的研究方向。

圖1 化學中常見的同分異構現象：(a)構造異構體(鄰、間、對；連、偏、均)；(b)立體異構體(全同、間同、無規)Fig.1 Common structural isomers in chemistry:(a)configurational isomers;(b)stereoisomers

近年來，一類被稱之為“巨型分子”的化合物異軍突起，填補了小分子和傳統聚合物之間的空白。巨型分子是基于分子納米粒子而構筑的一類精密結構大分子，包括巨型表面活性劑、巨型多面體、巨型形狀兩性體、巨型不對稱(Janus)粒子等。分子納米粒子是具有精確化學組成和剛性三維骨架的納米基元，主要包括但不限于多面體寡聚倍半硅氧烷(POSS)、富勒烯、多金屬氧酸鹽(POM)以及折疊球蛋白等[6,7]。它們與傳統聚合物的無規線團具有不同的物理圖景，是不可穿透、難以變形的一類納米基元，因此在組裝上也呈現出不同的特性，比如易于形成多級結構、組裝結構較容易預測、容易誘導形成非傳統相態以及組裝對于一級結構較為敏感等特性。尤其是這種敏感性使得巨型分子在這方面更類似于小分子。這就提供了一個研究精細結構差別對大分子組裝影響的平臺。

巨型分子異構體的合成并不容易，往往涉及到多步驟的合成以及繁瑣的色譜分離過程。盡管如此，相比于傳統聚合物，巨型分子的精密合成仍具有相當的優勢。這不僅僅得益于點擊化學以及其他多種高效的化學轉化方法，還因為多種分子納米粒子區域異構體的合成也已經取得了長足的進展，提供了豐富多彩的基元。這包括區域選擇性官能化的富勒烯C60[8]、籠狀碳硼烷[9]、金剛烷[10]、多金屬氧酸鹽[11]等衍生物。由于其雜化的分子骨架和簡便的化學修飾方法，利用POSS作為基元進行巨型分子區域異構體的合成具有獨特的優勢。但POSS區域異構體的合成一直是巨大的挑戰。研究者們早已做了諸多的嘗試，如選擇性合成對位[12,13]、鄰位[14]異構體以及“double-decker”POSS的結構[15]，在籠狀結構上選擇性斷鍵重構[16,17]，利用半籠狀前驅體[18,19]或空間匹配性[20]合成Janus型異構體等，然而其仍存在分離難、產量低、合成機理不明確、官能團無法進一步修飾、無法得到完整系列的異構體等問題，限制了其更廣泛的應用，并缺乏系統的對比研究。針對這些問題，近年來的研究工作在其精準合成和可控組裝上都取得了不少的進步。本綜述將詳細總結這方面的工作，討論其中的關鍵與得失，提煉更為深入的科學問題，為進一步的工作建言獻策。

2 巨型分子區域異構體的精準合成

2.1 分子納米粒子構筑單元的合成及表征

基于POSS的分子納米粒子區域異構體的合成難點主要在于不同異構體之間的分離。以具有中心對稱結構的立方體型T8-POSS為例，若其8個頂點的硅連有不同取代基團時會產生一系列的區域異構體。如圖2所示，以兩種官能團比例分別為1∶7,2∶6以及3∶5的分子為例，可分別得到1個,3個以及3個具有不同對稱性的區域異構體[21]，其分離極具挑戰性。為方便分離和后續官能化，POSS頂點處連接的官能團應滿足以下條件：其一，具有高反應性，方便后續官能化；其二，具有一定的極性，使得不同的異構體具有不同極性，可簡單有效地分離。經過篩選，發現羥基官能化的八乙烯基POSS可滿足以上要求。事實上，早在20世紀90年代，Feher等就利用三氟甲磺酸處理八乙烯基POSS，制備出羥基與雙鍵的比例為1∶7的單加成產物[22]。但他未能分離出其他多加成產物。作者課題組通過改進其實驗條件、控制投料比以及反應時間，大大提高了3種兩取代異構體的產量，進一步利用柱色譜分離最先得到產量可觀的所有區域異構體[23]。根據羥基在POSS立方體上位置的不同，它們分別記為對位(para-)、間位(meta-)以及鄰位(ortho-)。而在三取代異構體中，則根據羥基位置兩兩不同命名為鄰鄰間-(oom-)、鄰間對-(omp-)和間間間-(mmm-)。值得一提的是，在苯環三取代異構體的傳統命名法中，用“連”(vicinal，或vic-)代表取代基團在1、2、3位；用“偏”(unsymmetrical，或unsym-)表示3個基團在1、2、4位；用“均”(symmetrical，或sym-)表示取代基在1、3、5位。類比下，“連”可對應“鄰鄰間-”，“偏” 可對應“鄰間對-”，而“均”可對應“間間間-”。考慮到POSS的三維結構，對硅原子進行編號再命名會顯得冗長，因此采用這種相對位置命名法更為形象。無獨有偶，在同樣具有三維立體結構的多取代籠狀碳硼烷結構中，研究者也采用了更為直觀的相對位置命名法[9]。

