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螺旋納米管作為一類具有獨特手性特性的納米結構，在手性光學、對映選擇性識別與分離等領域展現出廣闊的應用前景。在高分子化學領域，研究人員已成功通過手性或非手性單體的聚合反應制備出多種螺旋共價聚合物。然而，這些合成方法仍存在兩個顯著局限性：其一，所得產物多為開放的螺旋鏈狀結構，難以形成封閉的納米管構型；其二，共價鍵連接的螺旋聚合物往往以非晶態或無規聚集體形式存在，這極大地阻礙了對聚合物結構的原子級精確表征。為了克服這些挑戰，動態共價化學因其在構建結晶性一維聚合物鏈方面的獨特優勢而受到廣泛關注。該策略通過可逆共價鍵的形成與斷裂，能夠實現聚合物結構的自校正和有序排列。然而，將這一方法拓展至螺旋納米管的合成仍面臨巨大困難，特別是在實現結構精確控制和增強穩定性方面。因此，開發新型合成策略以構建具有原子級精確結構的螺旋聚合物納米管，仍然是當前合成化學領域的一項重大挑戰。

近日，中國科學院福建物質結構研究所張健研究員團隊創新性地提出了一種分級自組裝策略，通過動態共價鍵與非共價相互作用的協同效應，首次實現了純手性螺旋聚合物納米管的單晶合成。該研究采用市售原料通過一鍋法反應成功構建了手性螺旋聚合物納米管，其形成機制基于硼氧烷結構單元的原位生成，進而自組裝形成螺旋骨架與納米管結構。在組裝過程中，動態共價鍵（B-N、B-O）驅動聚合物主鏈形成，而縱向氫鍵（C≡N···H-N）相互作用促使螺旋結構卷曲為封閉納米管，相鄰芳環間豐富的π-π相互作用則進一步穩定了該結構。研究團隊基于單晶-單晶（SCSC）轉化過程（從線性鏈到螺旋納米管）及合成過程中圓二色（CD）光譜的實時監測，提出了結晶誘導螺旋（CIH）納米管的分級自組裝形成機制。值得注意的是，由于納米管內富含N/O官能團以及大量共價/非共價相互作用，該螺旋聚合物納米管表現出優異的親水性和水穩定性，研究人員還系統研究了其質子傳導性能。該合成方法展現出良好的普適性，可適用于多種前驅體。研究發現，由非手性前驅體制備的螺旋聚合物納米管單晶均呈現單一手性特征，通過手性誘導可獲得對映體過剩的納米管；而使用手性前驅體則可直接得到單一手性螺旋聚合物納米管。值得關注的是，這些納米管材料均表現出顯著的光致發光特性。

一鍋法原位分級自組裝構建純手性螺旋聚合物納米管

相關研究成果以“Homochiral Single Crystals of Helical Polymer Nanotubes: Synthesis and Application”為題發表在Journal of the American Chemical Society上。中國科學院福建物質結構研究所俞穎華副研究員為論文第一作者，張健研究員和張海霞副研究員為共同通訊作者。研究工作獲得國家重點研發計劃、國家自然科學基金、福建省自然科學基金等項目的支持。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c04285