自组装体系的超分子手性研究-中国科学院化学研究所
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知识介绍基于氢键的自组装超分子体系白炳莲 李 敏3(吉林大学材料科学与工程学院汽车材料教育部重点实验室 长春 130023)摘 要 氢键自组装超分子是超分子体系中相对较新颖和引入注意的领域,它在化学和生物体系中占据非常重要的位置。
本文主要介绍目前文献报道的一系列由不同氢键缔合方式形成的自组装超分子。
关键词 氢键 自组装 超分子化学Recen t Progress of Supram olecules by Self-a ssem bly v i aI n term olecular Hydrogen Bond i ngB ai B inglian,L iM in3(D epartm ent of M aterials Science,J ilin U niversity,the Key L abo rato ry ofA utomobile M aterials of M inistry of Educati on,Changchun130023,Ch ina)Abstract Sup ramo lecules by self2assem bly via inter mo lecular hydrogen bonding interacti on are a relatively new and fascinating area in sup ramo lecular science.It w ill p lay an i m po rtant ro le in chem ical and bi o logical system s.T h is review describes a series of hydrogen bonding sup ramo lecules repo rted fromthe recent literatures.Key words H ydrogen bond,Self2assem bly,Sup ramo lecuar Chem istry20世纪80年代末,诺贝尔化学奖获得者L ehn教授创造性地提出了超分子化学[1]的概念并在这一领域进行了大量的卓越的实践,为化学学科从经典的分子化学迈向新的研究层次指明了方向[2]。
超分⼦材料——发展新型材料的突破⼝超分⼦组装是⾃下⽽上创造新物质和产⽣新功能的重要⼿段。
利⽤该⽅法可以构筑多级组装结构,获得动态、多功能及⾼性能的超分⼦材料。
超分⼦材料中分⼦间的可逆弱相互作⽤为组装体的结构形态与功能调控提供了可能,从⽽赋予材料以刺激响应性以及⾃修复等优异性能。
在分⼦化学研究中,⼈们在不断深化对经典化学键认识的同时,也更多地认识到了分⼦间相互作⽤的重要性。
到了20世纪70年代,法国的J. M. Lehn教授提出超分⼦化学的概念,并因此在1987年与其他两位美国学者⼀起荣获诺贝尔化学奖,将超分⼦化学、分⼦识别和主客体化学推向科学发展的前沿,从此开启了⼈类利⽤超分⼦化学认识世界的新层⾯。
到了今天,超分⼦相互作⽤不仅被各个领域的科学家⼴泛接受,⽽且被⽤于获得⼤量⽤传统⽅法难以获得的新材料。
吉林⼤学的研究集体在国际合作中,在德国科学院院⼠H.Ringsdorf教授(德国Mainz⼤学)和法国科学院院⼠J. M. Lehn教授(法国Strasbourg⼤学)等的引领下,于20世纪80年代末进⼊超分⼦化学研究领域。
为了推动超分⼦研究在国内的开展,吉林⼤学沈家骢教授和张希教授与两位国际先驱者于90年代共同组织了包括“超分⼦体系⾹⼭科学会议”在内的⼀系列超分⼦化学⽅⾯的国际会议,以超分⼦体系(supramolecular system)为中⼼课题,不仅提⾼了对超分⼦发展的认识,也在国内培养了⼀批研究⾻⼲,有效地推动了国内相关研究的快速发展。
吉林⼤学的超分⼦体系研究以层层组装复合膜与纳⽶微粒为起点,以能源材料(发光)为重点,聚焦在超分⼦结构构筑与功能导向的超分⼦材料,并以发现新结构作基础、功能扩展和材料导向为⽬标。
研究集体依托“超分⼦结构与材料教育部重点实验室”开展⼯作,并于2010年正式升格为国家重点实验室。
实验室围绕超分⼦材料的核⼼⽬标,从基础做起,开展系统研究。
⽬前已经发展和建⽴了若⼲个超分⼦材料体系,如超分⼦光电材料体系、以⾦属-离⼦簇为基元的⽆机-有机杂化体系、微粒复合材料体系、精准组装动态材料体系,以及蛋⽩质组装体系等,这些都将在本书逐章加以介绍。
!!!"!"!!!"!"综述收稿日期:2006-02-21。
收修改稿日期:2006-03-16。
国家自然科学基金资助项目(No.90306011,20341003)。
*通讯联系人。
E-mail:jianglei@iccas.ac.cn第一作者:刘欢,女,29岁,博士;研究方向:无机纳米材料。
纳米材料的自组装研究进展刘欢1翟锦2江雷*,2,1(1国家纳米科学中心,北京100080)(2中国科学院化学研究所,北京100080)摘要:本文主要评述了近年来纳米材料自组装的研究进展,即对以纳米材料(包括零维的纳米粒子和一维的纳米管/线)为单元而开展的自组装方面的工作进行了介绍。
将纳米材料自组装为各种尺度的有序结构会产生更优异的整体的协同性质,这对于以纳米材料为基础而构筑的微纳米器件有着重要的意义。
由于目前纳米材料的研究主要集中在零维和一维体系,因此,本文分别就此两种体系的自组装行为进行了评述。
具体内容包括:单分子层薄膜修饰的无机纳米粒子的自组装、大分子修饰的无机纳米粒子的自组装、未被修饰的无机纳米粒子的自组装;表面张力及毛细管力诱导的一维纳米材料的自组装、模板诱导的一维纳米材料的自组装、静电力诱导的一维纳米材料的自组装。
