项目名称 功能导向的纳米超分子组装体结构调控与可控制备 首席科学家.doc

项目名称：功能导向的纳米超分子组装体结构调控与可控制备首席科学家：刘育 南开大学起止年限：2011.1至2015.8依托部门：教育部 天津市科委二、预期目标总体目标以分子识别与传感、分子存储与转换、生物活性分子传输等功能为导向，利用小分子与小分子自组装、小分子与大分子自组装及大分子与大分子自组装构筑具有重要应用前景的纳米超分子组装体，运用各种现代测试技术研究纳米超分子组装体的形成规律，阐明小分子/小分子自组装体、小分子/大分子自组装体、大分子/大分子自组装体等各层次纳米超分子组装体间的内在联系、物理和化学过程、构效关系以及特定功能等基础科学问题。通过对自组装方法的优化实现纳米超分子组装体的结构调控和可控制备，提供多种具有特定功能和重要应用前景的纳米超分子组装体，并在此基础上揭示新现象，发展新理论，开拓新技术，推动相关学科的发展。五年预期目标在前一期重大研究计划“纳米研究”专项项目“具有重要应用背景的纳米超分子组装体的构筑与功能研究”研究成果的基础上，进一步加大研究力度，以分子识别与传感、分子存储与转换、生物活性分子传输等功能为导向，设计多个系列功能小分子和大分子作为构筑单元，通过小分子与小分子自组装、小分子与大分子自组装及大分子与大分子自组装构筑150种以上结构、形貌可控的纳米超分子组装体。利用各种现代测试手段考查它们的结构特征以及它们所具有的特定功能，阐述分子组装过程中各种外界因素对纳米超分子组装体结构和功能的影响，总结自组装的一般规律以及小分子/小分子自组装体、小分子/大分子自组装体、大分子/大分子自组装体等各层次纳米超分子组装体间的内在联系，通过引入不同性能的修饰基团和完善自组装工艺实现纳米超分子组装体的结构调控和可控制备，提升我国在纳米科学领域的国际影响，为开发具有我国自主知识产权的纳米技术提供新材质和奠定理论基础。本项目成果预计提供150200篇高水平的论文发表在SCI摘录刊物上，申请国家发明专利2030项，培养100名以上的博士和硕士研究生。三、研究方案项目的总体思路为紧紧围绕分子识别与传感、分子存储与转换、生物活性分子传输等功能为导向的，包括环状、笼状、冠状小分子自组装纳米体系、有机小分子与无机分子杂化自组装纳米体系，环状分子与高分子链、大共轭聚合物、碳纳米管、石墨烯等大分子自组装纳米体系，以及高分子聚合物、粒子、蛋白、多糖等大分子的自组装纳米体系等，纳米超分子组装体的结构调控与可控制备，在纳米超分子组装体的构筑和结构等方面取得源头创新，重点解决小分子/小分子自组装体、小分子/大分子自组装体、大分子/大分子自组装体等各层次纳米超分子组装体间的内在联系、物理和化学过程、构效关系以及特定性能等基础科学问题。详细研究方案如下一、新型合成受体分子自组装纳米功能材料研究1基于三蝶烯新型合成受体自组装纳米超分子材料研究11新型三蝶烯衍生大环受体分子体系的建立与发展由适当的三蝶烯衍生物为结构基元，通过一锅煮与分步合成方法，设计合成几种不同类型新型三蝶烯衍生大环主体分子，包括三蝶烯衍生大三环聚醚、三蝶烯衍生杯芳烃、三蝶烯衍生杂杯芳烃、多蝶烯衍生的大环受体、以及其他具有特殊结构的三蝶烯衍生新型合成受体分子等；通过核磁、单晶X-衍射等手段，详细研究它们在溶液中以及固态下的结构、构象特征以及在固态下的自组装行为；进一步通过核磁、荧光等手段，系统研究新型三蝶烯衍生大环受体分子对于贫电子带电荷及中性等不同类型有机客体分子的识别性质，尤其是对于不同客体的协同识别行为、以及酸碱、离子与光等可调控的识别性质，由此建立和发展一系列具有特色的超分子化学新体系。