环糊精聚轮烷是由高分子链在疏水力、氢键和范德华力等的驱动下穿过多个环糊精分子的空腔，并在链两端以大尺寸基团“封端”，将环糊精锁定在高分子链上形成的一种结构稳定的内锁型超分子聚合物。环糊精聚轮烷独特的拓扑和化学结构赋予其独特的应用价值，比如环糊精上众多的羟基提供了丰富的反应位点，使其成为药物、基因和诊疗系统的良好载体；环糊精可以在高分子轴上自由迁移旋转，以环糊精为交联位点制备“滑轮”凝胶，拉伸性能可得到显著提升，已成功应用于电池粘合剂、应变传感器等领域。
尽管具有上述优点，但由于环糊精聚轮烷的合成繁琐耗时、条件苛刻、产率较低，大大限制了其深入研究和推广应用。在环糊精聚轮烷的合成中，准聚轮烷的封端和解离是两个同时发生且相互竞争的过程。为提高聚轮烷的产率，合成设计需要兼顾提高封端效率并抑制准聚轮烷的解离。由于有机溶剂中疏水力的缺失，准聚轮烷会迅速解离，聚轮烷的产率和轴环糊精覆盖率均较低。水介质中准聚轮烷可保持长时间稳定，更有利于准聚轮烷的封端，但这要求封端反应在水中高效进行并且大体积的封端试剂具有一定的水溶性，这对于合成设计是一个不小的挑战。前期南京大学武伟/蒋锡群教授团队利用炔-叠氮点击化学（CuAAC）水相封端成功制备了β-环糊精封端的β-环糊精聚轮烷（Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52(28): 7272-7277），但反应需要金属催化剂和无氧环境，合成与纯化操作均较为繁琐，而且β-环糊精封端试剂的制备过程复杂，推广受到一定的限制。
针对上述存在的问题，该团队提出了环糊精聚轮烷的一种新合成策略，利用9-蒽醇和马来酰亚胺之间的Diels-Alder（DA）反应作为封端反应制备环糊精聚轮烷（图1-3）。该反应被认为是一类点击化学反应，具有反应条件温和、无需催化剂、可水相反应、高产率和高选择性的特征，同时还可以被反应体系中存在的环糊精所催化，进一步提高反应速率和产率。以水为溶剂在温和的条件下即可获得高聚轮烷收率。具体来说，以9-蒽醇为封端剂，分别以末端为马来酰亚胺的聚乙二醇和聚丙二醇为高分子轴合成α-和β-环糊精聚轮烷。其中9-蒽醇是市售产品，高分子轴通过一步酰胺化反应可轻松获得。9-蒽醇和马来酰亚胺之间的[4+2]环加成反应形成类三蝶烯的刚性三维桨状封端基团，其刚性结构和足够大的体积可将α-和β-环糊精牢牢锁定在高分子轴上，α-和β-环糊精聚轮烷的产率分别达到93%和16%，反应温和，操作简便。而γ-环糊精的空腔更大，实验证明一个环加成产物无法有效封堵γ-环糊精，两个加成产物虽可以封端形成稳定的聚轮烷，但由于在封端过程中γ-环糊精快速从轴上滑脱，聚轮烷的产率不足1%。
图 2. α、β、γ-环糊精聚轮烷和准聚轮烷的1H NMR。
图 3. α、β、γ-环糊精聚轮烷的2D DOSY谱和GPC曲线（与环糊精的GPC曲线对比）。
为了解决这个问题，团队创新性地提出使用二代树枝状聚赖氨酸进行预封堵，树枝状分子的存在有效限制了γ-环糊精准聚轮烷的解离，使聚轮烷的产率提高到55%。另外，实验结果证实α、β、γ-环糊精聚轮烷封端过程中几乎未发生准聚轮烷的解离，这意味着环糊精覆盖率即聚轮烷所含环糊精的数量可以根据投料比精准控制。此外，团队利用DA反应的可逆性，在微波辐射条件下高效合成了α、β、γ-环糊精分子管，为环糊精分子管的合成提供了新的方法（图4）。
团队还利用该封端策略合成了不对称的β-环糊精轮烷分子梭，通过分子轴所含的偶氮苯的光异构化驱动控制环糊精在轴上的穿梭运动，并利用FITC-罗丹明之间的FRET效应，观测到了穿梭运动伴随的荧光强度的循环往复变化（图5）。
图5.（A）β-环糊精轮烷分子梭的光控穿梭运动。（B）含“FITC-罗丹明FRET对”的分子梭的合成。（C）吸收与荧光发射谱图。（D）光驱动分子梭在紫外光(λ=365 nm)和白光照射交替的5个周期内， 578 nm处荧光强度的变化。激发波长为450nm。
该工作以“Cyclodextrin-Catalyzed Diels−Alder Reaction for the Syntheses of Cyclodextrin Polyrotaxanes, Molecular Tubes, and Molecular Shuttles”为题于2024年5月31日在线发表于Macromolecules （DOI：10.1021/acs.macromol.4c00892）。南京大学博士生孙颍为该工作的第一作者，武伟/蒋锡群教授为通讯作者。该工作获得了国家自然科学基金项目的支持。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.4c00892
相关进展
高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn
欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至info@polymer.cn，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。
欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。
申请入群，请先加审核微信号PolymerChina（或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。