关键词:自组装;纳米粒子;纳米线;纳米管;图案化表面中图分类号:O611.4文献标识码:A文章编号:1001-4861(2006)04-0585-13TheResearchProgressinSelf-AssemblyofNano-MaterialsLIUHuan1ZHAIJin2JIANGLei*,2,1(1NationalCenterforNanoscienceandTechnology,Beijing100080)(2InstituteofChemistry,ChineseAcademyofSciences,Beijing100080)Abstract:Onthebasisofintroductionoftherecentprogressinself-assemblyofnano-materialsfromourresearchgroup,areviewhasbeenmainlygiventotheself-assemblyofnano-materials,includingnanoparticlesandnanowires/tubes,intomulti-scaleregularpatternedstructures.Suchself-assemblystrategyhasparamountimpor-tanceforthepracticalapplicationofnano-materials-basedequipments.Theconcretecontentsmainlyinclude:self-assemblyofinorganicnanoparticlesfunctionalizedbyself-assembledmonolayer(SAM),self-assemblyofinor-ganicnanoparticlesfunctionalizedbymacro-molecular,self-assemblyofnakedinorganicnanoparticles;template-inducedself-assemblyofone-dimensionalnanomaterials,surfacetensionandcapillaryforceinducedself-assem-blyofone-dimensionalnanomaterials,electrostaticforceinducedself-assemblyofone-dimensionalnanomaterials.Keywords:self-assembly;nano-particle;nanowires;nanotubes;patternedsurface所谓自组装,是指基本结构单元(分子,纳米材料,微米或更大尺度的物质)自发形成有序结构的一种技术[1]。
自组装(self-assembly),是指基本结构单元(分子,纳米材料,微米或更大尺度的物质)自发形成有序结构的一种技术。
在自组装的过程中,基本结构单元在基于非共价键的相互作用下自发的组织或聚集为一个稳定、具有一定规则几何外观的结构。
自组装过程并不是大量原子、离子、分子之间弱作用力的简单叠加,而是若干个体之间同时自发的发生关联并集合在一起形成一个紧密而又有序的整体,是一种整体的复杂的协同作用。
自组装(self-assembly)为系统之构成元素(components;如分子)在不受人類外力之介入下,自行聚集、组织成规则结构的现象[1],例如分子的结晶即是一种自组装现象。
自组装程序的发生通常会将系统从一个无序(disordered)的狀态转化成一个有序(ordered)的狀态,其可以发生在不同的尺度,例如分子首先聚集成奈米尺寸的超分子单元(supramolecular unit;如界面活性剂分子自组装成微胞;如图一所示),这些超分子单元间的作用力进而促使其在空间上做规则的排列(如微胞排列成体心立方之晶格),而使系统具有一种阶级性结构(hierarchical structure)。
自组装普遍存在於自然界中,如生物体的细胞即是由各种生物分子自组装而成;而运用各种分子之自组装亦是建构奈米材料非常重要的方法,这种所谓由下而上(bottom-up)的方法目前被广泛应用來制备具光、电、磁、感测、与催化功能的奈米材料多分子自组装体化学概述分子聚集体化学是化学发展的新层次。
分子聚集体化学以分子之间的弱相互作用及其协同效应为基础,自组装是创造具有新颖结构和功能的有序分子聚集体的重要手段。
分子聚集体的化学为实现化学学科的知识创新提供了契机,同时它与物理、生物、材料等学科交叉融合,而成为产生新概念和高技术的重要源头之一。
拟解决的关键科学问题:多层次、多组分的分子自组装及组装动态过程;分子间弱相互作用的加合性、协同性和方向性;分子聚集体中的电子转移、能量传递和化学转换。
手性化学研究的新进展张来新;朱海云【摘要】手性化学作为一门植根深远的新兴热门边缘学科,目前已渗透到21世纪的许多热点学科.简要介绍了手性化学的形成发展及应用,详细介绍了手性合成手性拆分及其应用、手性光谱学及应用和手性化学在生命科学中的应用,并对手性化学的发展进行了展望.【期刊名称】《化工科技》【年(卷),期】2016(024)006【总页数】4页(P79-82)【关键词】手性化学;手性拆分;应用【作者】张来新;朱海云【作者单位】宝鸡文理学院化学化工学院,陕西宝鸡721013;宝鸡文理学院化学化工学院,陕西宝鸡721013【正文语种】中文【中图分类】TQ463;O621一般而言,将研究手性化合物的结构、制备、理化性质、相互转变及应用的化学称为手性化学。
手性化学作为一门植根深远的新兴热门边缘学科,不仅广泛应用于医药、农业、食品、材料等领域,在国计民生中也占据极为重要的地位。
互为手性的分子是一对立体异构体,它们的平面结构相同,但立体构型不同,互为实物和镜像的关系,但它们又有着不同的生理活性和药理活性,在医药学领域,其中的一个可能具有疗效,而另一个可能无效甚至有毒。
