精选JACS/Angew 12篇：树枝状大分子的最新成果大盘点

1. JACS: 轮烷支化的III-C型树枝状大分子构建及其阴离子诱导的尺寸调节特性

受生物分子机器的启发，化学家们已经制造了大量的人造分子机器，如分子梭、分子肌肉、分子马达和分子装配器。作为生物分子机器的一个有趣的特性，功能纳米力学分子的集体运动的显著放大与其特定的排列导致了基本生物学功能的输出。

华东师范大学Hai-Bo Yang等从一种新型的在轮轴组件上均有树突状分子生长位点的轮烷构件出发，通过可控制的发散方法，成功构建了一系列新型的轮烷支化的树状大分子，即III-C型轮烷支化树枝状大分子，这种方法可获得轮烷高支化的第四代树状大分子。

在合成的轮烷支化的树枝状大分子中，轮烷单元的轮组件不仅位于支链上而且还位于支链点上，这使得它们成为模拟放大的集体分子运动的最佳候选人。这样，将尿素部分插入到轮烷单元的轴组件上可作为结合位点，添加或去除醋酸阴离子可作为刺激使单个的轮烷单元具有可切换的特性，从而导致轮烷支化树枝状大分子发生集体扩张−收缩运动，这样就会实现显著的和可逆的尺寸调节。这种三维尺寸的切换特性使得III-C型轮烷支化树枝状大分子在制造新型动态智能材料方面具有广阔的应用前景。

Xu-Qing Wang, Wei-Jian Li, Wei Wang, et al. Construction of Type III‑C Rotaxane-Branched Dendrimers and Their Anion-Induced Dimension Modulation Feature, J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 13923−13930. DOI: 10.1021/jacs.9b06739.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b06739.

2. JACS: 圆锥形树突自组装而成的手性超分子球体

自从Frank和Kasper在1958年介绍了Frank-Kasper相来描述金属合金的结构以来，Frank-Kasper相已被证明具有更广泛的相关性，而且发现了树枝状大分子、嵌段共聚物、表面活性剂以及其他自组装分子形成的超分子球体也能够自组织成Frank-Kasper相和液体准晶。

由于其各向同性的形状，这些球体被认为是非手性的。由冠状的树枝状分子进行短螺旋堆叠而成的超分子球体可以产生Pm¯3n立方相（Frank−Kasper A15），其在宏观尺度上表现出手性。然而，由圆锥形树突产生经典的各向同性超分子胶束球体的手性是未知的。

宾夕法尼亚大学Virgil Percec等报道了一系列顶点含手性基团的第二代和第三代双苯丙基树突，能够自组装成单手性超分子球体。高达480个锥形树突可以形成摩尔质量为1.1×106 g/mol的超分子胶束球体，这种球体可以自组装成在宏观尺度上可测手性的Pm¯3n相。这种Frank-Kasper相中的手性胶束状球体提出了一个基本的问题，即由嵌段共聚物、表面活性剂等其他软物质产生的胶束状球体是否具有手性。

Daniela A. Wilson, Katerina A. Andreopoulou, Mihai Peterca, et al. Supramolecular Spheres Self-Assembled from Conical Dendrons Are Chiral, J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 6162−6166. DOI: 10.1021/jacs.9b02206.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b02206.

3. JACS: 树枝状结构调整石墨烯纳米带在液相中的上层结构

结构定义明确的石墨烯纳米带(GNRs)由于其迷人的可调谐光学和电子特性而引起了人们极大的兴趣。与其他合成策略如自上而下和表面辅助的自下而上的方法相比，通过溶液介导的化学合成来制备GNRs可以实现克级生产和边缘功能化。

近年来，通过接枝聚合物链已经实现了GNRs在液相中的良好分散性和长期稳定性，为研究GNRs的新理化性质和潜在应用提供了契机。聚合物大的几何尺寸能够有效地缓解GNR骨架强烈的π−π堆叠作用。然而，到目前为止，GNRs的聚合物功能化仅限于线性聚环氧乙烷(PEO)，但是另一些功能化作用也可以用来修饰GNRs。这一发现激发了人们对利用其他聚合物结构来功能化GNRs的兴趣，以获得具有新理化性质和潜在应用前景的新型功能化GNRs。