圖2 以中心對稱(Oh)的T8-POSS為原料，通過隨機打破對稱性的方法，制備對位、鄰位、間位二加成異構體以及鄰間對-、鄰鄰間-、間間間-三加成異構體[23]Fig.2 Breaking the cubic symmetry of T8-POSS (Oh)to C3v for the monoadduct;D3d (para-),C2v (ortho-),and C2v (meta-)for diadducts;and C3v (omp-),Cs (oom-),and Cs(mmm-)for triadducts[23].Reprinted with permission from [23],copyright (2015)John Wiley &Sons,Inc

這些區域異構體可通過快速色譜法較為容易地分離。其中，T8V6(OH)2及T8V5(OH)3的極性關系為para-

核磁共振硅譜是表征POSS區域異構體最為簡便直接的方法。當與硅直接相連的碳具有不同的雜化狀態時，硅的化學位移就具有明顯的不同。sp2的雙鍵碳具有更強的去屏蔽效應，會導致硅向低場方向移動至-68 ppm附近。而與sp3碳連接的硅原子則出現在高場的-80 ppm附近。由于POSS具有剛性的骨架，因此，即使對于不同的異構體而言，只要硅原子具有同樣的化學環境，它在硅譜中就只出現一個峰。這可以與其對稱性完美地匹配，不僅適用于二取代異構體(圖3)，還適用于三取代異構體。事實上，根據異構體的對稱性，可以初步判斷硅譜的峰數以及強度[23]。

深入分析表明這一系列區域異構體還存在更為定量的關系[25]。為了探討硅原子在不同異構體中化學位移與化學環境之間的關系，將特定硅原子(Siw)的化學環境描述為W(XXX)(YYY)Z，比如，如果A基團為雙鍵，B基團為羥乙基，則可表示為Siw(A3-xBx)(A3-yBy)(A1-zBz)，其中x，y=0，1，2，3，z=0，1(圖4a)。于是，可以一個特殊的結構參數n來定義其化學環境：

n=0.2x+y+0.02z

(1)

其中x，y，z的指前因子并無特別重要的意義，主要是避免n出現重復值，并方便在一個圖表中展示所有的數據及其規律。以化學位移δ對n做圖，發現δ值與x，y都呈現很好的線性關系，并且不同組之間線性擬合得到的斜率近乎相等，而對于z則很不敏感(圖4b)。這一方面證實了歸屬的正確性，一方面也說明剛性的POSS籠子使得硅原子周圍不同取代基的影響具有很好的線性加和性。有趣的是，利用這張圖，甚至可以預測其他區域異構體的化學位移與譜圖樣式。

圖3 3種二加成異構體在氘代氯仿溶劑中的核磁共振硅譜以及不同化學環境硅原子的歸屬[23]Fig.3 29Si NMR spectra of T8V6(OH)2 diadducts in CDCl3,the assignment of silicon atoms is shown by color.Adapted with permission from [23],copyright (2015)John Wiley &Sons,Inc