12基于新型三蝶烯衍生大环受体的纳米超分子组装体的构建与功能化在上述研究工作基础上，基于新型大环受体分子的主客体相互作用，以分子识别与传感、分子吸附与存储等功能为导向，通过小分子与小分子自组装，构建具有特殊结构的一维、二维以及多维超分子纳米组装体，通过多种光谱方法以及SEM、TEM、AFM等手段研究纳米超分子组装体的结构与形貌特征；同时考察组装体的光物理与电化学性质，尤其研究组装体的可调控（拆卸或开关）的形成与解络合性质、以及组装体的形成机制与规律；进一步重点探索纳米自组装体在分子识别与传感、分子吸附与存储等方面的应用，由此发展具有结构可控与特殊功能的自组装纳米超分子新材料。2基于新型杂原子桥连杯（杂）芳烃自组装纳米超分子材料研究2.1新型杂原子桥连杯（杂）芳烃类化合物的合成利用简单易得的双亲电试剂和双亲核试剂，建立和发展高效和选择性的绿色合成方法，以“片段偶联”和“一锅煮”的途径，合成对称和非对称的杂原子桥连的杯（杂）芳烃和同杯（杂）芳烃，构建分子多样性的大环分子。2.2新型杂原子桥连杯（杂）芳烃类化合物的结构运用多种波谱学手段和X-射线晶体学方法，研究新型杂原子桥连杯（杂）芳烃类化合物在溶液中和在固体中的结构，尤其是构象和空腔结构，揭示桥连杂原子片段的电子效应和立体效应，杂原子与芳环和芳杂环的共轭效应等对构象和空腔结构的影响规律，探究杂原子桥连杯（杂）芳烃构象结构的动态变化过程。2.3杂原子桥桥连杯（杂）芳烃的官能化建立和发展杂原子桥连杯（杂）芳烃类化合物中芳（杂）环和桥连单元上的功能化衍生的方法，合成具有对各类客体分子具有识别能力的官能化大环主体。2.4杂原子桥连杯（杂）芳烃类分子自组装纳米功能材料以新型和官能化的杂原子桥连杯（杂）芳烃类化合物为基本模块，通过分子自身之间、分子与客体之间的选择性作用和组装，构建新型纳米组装体，探讨纳米组装体对离子和分子的识别及转化反应。以具有多齿配位能力的杂原子桥连杯（杂）芳烃与金属离子进行组装，构建一系列新型的一维和二维纳米分子组装体。利用分子间多重相互作用，构建多维纳米分子组装结构。探索纳米分子组装体的性能，以及对阴、阳离子和分子的识别及转化反应。3.基于环三藜芦烃多孔组装体系的构建及性能研究3.1可逆共价键导向的环三藜芦烃自组装多孔超分子纳米材料及功能研究采用下列环三藜芦烃模块，与芳香硼酸反应，构筑可逆硼氧键组装的有机多孔超分子纳米材料。通过粉末衍射、固体核磁等研究多孔材料的结构，通过气体吸附等测定孔尺寸，并进而研究对其它其它等的吸附功能，以及某些多孔材料在吸附不同底物后光电性能变化情况，发展新的传感材料。3.2手性环三藜芦烃自组装多孔超分子纳米材料的识别及催化性能研究合成下列具有C3手性的环三藜芦烃配体，在获得手性配体之后，需要对其进行拆分，为制备光学纯的多孔骨架奠定基础。另外一个更好的办法是在组装时采用手性的有机小分子作为模版，消旋的配体能对映选择性地与其共同组装成手性骨架结构，之后再将手性模版通过溶剂交换方法除去。采用水热、扩散等合成方法来制备手性多孔材料。选用Zn、Cu、Cr等几种在制备多孔MOF结构中常用的金属离子来与环三藜芦烃组装。通过对初步获得结构的表征，调整溶剂或增加新的配体，从而形成多元的组装体系。之后用手性的第三者配体代替非手性配体来控制组装过程中的对映选择性，制备手性的空腔结构。主要研究上述手性多孔材料在手性分子识别、分离和不对称催化方面的功能。 