因此,在医药学上对一对手性分子对映体药物进行拆分就显得尤为重要,以避免对人体的健康构成直接或潜在的威胁;在农药的制备和使用中对其外消旋体也要进行拆分,以避免使用大量无效甚至有毒有害的对映体,从而消除对植物或环境造成严重的对映体污染,并诱发生态灾难;手性食品添加剂以外消旋形式食用时,不仅会影响风味,而且无效甚至有毒有害的对映体会产生食品安全问题等。
因此,研究设计手性合成的新方法、发现和制备高效手性合成专一催化剂、制备单一构型的手性化合物、研究手性识别及手性拆分、以及使用无毒无害的手性化学品,对保障人类健康长寿,保护自然生态环境及人类社会良性的可持续发展具有重要的现实意义和深远的历史意义。
不仅如此,手性化学在21世纪的新兴热门领域如生命学科、环境科学、材料科学、生物学、能源科学、纳米材料、信息科学、仿生学、生物化学、生物物理、波谱学等领域也彰显出潜在而广阔的应用前景,因此它们之间在发展中相互促进、相得益彰。
超分子化学技术及其应用进展20世纪80年代末, 诺贝尔化学奖获得者J.M.Lehn 创造性地提出了超分子化学的概念,它的提出使化学从分子层次扩展到超分子层次,这种分子间相互作用形成的超分子组装体,带给人们许多认识上的飞跃,认识到分子已不再是保持物性的最小单位。
功能的最小基本单位不是分子而是超分子,功能产生于超分子组装体之中,这种认识带来了飞跃。
据估计,现在已有40 %的化学家要用超分子的知识来解决所面临的科学问题,超分子科学已成为21世纪新思想、新概念和高技术的一个主要源头[1]。
所谓超分子化学[2],是基于分子间的弱相互作用(或称次级键) 而形成复杂而有序且有特定功能分子聚集体的化学。
不同于基于原子构建分子的传统分子化学,超分子化学是分子以上层次的化学,它主要研究两个或多个分子通过分子之间的非共价键弱相互作用,如氢键、范德华力、偶极/ 偶极相互作用、亲水/ 疏水相互作用以及它们之间的协同作用而生成的分子聚集体的结构与功能。
一、超分子化合物的分类[3]1.1杂多酸类超分子化合物杂多酸是一类金属一氧簇合物,一般呈笼型结构,是一类优良的受体分子,它可以与无机分子、离子等底物结合形成超分子化合物。
作为一类新型电、磁、非线性光学材料极具开发价值,有关新型Keg-gin和Dawson 型结构的多酸超分子化合物的合成及功能开发日益受到研究者的关注。
1.2 多胺类超分子化合物由于二氧四胺体系可有效地稳定如Cu ( Ⅱ) 和Ni ( Ⅱ) 等过渡金属离子的高价氧化态,若二氧四胺与荧光基团相连,则光敏物质荧光的猝灭或增强就与相连的二氧四胺配合物与光敏物质间是否发生电子转移密切相关,即通过金属离子可以调节荧光的猝灭或开启,起到光开关的作用。
大环冠醚由于其自组装性能及分子识别能力而引起人们广泛的重视。
近来,冠醚又成为在超分子体系中用于建构主体分子的一种重要的建造单元。
李晖等利用了冠醚分子的分子识别能力及蒽醌分子的光敏性,设计合成了一种新的氮杂冠醚取代蒽醌分子,并以该分子作为主体分子,以稀土离子作为客体构成超分子体系,并研究了超分子体系内的能量转移过程。
第41卷㊀第7期2020年7月发㊀光㊀学㊀报CHINESEJOURNALOFLUMINESCENCEVol 41No 7Julyꎬ2020文章编号:1000 ̄7032(2020)07 ̄0770 ̄05当稀土遇见分子笼:新型发光超分子体系孙庆福∗ꎬ李小贞(中国科学院福建物质结构研究所结构化学国家重点实验室ꎬ福建福州㊀350002摘要:稀土超分子体系由于其独具特色的结构和光学特性ꎬ近年来受到了广泛的关注ꎮ本文回顾了稀土超分子体系的发展进程ꎬ聚焦该领域目前取得的进展ꎬ并结合发光材料的发展需求展望了这一新型体系未来面临的挑战和发展契机ꎮ关㊀键㊀词:稀土发光ꎻ超分子ꎻ多组分ꎻ配合物中图分类号:O482.31㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀DOI:10.37188/fgxb20204107.0770WhenRareEarthComesAcrossMetal ̄organicCages:ANewLuminescentSupramolecularSystemSUNQing ̄fu∗ꎬLIXiao ̄zhen(StateKeyLaboratoryofStructuralChemistryꎬFujianInstituteofResearchonTheStructureofMatterꎬChineseAcademyofSciencesꎬFuzhou350002ꎬChina)∗CorrespondingAuthorꎬE ̄mail:qfsun@fjirsm.ac.cnAbstract:Rareearthsupramolecularsystemshavereceivedincreasingattentionrecentlyꎬduetotheiruniquestructuralfeaturesandexcellentluminescentproperties.Wepresenthereashortreviewonthehistoryofmononuclearrareearthcomplexesandthecurrentachievementsofpolynuclearrareearthsupramolecularsystemsꎬrespectively.Bylookingintothefuturechallengesandopportunitiesꎬwelookforwardtotheboomingdevelopmentofthisyoungfield.Keywords:lanthanideluminescenceꎻsupramolecularꎻmulti ̄componentꎻcoordinationcomplex㊀㊀收稿日期:2020 ̄06 ̄10ꎻ修订日期:2020 ̄06 ̄22㊀㊀基金项目:中国科学院战略性先导科技专项(XDB20000000)ꎻ国家自然科学基金(21901245)资助项目SupportedbyStrategicPriorityResearchProgramofChineseAcademyofSciences(XDB20000000)ꎻNationalNaturalScienceFoundationofChina(21901245)1㊀引㊀㊀言对光的感知是生物最基本的一种能力ꎬ因此发光材料在我们的生产㊁生活中起着不可或缺的作用ꎮ与有机发色团以及过渡金属 ̄有机发色团相比ꎬ稀土元素独特的光谱性质使其在发光领域具有特殊地位ꎮ镧系稀土元素因其丰富的电子能级和特殊的f电子跃迁ꎬ发光波长几乎覆盖整个固体发光范畴且具有长寿命激发态ꎬ可以用于制备各种新型的发光材料[1 ̄2]ꎮ从Y2O3ʒEu荧光粉到YAGʒNd激光器ꎬ如今ꎬ稀土元素已经在光学器件㊁生物成像和诊疗㊁安全防伪㊁发光传感器和太阳能转换等方面实现了广泛应用ꎮ随着科技和信息的发展ꎬ对新型发光材料的制备也提出了精准化㊁智能化和绿色化等更高的要求ꎮ配位导向自组装在多组分超分子聚集体构筑的可控合成与调控方面展现出优异的高效性与多样性ꎮ利用具有明确配位构型的过渡金属为节㊀第7期孙庆福ꎬ等:当稀土遇见分子笼:新型发光超分子体系771㊀点ꎬ通过有机构筑基元的合理设计与调控ꎬ各种几何形状的多核金属有机分子笼的结构设计成为可能ꎬ其中具有绝对立体构型的手性配位超分子体系也被相继报道[3]ꎮ由于宇称选律以及自旋多重度的变化等因素的影响ꎬ三价稀土离子自身的吸光度较低(<100M-1 cm-1)ꎬ致使其直接光激发一般需要高功率光源ꎮ与无机稀土材料相比ꎬ稀土 ̄有机超分子体系可以充分利用配体的天线效应敏化稀土发光ꎬ且可以通过分子设计实现对组装体结构和性能的可控调节ꎬ最终实现发光材料的智能化设计ꎮ然而ꎬ受限于稀土配位化学的复杂性ꎬ多组分稀土超分子体系的设计合成长时间无人问津ꎮ2㊀昨天:稀土遇见超分子稀土超分子体系的研究历史其实由来已久ꎮ19世纪60年代ꎬNMR核磁位移试剂的发展引发了人们对于Ln ̄酞菁和Ln ̄卟啉化合物的研究ꎮ相应地ꎬ基于锁匙原则的经典冠醚㊁穴醚等单核稀土大环化合物被相继报道ꎬ并进一步促进了具有更好框架柔性的杯芳烃㊁席夫碱大环㊁1ꎬ4ꎬ7ꎬ10 ̄四氮环十二烷及其衍生物等的稀土配位化学研究ꎮ随着设计性和可修饰性更强的多头配体的设计合成ꎬ具有良好稳定性㊁水溶性及发光性能的单中心稀土配合物在生物分析领域的应用开始进入人们的视野[4]ꎮ对比有机染料ꎬ稀土螯合物特征的4f电子跃迁发射覆盖可见区到近红外区ꎬ具有荧光寿命长㊁特征的线状发射和大斯托克斯位移等优点ꎮ例如ꎬ基于1ꎬ4ꎬ7ꎬ10 ̄四氮环十二烷衍生物以及含2ꎬ2ᶄ ̄联吡啶的穴状配体形成的稀土大环化合物ꎬ可以实现对金属离子㊁pH㊁O2㊁阴离子等的特异性和高灵敏传感[5]ꎮ从非均相的解离增强型氟化镧免疫测定(DELFIA)到均相时间分辨荧光测定(HTRF)的广泛应用也见证了稀土配合物的快速发展ꎮ其中Lehn教授报道的三(联吡啶)穴状配体与稀土金属离子形成的化合物已经被CisBio公司商品化ꎬ用于免疫分析检测[6]ꎮParker教授课题组也通过在多齿大环配体ꎬ如DTPA(二乙烯三胺五乙酸)㊁DO3A(1ꎬ4ꎬ7ꎬ10 ̄四氮杂环十二烷 ̄1ꎬ4ꎬ7 ̄三乙酸)等ꎬ连接一个或多个发色团或靶向基团ꎬ大大提高了稀土化合物在生物成像和分析检测中的光学性能和靶向性[7]ꎮRaymond教授等也相继报道具有强发光的单核稀土超分子配合物用于相关检测试剂盒ꎬ且已经分别被ThermoFish ̄erꎬLumiphore公司商品化推广[8]ꎮ此外ꎬ值得一提的是ꎬ基于DOTA(1ꎬ4ꎬ7ꎬ10 ̄四氮杂环十二烷 ̄1ꎬ4ꎬ7ꎬ10 ̄四乙酸)和DTPA衍生物的大环配体的钆螯合物也是目前广泛临床使用的核磁共振成像(MRI)造影剂[9]ꎮRaymond教授曾报道含两个内层配位水的穴状钆螯合物ꎬ大大提高了造影剂的弛豫时间[10]ꎮ3㊀今天:五颜六色的稀土超分子组装体尽管单核稀土螯合物已经在光学检测㊁生物成像等方面取得了重要进展ꎬ但仍然面临较多局限性ꎮ单打独斗不如团队合作ꎬ超分子自组装基于非共价键相互作用由简单的构筑基元到构筑复杂的分子体系ꎬ其较强的协同效应和组装可控性为提高和优化多核稀土组装体的性能提供了可能ꎮ1992年ꎬPiguet教授等发表了首例基于二(苯并咪唑)吡啶配位基团的M2L32型(M代表金属中心ꎬL代表有机配体)双核稀土超分子三股螺旋结构ꎮ通过对配位点数量和种类的调节ꎬ实现对不同稀土金属离子及稀土金属离子和过渡金属离子的可控编码性组装ꎬ成功构筑了多核及d ̄f异金属螺旋结构[11 ̄12]ꎮ尽管稀土元素的物理㊁化学性质较为相似ꎬ但在光谱以及磁性等方面又具有不易受环境影响的高度特异性ꎮ在分子水平上实现不同金属离子的编码性组装对调节光学性能㊁实现多模式成像及上转换发光等具有重要意义ꎮ2011年ꎬBunzli教授等报道了含有异金属稀土三股螺旋体ꎬ其近红外发光的激发窗口可达600nm[13]ꎮ类似的稀土螺旋体结构也已经被用于设计生物荧光探针及单分子磁体ꎮ同时ꎬ利用含过渡金属CrⅢ的CrErCr组装体分子内Cr(2E)ңEr(4I9/2)能量传递ꎬ用近红外光激发可得到ErⅢ金属中心的绿色荧光发射ꎬ是首例NIRң可见光的分子上转换超分子体系[14]ꎮ含两个敏化剂的CrErCr组装体与含一个敏化剂的CrEr组装体相比表现出更高的上转换发光效率ꎮ因此ꎬ通过多组分超分子自组装来提高敏化剂/发光中心的比例是提高分子上转换发光效率的重要途径ꎮ段春迎课题组报道了一系列稳定的稀土铈的金属 ̄有机四面体笼ꎬ利用稀土特征发光和超分子笼特有772㊀发㊀㊀光㊀㊀学㊀㊀报第41卷的限域空腔实现了对活体细胞中NO的生物成像检测以及尺寸选择性催化ꎬ并能够通过便捷的荧光监测实现对催化反应进程的可视化跟踪ꎬ揭示了稀土配位超分子笼的另一重要应用前景[15 ̄16]ꎮ2016年ꎬAlbrecht教授设计合成了具有裸露金属位点的M2L2型双金属稀土二股螺旋结构ꎬ并利用配位取代荧光增强效应展示了其对AMP的高选择性荧光识别[17]ꎮ通过进一步对有机构筑基元的修饰和调节ꎬ我们课题组在多核稀土超分子组装体的水稳定性以及发光性能的优化方面取得重要进展ꎬ为荧光识别等应用提供了良好的基础[18 ̄19]ꎮ㊀手性存在于所有生物中ꎬ因此手性物质的合成和检测对了解自然和模仿自然极为重要ꎮ随着近年来圆偏振发光(Circularpolarizedlumines ̄cenceꎬCPL)检测技术的发展与普及ꎬ手性构型化合物的CPL性能引起了广泛关注ꎮ由于有机分子的不对称发光因子普遍较低(一般glum<10-4)ꎬ严重限制了其在手性光学方面的应用ꎮ稀土离子的f ̄f跃迁遵循磁偶极选择规则ꎬ其发光常表现为更大的不对称极化和更高的灵敏性[20]ꎮ因此ꎬ具有特定空腔结构的手性稀土超分子主体在基于CPL的手性检测领域具有重要的潜力ꎮ采用带手性诱导基团配体来选择性构筑具有稳定手性构型的三维稀土超分子设计策略ꎬ我们课题组在2015年合成了首例手性纯的镧系铕超分子四面体笼ꎬ并通过配体手性自分类组装实验证实了两种拓扑结构的四面体超分子骨架在机械耦合协同效应方面的显著差异ꎮ具有单一立体构型的镧系四面体对手性有机磷阴离子展示出较好的手性NMR识别行为ꎬ预示着手性稀土配位多面体在手性位移试剂方面也拥有重要的应用前景[21]ꎮ通过对配体螯合边臂错位距离的连续性调控ꎬ我们进一步实现了从稀土有机螺旋体㊁四面体㊁再到立方体的定向结构调控ꎬ详细总结了浓度依赖的平衡转化㊁热力学/动力学稳定性差异㊁立体选择性原则㊁组分协同效应等稀土超分子多面体溶液自组装的机理[22]ꎮ新制备的稀土超分子组装体可作为理想的荧光探针用于爆炸物㊁农药㊁手性小分子等的高灵敏度的荧光检测ꎬ为其在荧光探针以及生物成像等方面的应用提供了良好的基础[23 ̄25]ꎮ闫鹏飞教授通过手性辅助配体的诱导基于非手性配体合成了具有较高量子产率(81%)和不对称因子(glum=0.2)的手性稀土四面体结构ꎬ并表现出较强的手性记忆性能[26]ꎮ虽然稀土元素的配位多样性和易变性给多组分手性稀土分子笼的设计合成带来巨大挑战ꎬ但是目前的研究进展已经表明它们在手性检测及不对称催化领域有着重要的应用前景ꎮ4㊀明天:稀土超分子点亮的世界多组分稀土超分子体系具有自下而上导向自组装的可预测性㊁明确的分子结构和易于化学修饰等显著区别于传统稀土配合物和稀土纳米粒子的特点ꎬ加上其精准可调的纳米空腔㊁组分协同效应和多功能复合等特色优势ꎬ是发展新型智能发光材料的重要突破口ꎮ例如ꎬ一个同时满足低毒性㊁水稳定㊁强发光(特别是近红外Ⅱ窗口发光)㊁能可逆包裹和释放抗癌药物这四方面要求的稀土分子笼就是一个理想的可视化靶向药物载体ꎮ虽然多组分稀土超分子发光材料方面的研究才刚刚起步ꎬ我们相信不远的将来它们在荧光传感㊁生物检测和诊疗药物等领域将发挥更多更大的作用ꎮ正所谓:路途漫漫ꎬ未来可期ꎮ参㊀考㊀文㊀献:[1]BUNZLIJ 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超分子化学摘要:超分子化学是基于分子间的非共价键相互作用而形成的分子聚集体的化学。
在与材料科学、生命科学、信息科学、纳米科学与技术等其它学科的交叉融合中,超分子化学已发展成了超分子科学,被认为是21世纪新概念和高技术的重要源头之一。
由于超分子学科具有广阔的应用前景和重要的理论意义,超分子化学的研究近十多年来非常活跃。
本文介绍了超分子化学的基本理论和概念,论述了其基本功能和应用,探讨了当前超分子化学领域的研究热点和进展状态,以及目前还存在的基本问题。
关键词:超分子化学识别分离正文部分一、发展关于超分子化学的发展特别要提到三个人,Pederson C,Cram D.J.和Lehn J M,他们分享了1987 年诺贝尔化学奖[1]。
自从1967年C.J.Pederson发表了关于冠醚的合成和选择性络合碱金属的报告,揭示了分子和分子聚集体的形态对化学反应的选择性起着重要的作用;D.J.Cram基于在大环配体与金属或有机分子的络合化学方面的研究,提出了以配体(受体)为主体,以络合物(底物)为客体的主客体化学;J.M.hn模拟蛋白质螺旋结构的自组装体的研究内容,在一定程度上超越了大环与主客体化学而进入了所谓“分子工程”领域,即在分子水平上制造有一定结构的分子聚集体而起到一定的特殊性质的工程,并进一步提出了超分子化学即“超越分子的化学”的概念,他指出:“基于共价键存在着分子化学领域,基于分子组装体和分子间键而存在着超分子化学”[2]。
超分子化学是基于分子间的非共价键相互作用而形成的分子聚集体的化学,它主要研究分子间的非共价键的弱相互作用,如氢键、配位键、亲水键相互作用及它们之间的协同作用而生成的分子聚集体的组装、结构与功能。
超分子化学作为化学的一个独立分支,已经得到普遍认同。
它是一个交叉学科,涉及无机与配位化学、有机化学、高分子化学、生物化学和物理化学,由于能够模仿自然界已存在物质的许多特殊功能,形成器件,因此它的潜在应用价值已倍受人们青睐。
新型大环超分子化合物的合成及其应用新进展*冀世保1,张来新21 西安交通工程学院Ὃ陕西西安7103002 宝鸡文理学院化学化工学院Ὃ陕西宝鸡721013Ὀ摘要:超分子化学是化学与生物学、物理学、材料科学、主客体化学、信息科学和环境科学相互交叉融合而发展成为一门植根深远的新兴热门交叉边缘学科,其在工业、农业、国防、医药学、航空航天科学及众多高新领域有着广阔的应用前景。