這種可加和性也體現在核磁氫譜上。雖然這些POSS區域異構體的氫譜非常復雜，但其中隱含了非常豐富的信息。首先，雙鍵表現出典型的ABC型自旋裂分，譜圖上出現3組積分面積比為1∶1∶1的dd峰，如果定義與硅同碳的氫為HA，與硅處于順式位置的氫為HB，與硅處于反式位置的氫為HC，通過分析偶合常數可知在八乙烯基POSS中JA-C、JA-B和JB-C分別為20.5,14.4 和4.2 Hz,而δHA=5.94 ppm，δHB=6.12 ppm，而δHC=6.05 ppm。經過羥基官能化后，T8-POSS出現了一系列的對稱性破缺，使乙烯基也成為不同的組，其化學位移發生細微的變化，譜圖變得非常復雜。作者課題組利用Wist等發展的算法[26]，對氫譜進行了模擬，發現其與實驗數據高度吻合[23]。因此，這種對稱性破缺不論對氫譜、碳譜還是硅譜都產生了重要而一致的影響，使得區域異構體的表征變得更為可靠。當然最為可靠的方法來自于單晶結構解析。如圖5所示，對位構型在其單晶結構中毫無疑義地得到了證明[27]。

圖4 針對特定硅原子化學環境的分析以及符號示意(a)，二加成產物硅譜中化學位移與結構參數n的相關性擬合(b)[23]Fig.4 Analysis and denotation of the chemical environments near the Si of interest with W substituent (a)and plot of chemical shifts of 29Si NMR spectroscopic data versus the structure parameter n (b)[23].Adapted with permission from [23],copyright (2015)John Wiley &Sons,Inc

圖5 對位異構體的單晶結構(紅色為氧原子，黃色為硅原子，灰色為碳原子，藍色為氫原子)[27]Fig.5 Single crystal structure of para-T8V6(OH)2[27].Reproduced by permission of [27],copyright (2016)Royal Society of Chemistry

可以預期，利用其他化學方法得到的類似化合物也可實現有效分離，成為重要的納米構筑單元。比如，通過巰基-烯化學反應也可以將羥基連到八乙烯基POSS上，得到雙加成和三加成的異構體[28]。此類點擊反應的引入使得產物的獲得更為靈活[29,30]，并能避免三氟甲磺酸使用時控制不好產生副反應的可能[31]。值得注意的是，通過再一次使用巰基-烯反應，可方便地合成一系列具有Janus結構的巨型不對稱粒子。此類巨型分子具有單一的分散度，分子量從一千到幾千可調，并具有不同的親疏水基團，其朝向可通過區域異構體前體得到控制，是合成理想納米基元的一種思路。

2.2 巨型分子區域異構體的精準合成

分子納米粒子區域異構體的成功制備為巨型分子區域異構體的精準合成提供了豐富的構筑單元，可用以制備各種新穎的巨型分子，如Janus星型高分子、巨型表面活性劑、巨型形狀兩性體與樹枝狀高分子等。只要改變POSS骨架結構的構型，就可以直接控制相應大分子的拓撲結構。比如，星型高分子是一類具有核以及發散的多鏈結構的高分子。相對于線性高分子而言，它具有較低的粘度、較小的流體力學體積等多種特殊性質。但是，合成具有確定臂組成與朝向的星型高分子一直是高分子化學的一大挑戰。以往的合成方法具有結構單一、無法充分體現核結構的三維構型、步驟冗長等缺點。之前，程正迪課題組曾利用靜電聚集效應實現了以POSS為核的八臂星形高分子的快速合成[32]。盡管以POSS為核接枝同種高分子臂的星型高分子的合成已經十分成熟并在不同領域展現出突出的應用價值[32-37]，但雜臂星型高分子的合成卻鮮有報道。作者課題組使用不對稱官能化的POSS區域異構體，結合“grafting-from”和“grafting-onto”的策略，首次完成了[2∶6]型雜臂且臂朝向確定的星型高分子的合成[27]，其中聚-ε-己內酯(PCL)鏈的朝向可根據POSS骨架鄰、間、對位置的不同得到控制，而其他6條聚苯乙烯(PS)鏈的高效連接可以通過銅催化的疊氮炔偶合(CuAAC)點擊反應來保證。產物具有較好的單分散性，分散度在1.1附近，而且其PS臂數在5.6到5.7之間，與理論值2∶6非常吻合。對其進一步表征發現，PCL受到熔體中PS鏈的擾動而無法在降溫中有效結晶。遺憾的是，通過開環聚合得到的PCL鏈長并不完全相同，因此，它們并不是理想的異構體。