上海交通大学麦亦勇教授团队报道了第一个结构定义明确的树枝状聚合物功能化的石墨烯纳米带(GNRs)。GNR骨架类似于有扶手的椅子边缘的结构，平均宽度为1.7 nm，平均长度为30 nm。通过酯化反应将苄基醚型树状结构(G1-G3)的羟基接枝到GNR骨架边缘的羧基上。不同代数的树状结构接枝率为0.59-0.68。

对于体积庞大的三维(3D)树状结构，GNR分散在常见溶剂(如THF)中的最大浓度达到大约3mg mL−1。更有趣的是，取决于树状结构的大小，树状化的GNRs能够在THF中聚集成超长纳米线、一维螺旋或短纳米纤维。由于树突具有明确的几何结构，一维纳米结构代表了GNR在有机溶剂中的第一个有序的上层结构。特别是在非手性大分子的上层结构中，螺旋结构的研究较少。在THF中，GNR-G1和GNR-G2的最大近红外吸收峰在685 nm处，而GNR-G3在652 nm处。

超快光电导率测量表明，与GNR-G1纳米线和GNR-G3短纳米纤维相比，GNR-G2螺旋具有更长的自由载流子(3.5 ps)和激子寿命(几百ps)。这一差异揭示了超分子结构对GNRs在液相中的光电子性能的显著影响，这使它们成为光电子应用中有前途的候选材料。因此，树枝化GNRs有望成为构建一维功能纳米材料的强大建筑单元，在光电子、纳米复合材料、生物技术等领域具有潜在的应用前景。

Fugui Xu, Chunyang Yu, Alexander Tries, et al. Tunable Superstructures of Dendronized Graphene Nanoribbons in Liquid Phase, J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 10972−10977. DOI: 10.1021/jacs.9b04927.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b04927.

4. JACS: 树枝状分子胶在时空上开启蛋白质-蛋白质之间的相互作用

蛋白质-蛋白质之间的相互作用(PPIs)在许多生物学过程中起着重要作用。如果PPIs可以进行时空调控，那么人们可能有希望开发低副作用的治疗方法，并阐明涉及PPIs的生物学过程是如何在分子水平上进行。从这个角度来看，通过开发光化学改变其对靶蛋白亲和力的PPI抑制剂可能是有前途的。

东京大学Takuzo Aida等开发了一种树突状分子胶PCGlue-NBD，它可以在时空上“开启”蛋白质-蛋白质之间的相互作用(PPIs)。PCGlue-NBD可携带许多胍离子(Gu+)吊坠，能够强力粘附靶蛋白并覆盖在其表面和PPI界面区域，从而抑制它们与受体蛋白的PPIs作用。

在紫外光照射下，将目标蛋白上的PCGlue-NBD树枝状分子中以丁酸盐取代的硝基异丙基羰基键进行光裂解，这样可以降低多价粘附性能。因此，客体蛋白可以被释放，以便进行PPIs作用。

作者发现当肝细胞生长因子(HGF)与PCGlue-NBD混合时，将失去对其c-Met受体的亲和力。然而，当PCGlue-NBD/HGF杂化物暴露于发光二极管(365 nm)光下时，HGF上的PCGlue-NBD分子发生如上所述的光裂解，从而使HGF被释放并恢复其对c-Met的内在PPI亲和力。开启PPI作用，获得HGF和c-Met，可导致细胞迁移，这种迁移可以通过逐点紫外光照射以毫米级分辨率在时空上实现。

Rina Mogaki, Kou Okuro, Ryosuke Ueki, et al. Molecular Glue that Spatiotemporally Turns on Protein−Protein Interactions, J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 8035−8040. DOI: 10.1021/jacs.9b02427.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b02427.