该文简要介绍了超分子化学的产生、发展及应用;详细介绍了:(1)新型超分子化合物的合成及在医药学中的应用;(2)新型超分子化合物的合成及在催化科学中的应用;(3)新型超分子化合物的合成及在材料科学中的应用。
并对超分子化学的发展进行了展望。
关键词:超分子;合成;应用中图分类号:O 641. 3;TQ 61Recent Research Developments on Syntheses and Applications in New MacrocyclicSupramolecular CompoundsJI Shi-bao 1, ZHANG Lai-xin 2(1 Xi'an Traffi c Enginering Institute, Xi'an 710300, Shaanxi,China; 2 Chemistry & Chemical Engineering Department,Baoji University of Arts and Sciences, Baoji 721013, Shaanxi,China )Abstract: Supramolecular chemistry is an emerging and popular interdisciplinary subject that integrates chemistry with biology,physics, materials science, host object chemistry, information science, and environmental science. This paper briefl y introduces the generation, developments, and applications in supramolecular chemistry. The following three aspects are introduced in details: (1) (1) synthesis of new supramolecular compounds with applications in medicine; (2)synthesis of new supramolecular compounds with applications in catalysis science; (3) synthesis of new supramolecular compounds with applications in material science. Future developments of supramolecular chemistry are prospected in the end.Key words: supramolecular; synthesis; application*基金项目:陕西省重点实验室科研计划项目(2010JS067);陕西省教育厅自然科学基金资助课题(04JK147)。
超分子化学中的新进展及应用超分子化学是指研究单个分子之间的相互作用和有序组合的化学学科。
它是现代化学中重要的研究领域之一,并在化学、材料学、生物学、医药学等领域中得到广泛应用。
本文将介绍超分子化学中的新进展及应用。
一、超分子化学中的新进展1. 新型非共价键传统意义上,超分子化学的分子相互作用主要集中在氢键、范德华力、静电相互作用这三种非共价键。
近年来,研究人员发现了一些新型非共价键,如基于硫-硫相互作用的超分子体系、基于芳香相互作用的超分子体系等。
以硫-硫相互作用为例,硫元素在化学中常见于蛋白质和DNA等生物分子中。
研究人员发现,含有大量硫元素的分子可以形成键强烈的硫-硫相互作用,因此可以应用于药物设计等领域。
2. 超分子催化超分子催化是指通过超分子体系促进催化反应,其优点是反应速率快、催化剂活性高、催化反应可控性好等。
在超分子催化领域中,金属有机催化、手性催化、自组装催化等技术的发展都是非常重要的。
尤其是自组装催化,即将分子按照一定方式组装成超分子体系,并利用体系内部的相互作用进行催化反应。
这种催化方法可实现选择性高、反应条件温和等特点,并已应用于合成有机分子和金属有机框架等领域。
3. 人工酶研究酶是生物体内的催化剂,具有高效、高选择性、高稳定性等优点,因此研究人员一直致力于开发具有生物酶催化特性的人工酶。
超分子化学可用于合成人工酶,通过设计合成含有特定功能基团的配合物,实现催化剂的选择性催化反应。
已有多种有机分子和金属有机配合物被证明具有酶样催化活性,如聚乙烯亚胺主链的状金属络合物、基于Pd金属的有机酸等。
二、超分子化学中的应用1. 药物设计药物设计利用超分子化学中的分子相互作用和有序组合原理,合成出新型的药物分子。
例如,以金属有机框架为载体,将药物分子嵌入其内部,形成具有特殊光电性质和催化活性的药物分子,在药物设计领域中具有广阔应用前景。
2. 分子识别超分子化学中的分子识别技术可用于酶底物检测、生物分子的识别和检测等领域。
分子自组装自组装 (self-assembly) 为系统之构成元素(components;如分子)在不受人类外力之介入下,自行聚集、组织成规则结构的现象。
例如分子的结晶即是一种自组装现象。
分子自组装简介自组装程序的发生通常会将系统从一个无序(disordered)的状态转化成一个有序(ordered)的状态,其可以发生在不同的尺度,例如分子首先聚集成纳米尺寸的超分子单元(supramolecular unit;如界面活性剂分子自组装成微胞),这些超分子单元间的作用力进而促使其在空间上做规则的排列(如微胞排列成体心立方之晶格),而使系统具有一种阶级性结构(hierarchical structure)。
自组装普遍存在于自然界中,如生物体的细胞即是由各种生物分子自组装而成;而运用各种分子之自组装亦是建构纳米材料非常重要的方法,这种所谓由下而上(bottom-up)的方法目前被广泛应用来制备具光、电、磁、感测、与催化功能的纳米材料。