逐步接枝法可以將結構確定的大分子連接到母核上，從而解決臂分子量不均一、不可控的問題。利用這種方法，研究者們從官能化位點不同的前體就可以實現不同的接枝結構，制備如FPOSS-PS-b-PEO和PS-(FPOSS)-PEO的異構體[39]，AC60-PS-b-PEO和PS-(AC60)-PEO的異構體[40]，以及XPOSS-PS2n和XPOSS-2PSn的異構體[41]等。在這些異構體中，巨型分子的組成是一致的，但是其中分子納米粒子或者尾鏈的接枝位置是不同的。最近Lin等非常詳細和系統地研究了一系列不同接枝位點、不同接枝方式的異構體(化學式如圖6所示)，并闡明了不同組裝體對其電子遷移率的影響[38]。類似地，作者課題組也從3種二加成異構體出發，通過次序的點擊反應，制備了具有兩條尾鏈的巨型表面活性劑區域異構體DPOSS-2PS(圖7a)。由于PS鏈是通過陰離子聚合合成的，具有很窄的多分散性，因此可以保持3種異構體的分子量以及分子量分布幾乎完全一致，同時每個異構體的構型都得到很好的保持。其構型的差別首先體現在凝膠滲透色譜的流出曲線中，與預期一致，對位異構體具有更大的流體力學體積，其保留時間小于間位異構體，亦小于鄰位異構體[42]。但當尾鏈長度進一步增加時，柔性的分子鏈會逐漸忘記其原始的接枝點，不同異構體之間的區別也會越來越小。同樣的策略亦可應用到形狀兩性體異構體的構筑中，只需將柔性的高分子鏈替換成剛性的納米粒子即可[43]。而使用不同的異構體前體，比如oom-T8V5(OH)3，就可以合成[3∶5]型雜臂Janus型星型高分子(圖7b)[44]。由于不同臂分子鏈之間的集合作用，此類星型高分子在分子鏈極短的情況下就可以發生相分離，形成特征尺寸低于5 nm的納米結構。

圖6 球-棒形狀兩性體拓撲異構體的化學組成以及模型示意圖[38]Fig.6 Chemical structures and molecular models of four categories of sphere-rod conjugates.Cartoons are their corresponding simplified molecular models,where blue spheres and purple rods represent hydroxyl-functionalized C60 and hydrophobic oligofluorenes (OF),respectively.The n is the number of repeating units[38].Reprinted with permission from [38],copyright (2017)American Chemical Society

圖7 巨型表面活性劑區域異構體(a)[42]和Janus型[3∶5]星型分子(b)[44]的合成路線Fig.7 Synthesis of the double-chain giant surfactant regioisomers para-,meta-,and ortho-DPOSS-2PSn (a)[42] and Janus [3∶5] polystyrene-polydimethylsiloxane star polymers with a cubic core (b)[44].Adapted with permission from [42] and [44],copyright (2017 &2018)American Chemical Society

3 巨型分子區域異構體的自組裝

如果把分子納米粒子基元看成尺寸放大的原子，那么巨型分子就可以類比為形狀類似但尺寸放大的“小分子”，其中區域異構體的不同官能團位置就可類比于鍵角。另一方面，巨型分子尺寸和高分子相近，因此它兼具了小分子和傳統高分子的特點，在某種程度上，架起了兩者之間的橋梁。在溶液中，其組裝行為與小分子表面活性劑相似，而在本體中，其組裝行為則類似液晶小分子或嵌段高分子。近年來，在這個方向涌現了許多優秀的工作[6,45-49]。在此，將主要介紹巨型分子異構體在自組裝方面產生的不同，并總結這些不同表現的分子機制。