5. Angew: 线性的树枝支化交替共聚物

聚合物以其多用途的结构和模块化的性能，已广泛应用于各行各业。在众多结构因素中，支化对决定聚合物的宏观材料性能起着至关重要的作用。树枝状大分子因其包封性能和容易共轭的多功能外围结构，有望成为纳米级的载体和反应器，而具有广泛的应用前景。

纽约州立大学Chong Cheng等描述了一种由交替线性段和树枝状段组成的前所未有的共聚物的设计、合成和表征。首先，他们合成了含有两个叠氮基团的第4代Hawker型树突，然后通过第4代叠氮树突与聚(乙二醇)二乙炔之间的逐步叠氮-炔“点击”反应制备了目标聚合物。

在逐步生长聚合过程中观察到官能团的反应性不均一。所得到的共聚物具有交替的亲水线性段和疏水树枝状段，可以在水中自发地形成一种独特的微相分离纳米棒。在原则上，这些交替共聚物的树突可以被高度功能化以满足新材料的需求，从而产生具有潜在性能和应用价值的新型组装体。

Haotian Sun, Farihah M. Haque, Yi Zhang, et al. Linear-Dendritic Alternating Copolymers, Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 10572 –10576. DOI: 10.1002/anie.201903402.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201903402.

6. Angew: 三马来酰亚胺树枝状大分子:从螺旋到超螺旋的超分子转变并伴随白光发射

层次螺旋结构在自然界中给人留下了深刻的印象，在那里初级螺旋缠绕成更高阶螺旋。高阶螺旋方向可与初级螺旋方向相同或相反，以便收紧或解开其螺旋结构。树枝状大分子是高度对称和支化的，具有精确结构、单分散分子量、明确形状和大小的合成大分子。由发色团组成的树枝状大分子，由于其独特的光学和组装特性，受到特别的关注。

天津大学Xin Zhang团队报道了由螺旋三马来酰亚胺树枝状超分子聚合物形成前所未有的荧光超螺旋。以三马来酰亚胺为原料，在温和条件下，通过高效、清洁的“点击化学”反应合成了一类新型的功能树枝状大分子。这些树枝状大分子随着代数的增长表现出一种交替的荧光开关生长方式。外围烷基化的树枝状大分子在含有手性溶剂的溶液中，表现出具有螺旋感应选择性的超分子聚合作用，主要形成右手(或左手)螺旋状超分子聚合物。

随着浓度的增加，这些初级螺旋超分子聚合物自发地向相反的方向旋转，形成超螺旋结构。通过原子力显微镜和圆二色性测试，作者直接观察到螺旋向超螺旋转变发生于螺旋方向逆转。此外，在超螺旋形成过程中观察到异常的白光发射。

Fen Li, Xiaohui Li, Ying Wang, Xin Zhang, Trismaleimide Dendrimers: Helix-to-Superhelix Supramolecular Transition Accompanied with White-Light Emission, Angew. Chem. Int. Ed. 2019. DOI: 10.1002/anie.201908837.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201908837.

7. Angew: 可调整的阳离子型树枝化聚合物:用于类风湿性关节炎治疗的分子清道夫

从死亡或受损的细胞中释放出来的无细胞脱氧核糖核酸(cfDNA)是类风湿关节炎(RA)的关键自身抗原。它们可以被如Toll-like受体(TLR)一样的核酸传感器识别，从而激活先天免疫系统和慢性炎症。

中山大学Lixin Liu等发明了一种树枝状阳离子分子清道夫，通过筛选阳离子树突化聚合物，可以消除cfDNA，抑制TLR识别和核酸诱导的炎症反应。结构-性能研究表明，通过对分子结构的精细控制，可以平衡毒性、核酸结合能力和生物分布，从而达到最大的治疗效果。

此外，优化后的树枝化阳离子聚合物能有效抑制胶原诱导的大鼠关节肿胀、滑膜增生和骨破坏。这些结果为合成聚合物用于自身免疫性疾病的治疗提供了支持和新的范例。

Bo Peng, Huiyi Liang, Yuyan Li, et al. Tuned Cationic Dendronized Polymer: Molecular Scavenger for Rheumatoid Arthritis Treatment, Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 4254 –4258. DOI: 10.1002/anie.201813362.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ange.201813362.

