淺談超分子自組裝

1、1淺談超分子自組裝淺談超分子自組裝2目錄4.未來前景未來前景3.研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀5.參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1.簡簡 介介2.研究背景研究背景31.超分子自組裝簡介超分子自組裝簡介 超分子自組裝是分子與分子在一定條件下，依賴超分子自組裝是分子與分子在一定條件下，依賴非非共價鍵共價鍵分子間作用力自發(fā)連接成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的分子聚分子間作用力自發(fā)連接成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的分子聚集體的過程，通過分子自組裝我們可以得到具有新集體的過程，通過分子自組裝我們可以得到具有新奇的功能和特性的自組裝材料受到研究者廣泛的重奇的功能和特性的自組裝材料受到研究者廣泛的重視和研究。視和研究。4組成超分子的分子間作用力的類型組成超分子的分子間作用

2、力的類型v 靜電作用靜電作用 如偶極子如偶極子偶極子之間作用。偶極子之間作用。v 氫鍵氫鍵 如如XH Y(X,Y = O, F, N,C, Cl)XH Y(X,Y = O, F, N,C, Cl)。v 芳香堆積作用芳香堆積作用v 疏水效應(yīng)疏水效應(yīng) 溶液中疏水基團(tuán)或油滴的相互聚集，將增加溶液中疏水基團(tuán)或油滴的相互聚集，將增加 溶液中水分子間的氫鍵數(shù)量。溶液中水分子間的氫鍵數(shù)量。5自組裝發(fā)自組裝發(fā)生條件生條件自組裝動自組裝動力力自組裝導(dǎo)自組裝導(dǎo)向向非共價鍵力屬于弱相互作用，怎么自組裝成穩(wěn)定有非共價鍵力屬于弱相互作用，怎么自組裝成穩(wěn)定有序?qū)嶓w？序?qū)嶓w？自組裝動力自組裝動力：分子間弱：分子間弱的相互作

3、用力的的相互作用力的協(xié)同作用協(xié)同作用，為分子自組裝提供能量。為分子自組裝提供能量。自組裝導(dǎo)向自組裝導(dǎo)向：分子在空：分子在空間的互補(bǔ)性，也就是說要間的互補(bǔ)性，也就是說要使分子自組裝發(fā)生就必須使分子自組裝發(fā)生就必須在空間尺寸和方向上達(dá)到在空間尺寸和方向上達(dá)到分子重排要求。分子重排要求。6分子識別對超分子自組裝的影響分子識別對超分子自組裝的影響分子識別：分子識別：指給定受體（主體）與底物（客體）選擇性結(jié)指給定受體（主體）與底物（客體）選擇性結(jié) 合并產(chǎn)生某些特定功能的過程。合并產(chǎn)生某些特定功能的過程。Scheme 1 Cartoon representation of the formation of

4、 a linearsupramolecular polymer from the self-organization of monomer1Xuzhou Yan, Mi Zhou, Jianzhuang Chen. Chem. Commun., 2011, 47, 70867088.7影響：影響：利用分子彼此間的識別利用分子彼此間的識別 、 結(jié)合特征結(jié)合特征 ，從中挖掘高，從中挖掘高 效效 、高選擇性的功能、高選擇性的功能 。 若將具有識別部位的多個若將具有識別部位的多個 分子組合，彼此便尋找最安定分子組合，彼此便尋找最安定 、 最接近的位置最接近的位置 , 并并 形成超過單個分子功能的高次結(jié)

5、構(gòu)的聚集體。形成超過單個分子功能的高次結(jié)構(gòu)的聚集體。82. 研究背景研究背景超分子自組裝利用非共價鍵之間的動態(tài)可逆的過程，不僅表超分子自組裝利用非共價鍵之間的動態(tài)可逆的過程，不僅表現(xiàn)出傳統(tǒng)聚合物的性質(zhì)，而且還具有新的結(jié)構(gòu)和功能，如可現(xiàn)出傳統(tǒng)聚合物的性質(zhì)，而且還具有新的結(jié)構(gòu)和功能，如可降解性，降解性，刺激性響應(yīng)刺激性響應(yīng)和和自愈性自愈性，使他們成為智能材料的出色，使他們成為智能材料的出色候選人，吸引了越來越多人們的關(guān)注。候選人，吸引了越來越多人們的關(guān)注。93.研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀1.1.冠醚及其衍生物冠醚及其衍生物2.2.環(huán)糊精環(huán)糊精3.3.杯芳烴杯芳烴根據(jù)主體不同分類根據(jù)主體不同分類103.1 冠

6、醚及其衍生物冠醚及其衍生物冠醚的分類冠醚的分類11 浙江大學(xué)黃飛鶴課題組研制成功了一種反應(yīng)靈敏度是原來浙江大學(xué)黃飛鶴課題組研制成功了一種反應(yīng)靈敏度是原來四倍，具有良好彈性，形狀持久，四倍，具有良好彈性，形狀持久，具有多種刺激性響應(yīng)具有多種刺激性響應(yīng)的的聚合物網(wǎng)絡(luò)凝膠聚合物網(wǎng)絡(luò)凝膠heteroditopic PdCl2(PhCN)212the observations simultaneously proved an increase in the average aggregation size owing to cross-linking of the linear supramolecul

