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我校学者今年连续两次在《自然·通讯》报道可控自组装重要进展


发布时间:2018-11-07

  自从1987年诺贝尔化学奖授予在超分子化学领域做出突出贡献的三位科学家以来,超分子化学已经发展成为一门和生命科学、材料科学、信息及环境科学诸多领域相互交叉的前沿学科。作为超分子化学研究的核心内容之一,自组装被认为是在分子以上层次创造新物质和产生新功能的重要手段。2016年诺贝尔化学奖授予了在分子机器方面做出突出贡献的Sauvage、Stoddart以及Feringa三位教授,自组装正是构筑轮烷、索烃等机械互锁结构的重要手段。2005年国际著名杂志《科学》(Science)在纪念创刊125周年的专刊中提出“我们能推动化学自组装走多远”是人类21世纪面临的25个重大挑战之一。如何实现可控自组装,一直是超分子化学研究领域中的重大科学问题。我校杨海波教授研究团队长期从事超分子自组装的研究,今年连续两次在《自然·通讯》报道了在可控自组装领域取得的重要研究进展。

一、新型轮烷树枝状分子的高效构筑

  轮烷树枝状分子是指含有轮烷机械互锁结构的树枝状分子,其不仅展示了独特的拓扑结构,同时轮烷的引入赋予了树枝状分子独特的性能。但是,轮烷树枝状分子作为一类重要的超分子拓扑结构,其高效构筑一直是一个难题。在前期工作中,杨海波教授研究团队成功地将主客体相互作用与铂炔化学相结合,从三组分出发,通过“一锅法”高效构筑中性轮烷基元;然后通过逐级可控的生长方法,在国际上首次实现了轮烷作为重复单元的轮烷树枝状分子的高效构筑,解决了该领域过去十几年的一个难题。该工作发表在《美国科学院院刊》上(PNAS.2015, 112, 5597),得到了国际超分子化学家的广泛关注,2016年诺贝尔化学奖得主Stoddart教授评价该工作为迄今为止结构最复杂、最独特的轮烷树枝状分子。

  最近,在上述工作基础上,通过模仿自然界中精妙排列的纳米机械部件在外界刺激下产生特定功能输出的行为,杨海波教授研究团队进一步构筑了一例具有双重刺激响应性的枝杈型轮烷树枝状分子。从刺激响应型[2]轮烷基元出发,通过可控发散策略,成功构筑了一系列分立的枝杈型轮烷树状分子(G1-G3),最高代数至三代,其结构中含有21个刺激响应型轮烷基元,分子量高达40,886 Da(图1)。

通过可控发散法构筑枝杈型轮烷树枝状分子

  由于在轮烷基元中含有脲基基团,当向体系中加入或移除二甲基亚砜(DMSO)溶剂分子或醋酸根阴离子刺激时,大环基元可以沿轴发生可逆的定向性运动。有趣的是,双刺激响应型轮烷基元的引入,赋予了整个轮烷树状分子双刺激响应性质,使得该类轮烷树状分子表现出溶剂或阴离子诱导的分子运动行为,这类三维的分子集成运动进一步可诱导分子的收缩/扩张运动(图2)。该工作为构筑新型的超分子智能材料提供了新的思路,近期发表在《自然·通讯》上(Nat. Commun., 2018, 9, 3190)。

加入或移除外界刺激,诱导枝杈型轮烷树枝状分子收缩/扩张运动

  该工作由我校2014级博士研究生王旭庆同学为第一作者完成的,华东师大为第一作者单位和唯一通讯作者单位。我校徐林副教授为共同通讯作者(https://www.nature.com/articles/s41467-018-05670-y)。

  

二、发白光的新型Rosette拓扑组装结构

  超分子拓扑结构是一类重要的超分子组装体系,由于这类分子具有精巧复杂的结构和刺激-响应性质,因此在纳米科学及材料科学等领域有极大的应用前景。但是由于缺乏可控的构筑手段和高效的表征方法,一些复杂的超分子拓扑结构的构筑仍然面临巨大挑战。在前期工作中,杨海波教授研究团队通过合理设计,选择基元砌块并利用可控自组装,特别是以配位键为核心推动力的逐级自组装策略,成功构筑了一系列以分立金属有机组装体系为核心骨架的复杂超分子拓扑结构。例如,从含有四个吡啶基团的刚性四齿配体出发,分别与不同长度的180度双铂受体通过配位键组装,高效构筑了一类新的环套环(ring-in-ring)拓扑结构。当使用过渡金属Pd时,可以构筑分子量接近28,000 Da的球套球(sphere in sphere)拓扑结构(J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 1556)。

  在这个工作基础上,课题组最近成功发展了不同代数,含有四苯乙烯的多三联吡啶配体。从这些组装基元出发,基于多重配位作用与Cd金属离子组装形成了单一的六元(hexamer, G2)和鲜有报道的七元花环(heptamer, G3)结构,其中七元环G3的分子量达到了 27,599 Da。因为这些超分子结构与玫瑰花结十分相似,因此将这两种环套环结构命名为“Rosette”(图3)。

通过可控自组装构筑超分子Rosette拓扑结构

  由于大位阻的三联吡啶基元和金属离子的配位作用,四苯乙烯骨架的旋转受限,这些环套环结构在溶液态和聚集态都有优越的发光性质。而且随着受限程度的增加,发光性质可以实现调控。特别需要指出的是,二代超分子环套环结构(G2)展示了稳定发白光的性质(图4)。色度坐标(CIE)显示,在一定条件下,体系可以发出很强的白光。在不良溶剂水的比例是60%的时候,色度坐标为(0.325, 0.355),这和纯白光(0.333, 0.333)已经非常接近。单分子白光材料的设计与合成一直是发光材料研究的一大挑战,因为这需要一种分子同时发射至少两种不同波长的光,而且发射强度需要在合适的比例范围。该研究工作为单分子白光材料的研究提供了一个新的策略和思路。

Rosette拓扑结构展示了有趣的发白光性质

  该工作是由我校2014级博士研究生尹光强同学为第一作者完成的,华东师大为第一作者单位和通讯作者单位,美国南佛罗里达大学李霄鹏教授为共同通讯作者(https://www.nature.com/articles/s41467-018-02959-w)。

  基于杨海波教授团队在可控自组装研究领域取得的重要进展,美国化学会(ACS)著名综述期刊《化学研究评述》(Accounts of Chemical Research)(影响因子为20.96)邀请杨海波教授对课题组过去10年在可控自组装方面的研究进展进行了总结,相关综述论文已经在线发表(Acc. Chem. Res., 2018, DOI: 10.1021/acs.accounts.8b00317).


图文、来源|化学与分子工程学院  编辑|夏峥  编审|郭文君



作者: | 信息来源:新闻网 | 浏览次数:664

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