8. Angew: 树枝状结构打破棒的平行取向形成多样的超分子结构

在超分子科学和技术中，宏观的性能在很大程度上是取决于这些组装结构。为了精确地控制组装的结构，分子必须具有精确的立体化学、组成、序列、拓扑结构和分子质量。它们会组装成微观的图案，同时也会形成各种有序的结构。这个过程通常被称为分子构建摸块方法。

自组装的微观结构在很大程度上依赖于图案的几何形状。例如，盘状的图案通常堆叠成六角形相，而球形的图案可以形成各种球形结构，如体心立方、六角形密堆积相以及复杂的Frank–Kasper相或者准晶体。棒状分子的自组装纳米结构通常局限于向列的或层状的近晶结构，这主要是由棒状分子的平行排列所决定。

华南理工大学Z. D. Cheng团队通过在树枝状的低聚芴分子顶端放置一个三羟基组，设计了四种树枝状的棒状分子，并观察到它们具有不同的自组装行为。三羟基组的氢键作用和树枝状结构打破了棒的平行排列，导致分子具有特定的形状(扇形或锥形)。扇形分子倾向于形成六角形堆叠的柱状相，锥状分子可以形成球形图案而堆叠成各种有序结构，包括Frank-Kasper A15相和十二边形的准晶体。

这项研究为利用棒状分子设计多样的超分子结构提供了一个模型系统，并为软物质形成非常规的球形堆叠结构提供了机理和新的思路。

Ruimeng Zhang, Xueyan Feng, Rui Zhang, et al. Breaking Parallel Orientation of Rods via a Dendritic Architecture toward Diverse Supramolecular Structures, Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 2–9. DOI: 10.1002/anie.201904749.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201904749.

9. Nat. Commun.: 二叉树启发的数字树枝状大分子

计算机科学中的二叉树是一种数据结构，其中每个节点最多有两个子节点。基于二叉树的数据结构广泛应用于计算机科学中，用于有效地搜索、标记和排序值。以精确有序的单元作为编码0或1位的数字聚合物可以作为一种有前途的分子数据存储选择。

就高存储容量和有用功能方面而言，追求更好的性能从来没有停止过。有趣的是，在高分子科学中，树枝状大分子具有类似二叉树的结构。由于树枝状大分子具有球状和高度支化的结构，与线性类似物相比，它们通常具有一些有趣的性质，如较高的溶解度、本征粘度降低等。

受二叉树数据结构1→2连通性的启发，苏州大学Zhengbiao Zhang等提出一个信息编码的二维数字树枝状大分子的概念。通过硫醇马来酰亚胺的迈克尔偶联的发散生长可以使得0和1二进制数字精确排列，从而形成均一的树枝状大分子。建立了一种基于数据矩阵条形码的非线性二进制数字树状分子存储容量计算协议，该协议由串联质谱解码和加密技术生成。

此外，所生成的数据矩阵条形码可由一种常见的手持设备读取，以便实现物品识别、跟踪和防伪等应用。这项工作证明了均一树状聚合物的高数据存储能力，并展示了数字聚合物的良好前景。

Zhihao Huang, Qiunan Shi, Jiang Guo, et al. Binary tree-inspired digital dendrimer, Nat. Commun. 2019, 10, 1918. DOI: 10.1038/s41467-019-09957-6.

https://www.nature.com/articles/s41467-019-09957-6.

10. AM: 长链低聚苯乙烯电解质增加微生物膜的稳定性

利用合成分子或材料来控制、修饰或限制微生物行为，为解决微生物生物技术中的生物局限性提供了新方法。这种方法通过功能化金属/半导体纳米材料、聚电解质和金属有机配合物等人造材料，可以在能源生产、生物催化、生物传感器和生物合成应用方面开辟新的机会。

例如，在生物电化学系统中，“掺杂”无机纳米颗粒或还原氧化石墨烯复合材料的Shewanella生物膜能够提高细胞外的电子转移速率，而金属-有机复合物或聚合物壳层可以提高微生物的生物催化活性和细胞活力。然而，通过简单而适用的方法来调节微生物的行为仍然是一个挑战，特别是对于细胞表面工程，这可能需要在一个多步骤的过程中将多个组件进行集成。因此，利用定义明确的分子材料来改善微生物的特性，以完成特定的任务，将提供一个实用而简单的方法。