7、ar polymer. 13the four distinct stimuli can be used as effective inputs to adjust the reversible gelsol transitions of the supramolecular gel. and reflecting the dynamic and reversible nature of the supramolecular gel systemXuzhou Yan, Donghua Xu, Xiaodong Chi. Adv. Mater. 2012, 24, 36236914 單體分子生成單

8、體分子生成交替聚合物交替聚合物超分子凝膠超分子凝膠二苯并二苯并-24-冠冠-8二苯并二苯并-34-冠冠-10paraquat derivativesdibenzylammonium salts15(b) Specific viscosity of chloroform/acetonitrile (1/1, v/v) solutions of equimolar mixtures of 1 and 2 versus the crown concentration (298 K). (c) Scanning electron micrography of (gold-coated) fibers

9、drawn from a high concentration solution of 1 and 2.Feng Wang, Chenyou Han, Chunlin He. J. AM. CHEM. SOC. 2008, 130, 112541125516利用單體結(jié)構(gòu)中存在的利用單體結(jié)構(gòu)中存在的1 1，2 2，3-3-三氮唑基團(tuán)與金屬交聯(lián)劑三氮唑基團(tuán)與金屬交聯(lián)劑發(fā)生配位作用，就可以獲得完全基于小分子結(jié)構(gòu)的超分子發(fā)生配位作用，就可以獲得完全基于小分子結(jié)構(gòu)的超分子聚合物網(wǎng)絡(luò)。金屬交聯(lián)劑和競爭性配體的加入能實(shí)現(xiàn)線性聚合物網(wǎng)絡(luò)。金屬交聯(lián)劑和競爭性配體的加入能實(shí)現(xiàn)線性超分子聚合物與交聯(lián)聚合物的相互轉(zhuǎn)化

10、，為制備高適應(yīng)性超分子聚合物與交聯(lián)聚合物的相互轉(zhuǎn)化，為制備高適應(yīng)性的超分子動態(tài)材料打下了基礎(chǔ)的超分子動態(tài)材料打下了基礎(chǔ). .17 在以往的研究中，主要集中在反應(yīng)靈敏度和刺激性反應(yīng)，在以往的研究中，主要集中在反應(yīng)靈敏度和刺激性反應(yīng)，在在自愈性自愈性方面始終難有突破。方面始終難有突破。18Scheme 1.Cartoon representations of a) polymer1, b) cross-linkers 2 and 3, and c) supramolecular gels 4 and 5.When 10.0 mm 1and 36.0 mm 2 were mixed,supramol

11、ecular gel 4 formed immediately,However,supramolecular gel 5 constructed from polymer 1 and cross-linker 3 was prepared by heating for 30 days and stirring at room temperature for another 45 days .19Mingming Zhang, Donghua Xu, Xuzhou Yan. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 7011 7015Gel 5 canbe regarded

12、 as a degradable material, because it changed intoa sol by adding TEA,but was difficult to recover to its gel state by TFAaddition, because once the mechanically interlocked structures (rotaxanes) in gel 5 were destroyed, rethreading could not be achieved in a short time.20For gel 4,the self-healing

13、 properties are inferred to be caused by reversible hostguest interactions.For gel 5, destruction and reformation of electrostatic and hydrogen-bonding interactions between cross-linker3 and DB24C8 moieties of the polymer。213.2 環(huán)糊精主體環(huán)糊精主體 環(huán)糊精是一種來自于淀粉的環(huán)狀材料環(huán)糊精是一種來自于淀粉的環(huán)狀材料, ,通過分子內(nèi)氫鍵通過分子內(nèi)氫鍵作用形成穩(wěn)定的桶狀結(jié)構(gòu)作

14、用形成穩(wěn)定的桶狀結(jié)構(gòu), ,外圍是親水性表層而易溶于外圍是親水性表層而易溶于水溶液中水溶液中, ,內(nèi)部是疏水性的空腔內(nèi)部是疏水性的空腔, ,可以有效地包含疏水性可以有效地包含疏水性的小分子的小分子, ,而形成主客體作用而形成主客體作用, ,常見的環(huán)糊精有常見的環(huán)糊精有6,7,86,7,8個個葡萄糖單體構(gòu)成葡萄糖單體構(gòu)成, ,分別稱為分別稱為,和和-環(huán)糊精。環(huán)糊精。2223光敏感環(huán)糊精與溫度敏感聚合物為主客體光敏感環(huán)糊精與溫度敏感聚合物為主客體, ,通過環(huán)糊精與金通過環(huán)糊精與金剛烷間的包結(jié)絡(luò)合作用制備具有光剛烷間的包結(jié)絡(luò)合作用制備具有光/ /溫度雙敏感性的超分子溫度雙敏感性的超分子聚集體。聚集體。

