今天给大家分享一篇近期发表在ACS Macro Lett.上的研究进展，题为：Sequence-Encoded Macromolecules with Increased Data Storage Capacity through a Thiol-Epoxy Reaction。在该工作中，作者将γ-丁内硫酯的胺解和硫醇与环氧的反应在一步完成，成功合成了新型的双重序列编码低聚物。该工作的通讯作者是来自比利时Ghent University的Filip Du Prez。

近年来，人工合成的可储存信息的序列编码大分子受到了广泛的关注。在生物大分子中，DNA和RNA是核苷酸单体编码而成的线型聚合物，负责遗传信息的储存和传递。生物体通过以中心法则为主线的机制，实现这些遗传信息的读取。以此为代表的分子数据存储（molecular data storage）在单位体积的理论存储容量上要远超目前计算机技术所采用的硅基存储（silicon-based storage）。

然而，任何可以实际应用的存储技术都必须包含成熟的写入和读取两部分。对于人工合成的序列编码大分子来说，目前其写入（即合成方法）主要是通过两步（或多步）一循环的迭代合成法实现，而读取则依赖于质谱技术。合成方法决定了聚合物主链的结构、编码方式和能够实现的序列长短；质谱技术则是通过不同重复单元分子量的不同来对序列进行读取。

γ-丁内硫酯的胺解反应可以实现从氨基到巯基的官能团转化，而巯基具有非常丰富的反应类型，如thiol-ene，thiol-Michael，thiol-epoxy等等。因此，将内硫酯的胺解和巯基的反应一锅法顺序完成，可以高效得得到一系列有价值的分子结构或键连关系。例如，如果内硫酯的胺解产物本身是一个AB型逐步聚合单体，那么就可以通过上述策略一步得到线型聚合物。

此前，作者Filip Du Prez团队按照上述研究思路就相关转化进行了一系列开创性的探索（J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 1678；Macromolecules 2014, 47, 61；Polym. Chem. 2012, 3, 1007；Angew. Chem. Inter. Ed.; 2013, 52, 13261；Nat. Commun. 2018, 9, 4451等）。其中，在2018年发表在Nat. Commun.的工作中，作者便是使用的amine-thiol-Michael策略设计合成了一系列可以储存信息的序列精确的低聚物（图1）。然而，需要注意的是，γ-丁内硫酯和胺反应的动力学是较慢的，往往需要一方大过量以实现另一方的完全转化。

图1. amine-thiol-Michael策略

本文中，作者不再使用氨基烷基醇作为构筑单元，而是通过巯基和环氧的反应实现聚合物链末端羟基的引入（图2）。该策略可以在一个合成循环中引入两种不同的编码单元——胺和环氧，从而大大提高了编码信息的能力。相比之下，前述amine-thiol-Michael策略一个循环只能引入一种单元。并且，一级胺和环氧都具有大量商业可得、结构多样的化合物可供选择（图3）。这极大丰富了本策略编码单元的字母表（alphabet）。

图2. 本文的amine-thiol-epoxy策略

图3. 胺和环氧化合物库

通过使用不同的构筑单元进行迭代合成，作者得到了一系列序列精确控制的低聚物（图4），其单分散性得到了LC-MS、SEC和MALDI-TOF表征的支持。随后，为了验证从合成得到的低聚物样品读取序列信息的可行性，作者使用MALDI-TOF/TOF方法来断裂主链的氨基甲酸酯键，并对得到的碎片离子进行分析，最终成功证明了序列的可读取性。

图4. 本工作合成的序列编码低聚物

综上，作者通过amine-thiol-epoxy策略，一锅法实现了γ-丁内硫酯的胺解和中间体硫醇与环氧的开环反应，并将其应用于序列编码低聚物的合成。