3.1 巨型表面活性劑區域異構體的自組裝

以往的研究表明，巨型表面活性劑的組裝對其一級結構非常敏感。比如，對于XPOSS-PS的單尾鏈巨型表面活性劑而言，僅僅改變頭基官能團，就導致組裝相態的巨大變化，而其一級結構最小僅差別7個原子[41]。因此，巨型表面活性劑區域異構體究竟能產生怎樣不同的自組裝也引起了人們的極大興趣。如前所述，作者課題組利用鄰間對3種兩加成產物很好地制備了雙尾鏈巨型表面活性劑DPOSS-2PS。類似于單尾鏈巨型表面活性劑，它們也展現出層狀相(LAM)到雙連續相(DG)到六方柱狀相(HEX)到體心立方相(BCC)的相轉變模式(以對位異構體為例，參看圖8)[41,50]。與單尾鏈不同的是，它隨著溫度變化展現出有序-有序相轉變以及有序-無序相轉變。這表明，雖然頭部的親水性羥基個數從單尾鏈的14個只減少到雙尾鏈的12個，但這一變化已經大大減弱頭部之間的氫鍵相互作用，導致其對溫度更加敏感。而其有序-無序相轉變溫度隨著分子量升高呈現出先升高再下降再升高的趨勢。這是在嵌段聚合物里沒有觀察到的，可能與頭部的剛性構型有關。

圖8 基于不同尾鏈分子量的DPOSS-2PSn對位異構體在不同溫度下的小角X射線散射(SAXS)譜圖(a～i)及透射電鏡照片(j～r)[51]Fig.8 SAXS spectra of bulk samples (a～i)and TEM images of microtomed samples (j～r)of p-DPOSS-2PSn samples annealed at specific temperatures[51].Reprinted with permission from [51],copyright (2018)American Chemical Society

從這3個異構體的組裝結構與分子量、溫度關系的相圖可以看出，與兩嵌段聚合物不同，巨型分子的相圖顯得更加不對稱[51]，這是由于其頭部的分子量是固定的。另外，這3種異構體相邊界的位置呈現出系統的變化，均向相圖同一側移動。換言之，對于嵌段高聚物，層狀相容易出現在體積分數50%的位置，而在巨型分子中這個數值接近70%。這3種異構體也表現出不同的相穩定性，鄰位通常最穩定，而對位通常最不穩定。如果將鄰位和對位分別類比于AB2[52]或ABA[53]型三嵌段高分子，可以估算它們的Flory-Huggins相互作用參數χeff，從而得知其屬于高χ值分子[54]。這使得形成小尺寸相分離結構更為容易。

為了解釋其組裝區別，作者課題組詳細探討了它們的分子尺寸及排列模式(圖9)。眾所周知，納米相分離體系的整體自由能包括高分子鏈構象熵的貢獻、界面能以及頭基直接的焓作用。直觀上，雙尾鏈巨型表面活性劑可采取兩種排列模式，其一是橋連式，即DPOSS在中間，兩條PS鏈伸向兩側形成單層結構；其二是頭對頭的排列，兩條PS鏈伸向同一層形成雙層結構。通過對比DPOSS的本征尺寸與形成的層狀相的層間距，發現組裝結構中DPOSS層的厚度大概在2 nm附近，介于其本征尺寸(～1.4 nm)和兩個DPOSS頭對頭的排列(～2.8 nm)之間。因此，分子應大體采取頭對頭的排列模式，并存在一定程度上的交錯，這樣可以最大化頭部之間的接觸面積，更有利于形成氫鍵。這種排列模式與對位的分子對稱性并不匹配，因此其組裝體也會采取一部分橋連模式，導致界面的不穩定，降低了PS的有效體積分數，從而降低其有序無序相轉變溫度。這種排列方式與鄰位的對稱性最為匹配，因此它也最為穩定。為此，作者課題組也做了一些半定量的分析。該組裝體系的穩定性主要受界面能以及高分子構象熵的影響。前者反映在平均分子界面積(interfacial area，A0)上，而后者反映在高分子鏈的拉伸比(stretching ratio，S)上，其計算公式如下：

(2)

(3)

(4)

計算六方柱狀相A0：

(5)

計算體心立方相A0：

(6)