15、主體分子主體分子客體分子客體分子24 4HCA-CD/AD-PNIPAM-AD包合包合物水溶液的透光率物水溶液的透光率隨著溫度的升高逐隨著溫度的升高逐漸下降漸下降,說明此超分說明此超分子凝膠具有溫度敏子凝膠具有溫度敏感性。感性。25當(dāng)有紫外線照當(dāng)有紫外線照射時，傾向于射時，傾向于形成線型的超形成線型的超分子，證明此分子，證明此聚集體有光敏聚集體有光敏感性。感性。Jiang, J. Q, Qi, B, Lepage, M, Zhao, Y. Macromolecules 2007, 40, 79026環(huán)糊精由于它的無毒、生物降解、對光無吸收等性能而受到環(huán)糊精由于它的無毒、生物降解、對光無吸收等性

16、能而受到廣泛的關(guān)注廣泛的關(guān)注, , 越來越多地被應(yīng)用在生物、光學(xué)和傳感器等越來越多地被應(yīng)用在生物、光學(xué)和傳感器等方面。方面。273.3 杯芳烴主體杯芳烴主體杯芳烴，是杯芳烴，是2 2，6 6位由亞甲基橋聯(lián)取代酚形成的大環(huán)化合物，位由亞甲基橋聯(lián)取代酚形成的大環(huán)化合物，因其分子形狀與希臘圣杯相似，且由多個苯環(huán)構(gòu)成的芳香因其分子形狀與希臘圣杯相似，且由多個苯環(huán)構(gòu)成的芳香族分子，族分子，C. D. GutschC. D. Gutsch將其命名為為杯芳烴。將其命名為為杯芳烴。284.未來前景未來前景總的看來總的看來 , 人們對超分子自組裝的研究工作要比以前深入得人們對超分子自組裝的研究工作要比以前深入得

17、多多 ,對于其應(yīng)用研究，則更是朝著實(shí)用方面發(fā)展對于其應(yīng)用研究，則更是朝著實(shí)用方面發(fā)展 。分子自組。分子自組裝作為化學(xué)裝作為化學(xué) 、物理、物理 、生命科學(xué)和材料科學(xué)的交叉學(xué)科、生命科學(xué)和材料科學(xué)的交叉學(xué)科 ,它將它將在光電材料在光電材料 、人體組織材料、人體組織材料 、高性能高效率分離材料以及、高性能高效率分離材料以及納米材料中發(fā)揮應(yīng)有的作用納米材料中發(fā)揮應(yīng)有的作用 。295. 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1 Xuzhou Yan, Donghua Xu, Xiaodong Chi. A Multiresponsive, Shape-Persistent, and Elastic Supramolecula

18、r Polymer Network Gel Constructed by Orthogonal Self- Assembly. Adv. Mater. 2012, 24, 3623692 Feng Wang, Jinqiang Zhang, Xia Ding. Metal Coordination Mediated Reversible Conversion between Linear and Cross-Linked Supramolecular Polymers. Angew. Chem. 2010, 122, 110811123 Feng Wang, Jinqiang Zhang, X

19、ia Ding. Metal Coordination Mediated Reversible Conversion between Linear and Cross-Linked Supramolecular Polymers. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 1090 10944 Shengyi Dong, Yan Luo, Xuzhou Yan. A Dual-Responsive Supramolecular Polymer Gel Formed by Crown Ether Based Molecular Recognition. Angew. Che

20、m. Int. Ed. 2011, 50, 1905 19095 Mingming Zhang, Donghua Xu, Xuzhou Yan. Self-Healing Supramolecular Gels Formed by Crown Ether Based HostGuest Interactions. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 7011 70156 Xuzhou Yan, Mi Zhou, Jianzhuang Chen. Supramolecular polymer nanofibers via electrospinning of a he

21、teroditopic monomer. Chem. Commun. 2011, 47, 708670887 Bo Zheng, Feng Wang, Shengyi Dong. Supramolecular polymers constructed by crown ether-based molecular recognition Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 16211636308 Feihe Huang, Oren A. Scherman. Supramolecular polymers. Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 587958809 X

22、uzhou Yan, Feng Wang, Bo Zheng. Stimuli-responsive supramolecular polymeric materials. Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 60426065 10 Guocan Yu, Xuzhou Yan, Chengyou Han. Characterization of supramolecular gels. Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 6697-6722 11 Feihe Huang, Feng Wang, Chenyou Han. Self-Sorting Organiza

23、tion of Two Heteroditopic Monomers to Supramolecular Alternating Copolymers. J. AM. CHEM. SOC. 2008, 130, 11254-1125512 Feihe Huang, Xiaofan Ji, Yong Yao. A Supramolecular Cross-Linked Conjugated Polymer Network for Multiple Fluorescent Sensing. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 74-7713 Xuzhou Yan, Bo Ji

24、ang, Timothy R. Cook. Dendronized Organoplatinum(II) Metallacyclic Polymers Constructed by Hierarchical Coordination-Driven Self-Assembly and HydrogenBonding Interfaces. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 168131681614 Feihe Huang, Peter J. Stang, J. Bryant Pollock. Responsive Supramolecular Polymer Metallogel Constructed by Orthogonal Coordination-Driven Self-Assembly and Host/Guest Interactions. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 446044633115 Jianzhuang Chen, Xuzhou Yan, Qiaoling Zha