多分子自组装体化学分子聚集体化学分子聚集体化学是化学发展的新层次。
分子聚集体化学以分子之间的弱相互作用及其协同效应为基础,自组装是创造具有新颖结构和功能的有序分子聚集体的重要手段。
分子聚集体的化学为实现化学学科的知识创新提供了契机,同时它与物理、生物、材料等学科交叉融合,而成为产生新概念和高技术的重要源头之一。
拟解决的关键科学问题:多层次、多组分的分子自组装及组装动态过程;分子间弱相互作用的加合性、协同性和方向性;分子聚集体中的电子转移、能量传递和化学转换。
研究内容1、分子间相互作用的协同效应与自组装原理:通过多识别位点单体的组装,阐明分子间相互作用的加合性、协同性和方向性,建立二维及三维空间分层次组装的有效原理和方法。
2、多层次、多组分的界面分子组装与功能:致力建立多级界面分子组装方法,研究溶液中的有序组装体在界面转化的规律及其动态形成过程和解组装过程,实现多组分、多层次的功能组装体构筑。
推荐国家自然科学奖项目公示 项目名称 自组装体系的超分子手性研究
推荐单位 (专家) 佟振合,江 龙, 席振峰 推荐单位(专家)意见: 超分子手性是连接分子手性与宏观手性的桥梁,对理解手性与生命、药物开发以及新材料设计具有重要意义。该项目围绕着超分子手性的产生,传递以及功能展开:首次发现了非手性分子在界面组装中的对称性破缺现象,揭示了其本质与普遍性;实现了从分子手性到超分子,纳米结构以及宏观尺度手性的传递;开拓了非手性基元的超分子手性体系的手性开关,手性记忆以及超分子手性识别等功能,形成了具有鲜明特色的系统性工作。 项目团队已经在J. Am Chem. Soc.,Angew. Chem. Int. Ed.和Adv.Mater.等国际权威杂志上发表了系列论文,相关成果被Science作为亮点报道。项目完成人应邀在Chem.Rev.上发表了自组装体的超分子手性的相关综述文章。 推荐该项目为国家自然科学二等奖。 项目简介: 该项目围绕自组装体系的超分子手性进行了系统探索和研究,揭示了界面组装体系中的对称性破缺,基于非手性分子实现了超分子手性的产生,并在这些体系中实现了超分子手性开关和记忆等功能,揭示了超分子手性的跨尺度传递特征等。 手性是自然界的普遍特征,与生命的产生、演变密切相关,也是药物研发以及液晶等新材料开发的要素之一。手性可以发生在从微观粒子到分子到宏观物质的各个层次。其中,分子与超分子层次的手性是理解生命现象、药物与生物体相互作用、开发新型功能材料等的关键。 超分子手性是分子通过非共价键作用的协同形成的与其镜像不能重合的结构所产生的,是连接分子手性和宏观手性的桥梁。对于超分子体系,一个重要的科学问题是超分子层次的手性是如何产生并实现手性功能的?特别是非手性分子在组装过程中能否发生对称性破缺而产生超分子手性?对上述问题的探索将从根本上理解超分子手性的产生、演变以及功能化,从而进一步揭示手性相互作用以及手性对于生命、药物开发以及新材料设计的重要意义。 2003-2004年,项目组首次发现:非手性分子可以通过气/液界面上的有序组装,发生对称性破缺、产生超分子手性。以此为契机,项目组系统探索了非手性分子在气/液界面发生对称性破缺的科学本质,揭示了这一现象的本质和普遍性;并进一步对无论是手性分子还是非手性分子参与的超分子体系中的超分子手性开关与记忆等功能进行了深入研究,形成了系统、有特色的成果。这些成果包括: (1)首次发现非手性分子在界面组装中的对称性破缺现象,揭示了其本质与普遍性。项目组首次发现,非手性萘并咪唑分子通过界面配位、长链巴比妥酸通过界面氢键作用进行组装时发生对称性破缺,产生了超分子手性;通过设计、合成和选择系列具有位阻效应,堆积作用的非手性分子体系,研究了它们在二维界面组装过程中产生的超分子手性,证实了这一现象的普遍性。 (2)揭示了基于非手性分子构筑的超分子体系中的手性开关与记忆效应,实现了由外消旋分子构筑的超分子手性体系与识别功能。完全基于非手性基元,成功实现了手性开关、记忆功能;从外消旋分子出发,构筑了超分子手性组装体,实现了对手性分子的识别以及ee值的检测。 (3)阐述了手性分子参与的超分子体系中的超分子手性从分子到纳米到宏观尺度的传递特征。设计了双头基两亲性的手性分子,构筑了手性纳米管,通过纳米管的平行手性缠绕,获得了强度可与多种共价高分子材料以及生物材料相比拟的宏观超分子纤维。 该成果涉及8篇代表性论文,发表在J. Am. Chem. Soc.; Angew.Chem.Int.Ed.和Adv.Mater.等国际权威杂志上。相关成果受到国际著名科学家在Chem. Soc. Rev.、J. Am. Chem.Soc.、Angew.Chem.Int.Ed.、Adv. Mater. 和Curr. Opin. Colloid & Interface Sci.等权威学术期刊上的正面评价;部分结果也被Science等专题评述或亮点报道。国际知名超分子专家、英国皇家化学会会士、Phys.Chem. Chem. Phys.副主编Ariga教授评论有关成果是“气/液界面超分子手性的开创性研究”。 客观评价: 一、关于超分子手性 手性是一个令化学家、生物学家以及物理和材料学家都非常关注的问题。尽管分子手性的研究已经很深入,但是超分子手性的研究仍然处于起步和发展阶段。以关键词chiral或者chirality 在web of Science上搜索,有30多万条,而以超分子手性(supramolecular chirality) 为关键词,在Web of Science上搜索发现,共有2478条相关条目(截止到2017年1月2日)。项目组以非手性分子在界面组装中的对称性破缺现象的发现为契机,拓展了超分子手性的相关研究,在有关超分子手性的论文发表中,Minghua Liu (Liu MH或者LIU MINGHUA)发表的论文数排名第一。 