其中LPS是組裝體中PS疇區的尺寸；R0是無擾狀態下PS的平均末端距；M是分子量；f是體積分數；a在不同的結構中代表不同的含義，其中在層狀相中代表層間距，在立方相中代表晶胞單元長度，在柱狀相中代表柱間距，并且具有不同的算法[51]；x是雙連續相中特有的比表面積體積比[55]。以對位異構體為例，通過計算發現在不同的體系中S值始終在1.0附近，這說明PS并沒有十分顯著地被拉伸或被壓縮，因此構象熵在該體系中的貢獻較小，而界面能對其相行為起主導作用。

圖9 巨型表面活性劑可能的排列模式(a)，不同異構體A0的卡通示意圖(b)[42]Fig.9 Possible packing schemes for DPOSS-2PSn(a),bending of PS tails toward one side in the para-isomer leads to a larger A0 as compared to that of meta- and ortho-isomers (b)[42].Reprinted with permission from [42],copyright (2017)American Chemical Society

通過對A0的分析，發現整體而言，A0的變化趨勢為對位>間位>鄰位。這與異構體的構型差別直接相關。很容易理解，當對位異構體把它的兩條PS尾鏈伸向同側時，其A0值一定會比較大；而鄰位異構體的兩條PS尾鏈本身就伸向同側，因此其A0值一定最低，其相穩定性也就比較高。在同等分子量下，其有序-有序轉變溫度甚至超出另外兩種異構體高達60 ℃。相同相態下，A0值隨著溫度的升高而增大，若出現相轉變則A0降低。這與升溫時減弱了氫鍵相互作用、引發尾鏈松弛作用有關。有趣的是，A0值最大只能到2.03 nm2左右，這與DPOSS的本征投影面積1.4～2 nm2非常吻合。這說明DPOSS之間相互接觸的面積最大不超過該值，否則距離過遠，氫鍵相互作用無法充分發生，便無法穩定相態。這些分析很好地揭示了巨型表面活性劑自組裝的分子機制和物理圖景，使我們朝定制滿足特定需求高分子的目標更邁進了一步。

3.2 巨型形狀兩性體區域異構體的自組裝

柔性尾鏈的特點是易于變形。如果將其替換成具有特定形狀的剛性分子納米粒子，那么形狀的各向異性和不可壓縮性將對組裝產生什么樣的影響呢？這個思想最早來源于對不同形狀液晶基元性質的研究[56,57]，并進一步拓展到膠體粒子以及其他大分子體系[58-61]。形狀被認為是控制組裝的一個嶄新的維度，可極大豐富能夠形成的組裝相態，為探索結構和性能的關系提供了新的思路[38]。以下是一些巨型形狀兩性體區域異構體的組裝案例。

巨型形狀兩性體是嚴格意義上具有單一分子量的精密結構大分子。類似于雙尾鏈巨型表面活性劑，作者課題組利用雙官能化的POSS區域異構體構建了連續三嵌段POSS形狀兩性體，其中中間段為長氟鏈官能化的FPOSS，而兩端為叔丁基官能化的tBPOSS[43]。叔丁基的引入破壞了tBPOSS的結晶性，使其在空間上是一個直徑在1.5 nm左右的球狀納米粒子，外觀表現為粘稠的油狀物[62]。FPOSS是可以結晶的，當其結晶時，分子形狀為棒狀[39,63]。因此，二者的連接體可被看成“球-棒-球”型的形狀兩性體[43]。研究表明，3種異構體具有截然不同的相行為，其中對位和間位異構體在DSC曲線上僅僅表現出了一個玻璃化轉變，溫度分別為8.9和12.1 ℃，與其油狀物的物理特征相符。基于此可以推斷二者沒能形成有序的相結構。X射線散射實驗也證實了這一猜想。而鄰位異構體在DSC曲線上出現了兩個明顯的相轉變，分別在30.5和54.9 ℃。原位X射線變溫實驗表明鄰位異構體在室溫下首先形成了一個層狀結構，其層間距大約為6.8 nm，基本與兩個分子頭對頭排列尺寸相近。同時，分子中存在氟鏈的結晶。當溫度超過第一個相變溫度后，氟鏈的結晶峰消失，然而小角區依舊存在尖銳的一級峰。此時，分子仍以層狀排列，但氟鏈結晶已經遭到破壞，這也使得分子晶格塌陷，導致層間距變小。進一步升溫，則進入無序態。這意味著間位和對位異構體中氟鏈的位置在幾何構型上不利于相互靠近，tBPOSS阻礙了氟鏈的結晶，使得有序結構的形成受挫。而在鄰位異構體中，兩個tBPOSS伸向一側，為氟鏈留出足夠的排列空間，而氟鏈的結晶反過來也促進了相分離(圖10)。由此可知分子的幾何構型對其組裝結構的影響是十分巨大的。而這種影響規律在巨型形狀兩性體和巨型表面活性劑中是基本一致的。