4基于多氢键合成受体自组装纳米超分子材料研究以酰肼及酰胺基脲等为结构基元，设计合成一系列寡聚体，并由此组装形成具有信息存储功能的多氢键自补偿或杂二聚体型双分子带，通过核磁等手段定性、定量研究多氢键双分子带的结构、以及有机胶形成、超分子取代反应等性质；在此基础上，发展一类由非杂环芳烃组装形成的环形自组装新体系，并通过核磁、CD光谱等手段研究环形超分子组装体的选择性合成、超分子手性特性、以及分子识别与传感性质等，构建具有不同孔经以及具有特殊结构与功能的新型超分子组装体；进一步基于多氢键分子自组装，开发具有外界刺激响应性的新型超分子聚合物材料，从而实现从结构模拟到功能纳米超分子新材料的跨越。例：环形六聚体区域选择性自组装 二、环状分子与大分子自组装纳米超分子材料研究1、环状分子/石墨烯自组装纳米体系石墨烯是继富勒烯和碳纳米管之后的又一类新型碳纳米材料。我们首先设计和合成一系列芘修饰的环状分子，进而通过芘与单层石墨之间的p-p相互作用将芘修饰环状分子非共价连接到单层石墨表面，或通过共价连接将环状分子修饰到单层石墨上，利用多种现代测试手段研究自组装纳米体系的结构和稳定性，考查环状分子与单层石墨自组装纳米体系的生物功能及药物和基因传递性能。2、环状分子/碳纳米管自组装纳米平台将环状分子共价修饰到碳纳米管表面，或利用芘与碳纳米管的p-p相互作用，将芘修饰环状分子连接到碳纳米管表面构筑环状分子/碳纳米管自组装纳米平台。该平台不但可以结合药物分子从而作为药物传递的载体而且可以结合卟啉、酞菁等有机分子从而具有优良的光电功能。将带有多电荷基团或稠环芳烃等功能基的环糊精聚轮烷通过非共价相互作用缠绕到碳纳米管表面形成的环糊精/碳纳米管自组装纳米平台有望将DNA引入到碳纳米管表面，从而具有良好的生物功能。将几种功能基修饰环状分子共价连接到高分子链上，并将其缠绕到碳纳米管表面，进而利用环状分子对客体的包结配位作用将几种稠环芳烃或多电荷基团等引入环状分子/碳纳米管自组装纳米平台，由此构筑的纳米结构兼具多电荷基团和稠环芳烃两类具有DNA反应活性的功能基团，有望显示出良好的生物功能。鉴于癌细胞能够释放叶酸受体的特点，我们拟将上述环状分子/高分子链/碳纳米管自组装纳米体系中的部分环状分子用叶酸取代构筑环状分子/叶酸/高分子链/碳纳米管四元自组装纳米体系，该体系中叶酸作为靶向识别位点，环状分子作为药物/基因结合位点，有望具有优良的癌症治疗功能。通过p-p相互作用将芘修饰金刚烷非共价贴附到碳纳米管表面，进而利用金刚烷基与环糊精空腔的强键合作用引入菲咯啉钌配合物修饰环糊精等功能基修饰环糊精。前期研究表明菲咯啉钌配合物修饰环糊精具有优良的诱导DNA凝聚和抑制DNA酶的功能，该类环状分子/碳纳米管自组装纳米平台有望具有良好的生物功能。我们近期的研究表明，通过微调环糊精功能取代基的结构可以获得对不同生物分子或具有重要生物功能的金属离子具有特异荧光传感功能的环状分子。因此，以多种喹啉基修饰环糊精代替菲咯啉钌配合物修饰环糊精作为传感单元来构筑的碳纳米管/环状分子自组装纳米平台有望具有优良的生物传感功能。3、环状分子/大共轭聚合物自组装纳米体系(1) 以聚吡咯、聚噻吩为“芯”的自组装纳米体系以聚吡咯、聚噻吩等大共轭聚合物为“芯”，以环糊精、葫芦脲等环状分子为绝缘层构筑线状自组装纳米结构,这些自组装纳米结构有望具有优良的导电功能。(2) 以a,w-二胺基化合物/a,w-二醛基化合物共聚体系为“芯”的自组装纳米体系首先分别合成环糊精（如a-环糊精、b-环糊精、g-环糊精）、修饰环糊精（如甲基化环糊精、乙酰化环糊精、羟丙基化环糊精等）、葫芦脲（如葫芦6脲、葫芦7脲、葫芦8脲）与a,w-二胺基化合物、a,w-二醛基化合物的包结配合物，进而通过醛基与胺基之间的缩合构筑线状自组装纳米结构，这些自组装纳米结构有望具有优良的导电功能。 (3)以a,w-二吡啶基化合物/金属配合物为芯”的线状自组装纳米结构首先分别合成环糊精（如a-环糊精、b-环糊精、g-环糊精）、修饰环糊精（如甲基化环糊精、乙酰化环糊精、羟丙基化环糊精等）、葫芦脲（如葫芦6脲、葫芦7脲、葫芦8脲）与a,w-二吡啶基化合物的包结配合物，进而通过吡啶基与过渡金属离子之间的配位聚合反应构筑线状自组装纳米结构，,这些自组装纳米结构有望具有优良的导电功能。4、环状分子/高分子链自组装纳米体系首先合成功能基团（如多正电荷基团、稠环芳烃、手性基团等）修饰的环糊精（如a-环糊精、b-环糊精、g-环糊精等），进而以高分子链（如PEG、PPG等）穿插于环糊精空腔形成自组装纳米管。这些线状超分子组装体有望具有优良的生物功能和手性催化功能。具体路线如下（以功能基修饰b-环糊精和PPG构筑的自组装纳米管为例）5、环状分子自组装螺旋状纳米体系以二萘嵌苯、卟啉等大共轭功能基团修饰的环糊精或杯芳烃为构筑单元，利用二萘嵌苯、卟啉等分子易于聚集的特点构筑具有气体传感功能的螺旋状自组装纳米体系。其中二萘嵌苯、卟啉等大共轭功能基团的堆积结构作为识别位点，环糊精或杯芳烃空腔作为键合位点。通过与环糊精或杯芳烃空腔的键合可以在自组装纳米体系中引入控制分子从而对自组装纳米体系的性能进行调控。其代表性结构如6、环状分子/多糖/富勒烯自组装纳米体系通过卟啉、酞菁等环状分子修饰的多糖（壳聚糖、海藻酸等）与富勒烯的自组装构筑环状分子/多糖/富勒烯自组装纳米体系，该体系有望具有优良的能量转化和传递功能。三、大分子及粒子自组装纳米超分子材料研究1. 超分子凝胶的制备与表征 (1)基于光控超分子作用的多重响应的杂化凝胶:如以表面修饰有包结络合主体分子（如环糊精）的量子点或金属纳米粒子或无机氧化物纳米片作为超级交联点(supracrosslink)和带有客体分子（如偶氮苯）端基的嵌段共聚物（如pDMA-b-pNIPAM）为基质，基于主客体的包结络合作用，两者会形成以纳米单元为核的-复合胶束。加热升温后，pNIPAM的疏水聚集将高分子溶液转变成凝胶。所得物质的“凝胶-溶液-凝胶”的可逆转变可通过pNIPAM嵌段的温度敏感性实现。同时，利用主客体组合的竞争特性，在加入更强的主体或客体分子后可实现凝胶溶胶转变，即体系对化学刺激的响应。更重要的是，通过偶氮苯的光致异构化，引发超级交联点与聚合物链的络合与解离，也可实现光控可逆转变。 (2) 多重功能的超级交联点的运用: 通过合适的桥链相连接的环糊精被称作桥联环糊精，即环糊精二聚体。进一步通过具有多重配位能力的金属离子的作用，可由此得星状环糊精多聚体。该多聚体兼具超级交联点和荧光探针的双重功能，引入现有的凝胶体系后，可实现交联点组装-解组装和荧光标记。与已有的超级交联点相比，它的体积较小，环糊精的个数固定，适于凝胶-溶胶转化的动力学研究和对转变机理的深入探讨。例如，采用PPG-b-PEG嵌段聚合物，其PPG段通过含b-环糊精的荧光超级交联点进行交联，PEG段则仍采用传统的a-环糊精假聚轮烷模式，从而形成双交联模式的全物理凝胶，该凝胶可能与现有的a-环糊精-PEG物理凝胶的性质有明显区别，可滑动的含b-环糊精的荧光超级交联点，不仅赋予凝胶全新的荧光特性，更能增加凝胶的强度和可变形性。2. 各向异性聚合物组装体的制备与组装 (1) 外场响应性不对称(Janus)粒子的高效制备及组装。在过去的工作中，我们发展了多种高效制备不对称粒子的方法。在本计划中，我们将通过进一步控制制备条件和制备过程，获得更加规整的窄分布Janus粒子；通过改变不对称模板的结构参数及性质，调控不对称粒子的组成与结构参数；在获得各种结构与成份的不对称粒子并能够有效地控制其结构参数的基础上，实施不对称粒子的功能化以及高级组装，以获得由功能化Janus粒子构筑的高级组装体。