新加坡南洋理工大学Bazan教授课题组设计了一种新型共轭低聚电解质材料（命名为S6），这种材料具有一个延伸的低聚苯乙烯骨架，可以提供一个双层脂质稳定的拓扑结构。将S6插入到生物膜可以作为甘油磷脂酰基链的疏水性载体。经过S6处理的大肠杆菌对丁醇的耐受性提高了两倍，这符合生物燃料生产所需要的特性。

丝状生长是大肠杆菌对丁醇毒性的一种形态学应激反应，在0.9%丁醇(v/v)培养后，未用S6处理的细胞中观察到了丝状生长，但是S6处理的细胞中丝状生长减弱。实时荧光成像揭示了S6抑制膜不稳定性的程度。

此外，S6还能减少丁醇诱导的外膜脂多糖的释放，进一步维持细胞的完整性。这些发现表明长链共轭低聚电解质能够用于稳定微生物膜以应对环境挑战，而且在生物燃料生产中具有潜在应用价值。

Cheng Zhou, Geraldine W. N. Chia, James C. S. Ho, et al. A Chain-Elongated Oligophenylenevinylene Electrolyte Increases Microbial Membrane Stability, Adv. Mater. 2019, 1808021. DOI: 10.1002/adma.201808021.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201808021.

11. AFM: 硼替佐米树枝状大分子前药纳米颗粒体系

硼替佐米(BTZ)主要用于治疗血液肿瘤，如多发性骨髓瘤和小细胞淋巴瘤。但由于其在体内稳定性差、毒性大，在实际肿瘤治疗中应用有限。复旦大学Min Liu等以1,1-二甲基丙酸和多巴胺为原料首先合成了含多巴胺分子的炔基功能化树枝状大分子，随后这种炔基炔基功能化树枝状大分子与叠氮基团功能化的聚乙二醇反应制备了含多巴胺的两亲性聚乙二醇树枝状大分子。

采用超声乳化法，这种含多巴胺的两亲性聚乙二醇树枝状大分子可以与BTZ反应制备BTZ前药纳米粒子。与单独使用BTZ相比，BTZ前药纳米粒子具有更好的血清稳定性，并能在酸性环境中释放原药。BTZ前药纳米粒子对皮下肿瘤的治疗效果优于BTZ本身。

此外，c(RGDyK)修饰可以显著提高BTZ前药纳米粒子对皮下和颅内肿瘤的抗肿瘤效果。而且BTZ前药纳米粒子在体内可显著降低BTZ的毒性。因此，这种聚乙二醇化BTZ树枝状前药纳米粒子在体内治疗实体肿瘤方面具有巨大的潜力。

Xuefeng Hu, Zhilan Chai, Linwei Lu, et al. Bortezomib Dendrimer Prodrug-Based Nanoparticle System, Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1807941. DOI: 10.1002/adfm.201807941.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201807941.

12. Sci. Adv.: 富含硼酸的树枝状大分子具有强大和空前的胞质蛋白传递和CRISPR-Cas9基因编辑效率

细胞内蛋白的传递对蛋白质生物技术和治疗的发展至关重要，然而细胞内原生蛋白的高效传递仍然是一个挑战。华东师范大学Yiyun Cheng等报道了一种富含硼酸的树枝状大分子，它具有前所未有的细胞内高效传递天然蛋白质的能力。

这种富含硼酸的树枝状大分子能与带负电荷和正电荷的蛋白质结合，并能有效地将13种载货蛋白质运送到活细胞的细胞质中。所有被运送的蛋白在胞质内均保持其生物活性。

该树枝状大分子保证了Cas9蛋白在细胞内高效地传递到各种细胞系，并在CRISPR-Cas9基因组编辑中表现出较高的效率。合理设计富含硼酸的树枝状大分子为天然蛋白质的传递提供了一个高效的平台。

Chongyi Liu, Tao Wan, Hui Wang, et al. A boronic acid–rich dendrimer with robust and unprecedented efficiency for cytosolic protein delivery and CRISPR-Cas9 gene editing, Sci. Adv. 2019; 5 : eaaw8922. DOI: 10.1126/sciadv.aaw8922.

https://advances.sciencemag.org/content/5/6/eaaw8922.