圖10 巨型形狀兩性體區域異構體可能的分子排列模型示意圖[43]Fig.10 Proposed packing model of the three regioisomers of tBPOSS-FPOSS-tBPOSS[43].Reprinted with permission from [43],copyright (2018)John Wiley &Sons,Inc

結合不同的區域異構可以實現非常復雜的拓撲異構體。Lin等將富勒烯與寡聚物以不同接枝位點、不同接枝方式連接，得到一系列拓撲異構體，發現它們呈現出非常不同的組裝結構，并出現了double gyroid以及A15等形狀兩性體較少出現的相態(圖11)[38]。研究者進一步發現不同組裝體具有不同的電子遷移率，其中尤以層狀相為佳。該工作極好地展示了一級化學結構是如何影響高級組裝結構，并進一步反映為材料宏觀性質的不同的。

圖11 不同球-棒型形狀兩性體拓撲異構體的相行為示意圖[38]Fig.11 Schematic representation of diverse supramolecular lattices assembled from four series of sphere-rod conjugates[38].Reprinted with permission from [38],copyright (2017)American Chemical Society

3.3 Janus型雜臂星型高分子的自組裝

傳統星型高分子的組裝往往將其母核看成抽象的點，而不考慮臂在其上不同取向對其組裝的影響。事實上，當母核具有一定的尺寸時，臂朝向的影響將不可忽略。這種影響可以是有利的，也可以是不利的。比如，T8-PCL2PS6的區域異構體中，PCL的結晶都受到PS嚴重的抑制[27]。如果要尋求有利的影響，可以研究具有Janus結構的雜臂星型高分子的組裝，因為彼此靠近的臂可能產生協同的相互作用，促進結構的形成。比如oom-T8PS3PDMS5就是一個[3∶5]雜臂Janus型星型高分子。在初步的探索中，作者課題組采用了5條非常短的PDMS鏈(約15個重復單元)，改變3條PS鏈長，使其分子量從1.3增加至2.2再增加至7.9 kDa。通過小角X射線散射實驗，可以得知隨著分子量的變化，其組裝結構分別從六方柱狀相進入到層狀相再進入到反向六方柱狀相。雖然在組裝結構上并沒有觀察到新穎的相態，但值得注意的是，當單條PDMS分子量為1.4 kDa以及單條PS分子量為1.3 kDa時，該雜臂星型高分子亦發生了微相分離，并且形成的六方柱狀相具有很小的柱間距約6.4 nm，其中由PS形成的柱直徑更是小至1.8 nm。雖然PS-b-PDMS已經被研究得很多了，但是如此小的特征尺寸還沒有被報道過。如果僅考慮單條鏈，它們在如此低的分子量并不會發生相分離。因此可以推斷POSS核結構在界面起到了一個集合作用，其剛性的構型使得兩種聚合物鏈更有序地向特定方向伸展，更有利于有序結構的形成。對于這個體系中高分子鏈的拉伸率以及平均分子界面積的計算進一步佐證了POSS確實存在于其界面[44]。