研究粒子内部的电荷及能量转移以及粒子、组装体对外场的响应。(2) 具有界面催化活性的单链不对称粒子的制备与组装。单链不对称粒子是指在粒子的表面上只接枝一根高分子链或只接枝两根不同的高分子链得到的聚合物或杂化粒子。以只接枝一根聚合物链的粒子为例，其通常的思路是在粒子的表面进行改性，控制粒子与反应物的比例来制备。但其实际的可行性不好。原因是，尽管统计平均是1：1的接枝，但实际上每个粒子表面的接枝链数是一个统计分布。如果要在粒子表面接枝上两根链，尤其是两根不同的链，利用表面修饰的方法更难以实现。我们利用本实验室发展的化学交联诱导胶束化的原理成功地实现了上述两种单链不对称粒子的制备。在本计划中，我们将实施功能导向的单链不对称粒子的制备及组装。如调节所获得的单链不对称粒子的结构与成份，同时实施中间小球的各种化学、物理改性，进行中间小球的杂化，使得中间小球具有催化活性，研究其表面活性、界面催化活性。并进一步通过分别改变两种单链的结构与成份来调控粒子的功能。(3) 具有环形各向异性粒子的高级组装、功能化及其对外场的响应。通常，粒子的组装方式取决于粒子之间的各向异性的相互作用。通过对粒子的结构控制，赋予粒子特定的各向异性相互作用，有可能设计粒子的组装过程与组装结果并进一步控制组装体的功能。例如，Glotzer等通过理论模拟设计了一系列具有各向异性的粒子，并预测粒子的组装结果。但是，实验上要获得这些各向异性的粒子，尤其是具有环状不对称性的粒子是很困难的。而该类粒子可以沿环所形成的平面进行组装，最后可得到二维膜结构。本项目通过设计构建特定环状各向异性粒子组装获得具有二维膜结构的粒子组装体。同时，将环形粒子功能化，使其负载具有光、电、磁等功能的分子或粒子，利用外场的扰动来控制粒子的组装行为以及组装体的形态与解离等。探索粒子组装体在药物、基因传递等领域中的应用。(4) 粒径小于5纳米的具有多重亲和性及各向同性的柔性聚合物粒子的制备、组装及在药物传递中的应用。我们之前的研究工作发现，由壳为线性分子链构成的各向同性粒子之间的核核偶联也能导致粒子之间的一维组装。设想，对于由在核表面上稀疏接枝形成的核壳结构粒子，调节溶剂的性质，使得成壳分子链亲溶剂性下降，核的亲溶剂性增加。由于壳是由接枝密度较低的接枝链构成，当核是一个柔性的聚合物网络或超枝化结构时，当成壳分子链聚集时，核就可以暴露出来，这样形成类似于不对称粒子的结构。粒子之间可以组装形成各种高级的组装体结构。在本研究计划中，我们将由上述初步的研究结果出发，拓展研究体系，如运用化学交联诱导胶束化、Arm-First活性聚合以及实施胶束的核交联等多种方法，通过控制反应条件，得到多种核上稀疏接枝的聚合物粒子。在此基础上，研究这类初级粒子的高级组装，表征高级组装体的结构与形态。研究在组装过程中初级粒子的构象及形态的变化及其与形成的高级组装体的结构与形态的关联，探索调控高级组装体结构、形态以及功能的有效途径。在此基础上，进一步开展这类聚合物超胶束在药物传递领域中的应用。3. 多功能纳米体系在肿瘤诊疗中的应用 蛋白质和多糖具有良好的生物相容性、生物安全性和生物降解性。同时，它们都含有活性基团，可以方便地接上各种功能基团来提高纳米粒子的靶向性、稳定性、载药量和可控释放。我们将通过调节溶液pH和蛋白质变性程度来调节蛋白质所带的电荷和疏水性，利用蛋白质和多糖高效负载抗肿瘤药物以及纳米金等无机纳米粒子，拟在多糖上连接叶酸等肿瘤靶向基团制备具有生物相容性、生物降解性、环境刺激响应性、高效药物负载、肿瘤靶向释放药物及肿瘤检测等特性集成的抗肿瘤纳米粒子。 (1) 通过高能乳化的方法，制备水包油纳米乳滴，蛋白质变性形成稳定的油-水界面膜，表面的多糖使乳滴稳定，疏水药物和纳米金等包在乳滴内部。(2)通过药物自身的疏水聚集、药物与蛋白质之间的相互作用和蛋白质加热变性凝胶化性质制备由药物/无机纳米粒子/蛋白质为核、多糖为壳的纳米粒子。4. 大分子的可控组装及手性纳米超分子组装体 模拟生物大分子组装及功能是大分子组装领域的中心内容之一，我们注意到许多具有特殊功能的生物大分子聚集体都具有精确定量的组装结构，例如病毒、抗体等，并且，这些生物大分子聚集体的形成几乎都是在细胞中完成的。高分子聚集体虽然可以通过组装得到多种形态的聚集态结构，但其组装过程是定性的，聚集数是自发产生的，不能可控，并且只能获得有限的功能。本项工作从生物大分子聚集体的形成过程大部分是在细胞中完成的这一特殊性出发，通过反向乳液（微乳、或脂质体）模拟细胞的微环境，创建一个三维的软受限空间，实现嵌段共聚物的可控定量组装。利用三维受限空间的作用，可以进一步得到具有均匀结构和特殊功能的高分子/小分子聚集体，如卟啉/嵌段共聚物在微乳环境条件下可以得到结构均匀聚集体，能够有效避免卟啉的聚集，防止其出现荧光自淬灭现象，这方面的研究可以提高肿瘤的光动力疗法的效率。特殊结构的生物大分子/高分子聚集体用于保护多肽类药物的生物活性，降低副作用。超分子手性在不对称催化、非线性光学、分子识别与组装，分子器件的设计和确定手性分子的绝对构型中有广泛的应用。本项工作利用卟啉在不对称外力和小分子诱导下出现手性信号的特性，探讨由非手性的卟啉和嵌段共聚物形成手性的超分子聚集体，并进一步探索提高卟啉的水解稳定性和光学稳定性的方法。四、分子自组装多孔纳米超分子材料的结构与功能1、有机结构基元的合理修饰与特定功能化自组装 无机-有机杂化型纳米笼、纳米孔材料的最重要优势在于其有机结构基元的可修饰性，不同的修饰结构将导向截然不同的性能。本课题重点研究纳米笼、纳米孔材料在自组装前和自组装后的有机结构基元的合理修饰，进而调控材料的性能。1.1 无机-有机超分子笼的设计 自组装前根据可能的纳米笼构筑模式或纳米孔材料拓扑网络来设计结构匹配型有机结构基元。如典型的M6L8类型纳米笼，设计多功能有机结构基元是组装这类纳米笼的关键，通过调整三齿配位有机结构基元的连接臂的长短、刚柔性等来有效调控纳米笼的尺寸，窗口大小，同时在有机单元中有效引入手性中心，实现手性纳米笼的构筑。重点考察这类超分子纳米笼有在选择性分离、离子交换、微反应器等方面的应用前景。1.2 具有超分子笼单元的多维网络结构设计 合理的有机结构基元选择和修饰对于系列具有无机分子筛拓扑网络结构的纳米孔材料的设计合成非常重要。考虑到分子筛拓扑网络结构设计中对金属的四面体配位模式以及金属-配体-金属间严格的角度要求(145度)，利用一系列硼基咪唑类四齿配体与Li+, Cu+, Zn2+, Co2+等具有四面体配位模式的金属或簇单元自组装，来制备具有分子筛型拓扑的轻质纳米孔材料。同时硼基咪唑类有机结构基元具备丰富的可修饰性，通过对咪唑环上三个取代点的多重改造，达到有效调控孔穴尺寸、窗口大小、形状等目的。重点研究这类纳米孔材料对气体(小分子)的吸附/分离性能，实现对能源型气体如H2、CH4的储存和对CO2的捕获。1.3 超分子纳米笼或纳米孔道的结构修饰在具有特定功能的纳米笼或纳米孔材料自组装完成后，对含特殊官能团的有机结构基元进行再修饰，实现纳米笼或纳米孔材料的孔道调节以及性能改变。如利用含NH2或CHO官能团的有机结构基元，通过纳米笼或纳米孔材料上的进一步有机加成来达到合理调控的目的。