由于结构和性质的多样性，高分子在工业界广泛使用。在高分子的各种结构特点中，支化在决定其宏观材料性质中扮演关键角色。目前大多数合成高分子都是线性高分子或者中度支化高分子，其构象灵活，分子间作用力显著；而树状高分子作为一种高度支化的大分子，具有单分子的三维结构，分子间作用力较小，因此与其他材料的溶解性和可混溶性较好。
而线性-树状（L-D）共聚物则整合了这两类高分子的截然不同的性质，被认为会有独特的理化性质以及有意思的自组装行为，因此是一种具有吸引力的新型高分子材料（Figure 1）。但是目前为止还没有方法可以合成L-D交替共聚物。基于此，纽约州立大学布法罗分校的Chong Cheng课题组与杜兰大学、曼苏尔大学和约翰霍普金斯大学的研究人员合作，开创性地开发了一种合成L-D交替共聚物的新方法，并对合成的L-D交替共聚物的自组装性能进行了详细研究。相关研究成果于近日发表在Angew. Chem. Int. Ed.上（DOI: 10.1002/anie.201903402）。
为了成功合成这种新型L-D交替共聚物，作者进行了精心的设计（Scheme 1），包括以下几个特点：1）作者反复利用高效的巯基-烯烃反应和酯化反应成功构建了4代树状大分子DA-[G4]-ene32；2）树状大分子的焦点处有两个活性基团，可以与其他a,w-双官能团的线性分子反应；3）作者利用了高效的CuAAC点击反应来构建这种L-D交替共聚物；4）为了实现自组装，作者利用了亲水的线性分子聚乙二醇衍生物和疏水的树状大分子反应，以得到两亲性聚合物。
（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
作者通过反复的巯基-烯烃反应和酯化反应合成了4代树状大分子DA-[G4]-ene32（Scheme 1）。核磁、GPC和质谱表征均显示成功得到了目标产物且纯度较高，其分子量为8801.4 Da（Figure 2）。
（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
为了合成L-D交替共聚物，作者尝试了两种合成方法：第一种是将催化剂溴化亚铜（CuBr）、配体N,N,N’,N”,N”-五甲基二乙烯基三胺（PMDETA）与PEGDA混合于DMF后，利用注射泵缓慢将DA-[G4]-ene32注射到其中，GPC分析结果显示无论是反应46还是120小时，均有约一半的DA-[G4]-ene32未反应，继续延长时间也无明显影响。而如果将各原料直接混合反应，46小时后两个反应物的峰都消失了。作者推测这可能是由于高浓度下一个基团反应后会和Cu+配位，使另一个基团接触催化剂的概率增大，从而加速反应。作者对乙醚沉淀后的聚合物进行核磁和GPC表征，结果显示其分子量范围在97600-122000之间，且PEG与DA-[G4]-ene32的比例基本为1:1，大约各有6-7个分子（Figure 3）。
（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
接下来，作者研究了这种聚合物的自组装行为，作者将聚合物溶解在THF中，缓慢向其中加水，再旋蒸除掉THF，最后通过TEM、AFM和DLS对组装体进行了表征（Figure 4）。TEM图像表明这是一种棒状组装体，长度为94-174 nm，宽度为19-27 nm，长宽比约为4.4-7.8；DLS分析显示水动力学尺寸为290±21 nm；AFM数据显示其高度约6 nm。作者使用四氧化钌染色后再进行TEM观察发现组装体像珍珠项链，由一个个的小球串联而形成。
（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
作者认为这是二次组装的结果：首先由疏水的树状分子通过强烈的分子内作用力组装形成小胶束，亲水的PEG的存在可以防止聚集沉淀，但是却又不足以完全覆盖疏水的内核。因此为了降低界面能，小胶束倾向于通过侧面组装以尽量减少疏水内核的暴露，最终形成了纳米棒状结构（Figure 5）。
（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）
小结：本研究充分利用高效的点击化学反应首次合成了L-D交替共聚物。作者对这种两亲性的大分子在水中的组装行为进行了详细的研究：由于其独特的结构特点，倾向于在水中发生两次组装，由初始的小胶束组装成后来的纳米棒。总的而言，这项开创性研究将帮助开发出局部树状化的杂化大分子，可以帮助制备一些具有独特性质和功能的新型组装体。
