手性纳米材料因其独特的纳米结构和有趣的化学性质，以及在光学、生物学和催化等方面的应用前景而引起了材料和化学科学家越来越多的关注。然而，之前的关于手性纳米材料的合成研究，包括无机金属、金属化合物和有机超分子纳米结构在内的纳米材料的手性，无论是从几何形貌还是从光学活性的角度来看，通常都表现出二元的离散性，即呈现单一的、互为镜像的手性特性，而不能像宏观物体一样表现出连续手性的可调节性（比如压缩或者拉升弹簧可以使之具有连续的螺距长度）。目前，实现手性纳米材料的形貌与性能的连续可调节性是比较困难的，但是研发具有手性连续性能的纳米材料是非常重要的，这对于理解纳米手性结构与催化性能之间的相关性，揭示手性催化的构效关系，具有非常重要的意义。

近日，扬州大学化学化工学的院韩杰教授、奚政教授，与生物科学与技术学院的李世新讲师，以及大连理工大学的陶胜洋教授合作报道了一系列通过调控手性诱导剂—S/R-樟脑磺酸—的对映体过量百分比（χ：-1 ~ 1）来实现具有连续手性的聚苯胺纳米螺旋棒的调控合成策略。该种聚苯胺螺旋棒可作为催化剂的载体，它们的结构特点是具有连续可调的螺距与手性光学强度。分子动力学模拟解释了不同分子构型的手性诱导剂S/R-樟脑磺酸的加入改变了聚苯胺中的氢键的数目与相互作用能的大小，从而使聚苯胺螺旋棒显现出不同的手性螺距的纳米形貌。通过对不同螺距聚苯胺纳米螺旋棒周围的流体环境模拟可以发现，具有更紧密螺旋结构的聚苯胺纳米螺旋（χ = ±1）表面在流体微环境中拥有更大的涡度和更小的流速，有利于溶液中的反应物从溶液中扩散到纳米螺旋棒的表面，从而利用这一点可以加快在溶液中的催化反应的进行。为了在实验中证明这点，通过在不同旋向螺距的聚苯胺载体表面附载金纳米颗粒作为催化中心，作者发现，相比于无螺旋的聚苯胺纳米棒（χ = 0），拥有最紧密螺距的聚苯胺—金纳米螺旋催化剂（χ = ±1）在催化非手性的溶液相硝基苯酚还原反应中，使之反应速率常数提升了1.98倍。而其在催化另外的非手性3,3′,5,5′-四甲基联苯胺氧化反应中，对比无螺旋的聚苯胺—金纳米催化剂，具有紧密螺距的纳米棒的总催化效率也提升了1.66倍。此外，对于手性催化反应，以溶液相催化手性S/R-多巴氧化反应为例，螺距越紧密的聚苯胺—金纳米螺旋催化剂的手性选择性也有明显的上升趋势，相比于无螺旋的聚苯胺—金纳米棒，其选择性因子也由1.01增长至1.39。本研究为下一代具有连续手性形貌催化剂的结构设计和可控制备提供了理论指导与实际参考。相关研究成果以“Precise Control of Polyaniline Nanohelices with Chirality Continuum and Their Correlation on Catalytic Performance”为题发表在Nano Letters上，论文第一作者为扬州大学21级博士研究生杭鹏远。

文章信息：

Pengyuan Hang, Jiangbo Tong, Zheng Xi*, Shixin Li*, Shengyang Tao, Xiaohuan Sun, and Jie Han*. Precise Control of Polyaniline Nanohelices with Chirality Continuum and Their Correlation on Catalytic Performance. Nano Letters, 2024.

文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04816.