由于超分子手性的相关研究工作,2015年应邀为Chemical Review撰写了超分子手性的综述。Liu, M.; Zhang, L.; Wang, T., Supramolecular Chirality in Self-Assembled Systems. Chemical Reviews, 2015, 115 (15), 7304-7397. 二、对本项目相关成果的评价 该推荐书所涉及研究成果发表在JACS、Angew.Chem.Int.Ed., Adv.Mater.等期刊上,包括代表性论文8篇。相关研究成果的原创新与科学意义受到国际著名科学家或学术组织/机构的积极评价。相关引文发表在包括Chem. Soc. Rev.、J. Am. Chem.Soc.、Angew.Chem.Int.Ed.、Adv. Mater. 和Curr. Opin. Colloid & Interface Sci等权威学术期刊上。项目组的部分研究结果也被Science杂志作为亮点报道。主要第三方评价如下: 1. 针对科学发现点1(首次发现了非手性分子在界面组装中的对称性破缺现象,揭示了其本质与普遍性)的评价 国际知名超分子专家,英国皇家化学会会士,Phys. Chem. Chem. Phys. 副主编Ariga教授在胶体与界面化学领域的综述性期刊中(Curr. Opin. Colloid &Interface Sci., 2008, 13, 23)评论我们在气液界面通过氢键组装产生超分子手性的工作(J. Am. Chem. Soc., 2004,126, 1322)是“气/液界面超分子手性的开创性研究” (Pioneering research on supramolecular chirality at the air-water interface);他在另一篇综述(Sci. Technol. Adv. Mater. 2008, 9, 014109)中评论到“刘和合作者首先发现了非手性巴比妥酸在界面转移膜中手性结构的形成(…by Liu and coworkers, who first discovered formation of spiral (chiral) structures in transferred monolayers of a non-chiral barbituric acid derivative.);德国马普胶体化学研究所从事界面组装以及手性的著名科学家Vollhardt在同期的综述中(Curr. Opin. Colloid & Interface Sci. 2008, 13, 31)也表达了完全相同的观点; 针对二维的超分子手性结构, Science选为Editors’ Choice,以近期文献亮点“都卷起来了(All wound up)”为题,进行了报道(Science, 2004, 303, 591);
2. 针对科学发现点2(揭示了基于非手性分子构筑的超分子体系中的手性开关与记忆效应,实现了由外消旋分子构筑的超分子手性体系与识别功能。)的评价 针对基于非手性分子构筑的超分子手性开关。以色列科学家Lahav在综述中大量引用我们的文章(Curr. Opin. Colloid & Interface Sci. 2008,13,12),认为我们巧妙地利用了非手性两亲分子构筑了手性光学开关(Liu et al. reported recently an elegant utilization of the property of polymorphism for the design of a chiro-optical switch from an achiral amphiphile)。同时他评价我们的工作是杰出的(of outstanding interest)。 针对外消旋分子构筑的超分子手性体系用于手性分子检测,江云宝教授在Chem.Soc.Rev.中认为,”This distinctive character of the racemic assemblies offers a new strategy for chirality sensing”(外消旋化合物组装体的)这一特性为手性传感提供了新策略。并认为:this affords an extremely sensitive supramolecular chirality sensing system for protectedamino acids of ee close to 0. (这一方法提供了对于ee值接近于零的保护氨基酸非常敏感的超分子手性传感体系)
3. 针对科学发现点3(阐述了手性分子参与的超分子体系中的超分子手性从分子到纳米到宏观尺度的传递特征)的评价
诺丁汉大学David Amabilino教授(曾就职于西班牙材料科学研究所,)在英国皇家化学会的网络新闻, Chemistry world (https://www.chemistryworld.com/ news/self-assembling-yarn-shows-its-strength/6516.article) 中认为‘This is the first type of supramolecular polymer fibre with such good mechanical properties and shows that small molecules and summing non-covalent interactions can lead to robust materials,’这是第一个具有如此好机械性能的超分子聚合物纤维.., 并且认为,“It’s ‘certainly a very significant breakthrough’,”这是一个大的突破。