3.4 其他拓撲異構體的自組裝

由于分子納米粒子的單官能化已經非常成熟，因此更為常見的拓撲異構體的構建方法是將分子納米粒子連入高分子的特定位置，比如鏈段或者兩嵌段的交界處。不同的拓撲結構會給組裝帶來非常重要的影響。比如，親水的C60基元連到PS鏈的末端形成單尾鏈的巨型表面活性劑，如果保持PS分子量不變，將親水的C60基元連到PS鏈的中間，則形成雙尾鏈的巨型脂質體。這兩者在溶液中組裝可以形成完全不同的膠體粒子[50]，而且其在稀溶液中的組裝相圖亦完全不同[64]。當將PS-b-PEO嵌段以不同的方式連到FPOSS基元上時，如果FPOSS連接在嵌段聚合物的末端，可形成3種組分交替的層狀結構；如果FPOSS連到PS-b-PEO嵌段聚合物的交界處，較短的PEO會與一部分PS融合，之后繼續與FPOSS和另外一部分PS相分離形成不同成分的3層結構。同時，由于剛性頭部帶來的形狀效應使得該類型分子自然具有平頭楔形結構，通過控制不同的成核生長過程，就可以進一步構筑層狀同心圓結構(圖12a)[39,65]。又如DPOSS-PSn型巨型表面活性劑，在保持尾鏈總分子量不變的前提下，可通過增加尾鏈的個數來調節自組裝結構的界面曲率，促進彎曲界面結構的形成，增加兩組分之間的構象不對稱性[53,66]，誘導非傳統的Frank-Kasper球形相以及十二重對稱準晶相在軟物質中的出現(圖12b)[67]。這些結果都充分證明了在巨型分子中，異構現象普遍存在，且對其組裝和性能都將產生非常重要的影響。這些影響多數是通過影響拓撲結構以及分子的內在對稱性來實現的。

4 結 語

精細的結構差別對于生物大分子的結構和功能具有至關重要的影響，但這種敏感性在合成高分子中卻缺乏體現。巨型分子兼具小分子和大分子的特點，其化學結構精確確定，而其組裝結構與性質功能對一級結構亦極為敏感。這就為異構現象的研究和利用提供了一個嶄新的思路。本文總結了目前在巨型分子研究中涉及的一些同分異構現象，闡釋了異構對其組裝產生影響的具體案例，總結了這個方向的優缺點和亟待解決的問題。首先，巨型分子的模塊化精準合成使其方便易得，并且其構建途徑可以實現高效的質量遞增，方便得到高分子量的宏量產物，同時由于分子納米粒子的基元庫十分龐大和豐富，它具有很高的可設計性和結構復雜性。其次，巨型分子具有精確的剛性三維骨架，其組裝更可預測，更容易形成復雜的多級結構，而且對于一級結構非常敏感，非常適合研究異構現象對于大分子結構功能的影響。

圖12 巨型表面活性劑拓撲異構體的組裝：(a)FPOSS-PS-b-PEO vs PS-(FPOSS)-PEO；(b)變化臂數n(n=1～4)得到的DPOSS-nPS相圖[39,65,67]Fig.12 Schematic illustration,chemical structure and self-assembly behavior of FPOSS-PS-b-PEO and PS-(FPOSS)-PEO (a)；Phase diagram of DPOSS-nPS (n=1～4)giant surfactants (b)[39,65,67].Adapted with permission from [39],copyright (2015)American Chemical Society.Adapted with permission from [65],copyright (2016)John Wiley &Sons,Inc.Adapted with permission from [67],copyright (2016)National Academy of Sciences

第三，巨型分子具有高度的雜化性，既可以包括有機的碳、氫、氧、氮元素，也可以包括無機的金屬、非金屬元素，使其平臺十分廣闊，其可能實現的功能亦十分廣闊。但是目前多數的研究尚集中在結構方面，亟待發展其功能性，將其優勢展現在材料的應用領域。雖然巨型分子的研究已經極大地促進了我們對于高分子的了解，但是其應用研究還很不夠。我們在分子設計層面要有側重點，采用具有特定功能的構筑基元，利用結構子與功能子的相互作用，實現功能材料的模塊化構筑[7]。而在基礎科學方面，拓展不同的納米異構體基元就是一個很大的挑戰，這些基元本身就可能是具有特殊性質的材料，其廣闊的應用圖景還有待于廣大的研究者們進一步發掘和利用。