另外，采用光学纯的含N、O配位官能团的有机配体选择性的负载到具有高比表面积的纳米多孔材料壁上或孔道中，从而实现材料从非手性到单一手性的转换。纳米孔道的结构修饰还可以通过将树枝型分子(如PAMAM)嫁接到孔道内壁上形成复合体系，用于组装Au，Ag，Pd，Pt，Rh系列单金属或混和双金属纳米粒子，实现对不饱和烃(如丙稀醇)的催化加氢和CO的催化氧化。2、无机结构基元的尺寸、形貌调控与特定功能化自组装无机结构基元是纳米笼或纳米孔材料结构构造与功能应用中的关键作用位点，一个金属点的配位模式就能影响整个结构的构筑，而无机簇单元的尺寸与形貌亦能决定材料的结构与功能。一方面利用一些易发生二聚或多聚的无机结构基元，如Cu4X4 (X = Cl, Br, I)等，通过合成条件的控制，如改变温度、溶剂、反应物配比等手段，达到对这类无机结构基元的单体、二聚体或多聚体的有效调控，再通过有机配体的连接来构筑纳米笼或纳米孔材料，从而研究它们以不同形态的结构基元出现对结构与性能的影响。另一方面，利用合成控制调节系列多金属氧簇、稀土氧簇或稀土-过渡金属基元的形态，通过不同属性、不同结构类型的过渡金属氧簇、主族元素氧簇及稀土氧簇间的有效组合构建具有纳米轮、纳米管及纳米孔道材料。同时对合成方法、纳米超分子组装体结构与性能的关系进行深入研究，寻找最佳制备工艺，实现具有特定性质的纳米多孔超分子组装体的宏量制备，重点考查其催化及吸附/分离等功能。3、无机、有机功能基元的协调自组装与功能集成双重协调无机功能基元与有机功能基元之间的自组装，集成两者的特殊功能。一种途径是通过无机、有机两种功能基元直接自组装纳米笼、纳米孔材料；第二种途径是无机功能基元部分参与由有机功能基元和其它金属单元连接自组装纳米笼、纳米孔材料；第三种途径是无机功能基元不参与自组装纳米笼、纳米孔框架结构，而是作为模板剂来调控材料性能。通过以上双重功能基元的协调自组装，实现材料在催化、吸附、分离等功能方面的提升。4、经结构优化的多孔纳米材料的分子存储与转换功能针对不同经结构优化的纳米笼、纳米孔材料，进一步研究其在气体存储与小分子催化方面的应用功能，形成从功能导向结构调控功能优化的研究循环。通过对无机、有机功能基元的有效改造与修饰，达到调整孔道尺寸、形貌，窗口大小等目的，将进一步研究这类经改进的材料的气体吸附（H2、CH4、CO2等能源、环境相关气体）以及对混合气体的分离功能。针对纳米孔催化材料，通过手性的诱导作用可以构筑单手性纳米孔材料，从而应用于不对称催化氢加成或其它有机小分子的不对称催化加成或氧化还原反应等。而对于复合G4-PAMAM-SBA-15纳米孔催化剂的改进，一方面可以通过调整纳米孔道中的树枝状化合物的代数(从G1到G5)或改变负载的贵金属等方式来优化催化性能；另一方面可以选择不同于SBA-15载体的其它纳米孔材料来对催化性能进行优化；从而进一步实现这些经改进过的材料在Suzuki偶联反应中高催化活性和长寿命。本部分的工作紧紧围绕提升多孔纳米超分子材料的分子存储与转换功能目标，应用拓扑结构设计方法，以材料结构中无机、有机结构基元的修饰，合理组装为基础，充分理解了结构与性能间的构效关系，实现多孔纳米超分子材料在气体（小分子）的吸附/分离和催化方面的功能提升。创新点和特色该项目的创新之处在于使用分子组装的方法构筑小分子和小分子自组装、小分子和大分子自组装、大分子和大分子自组装纳米材料，这种“从小到大”的构筑方法可以将各个构筑单元的功能进行有效的组合和放大。构筑单元结构新颖，从这样的新型构筑单元出发构筑的纳米超分子组装体有望具备特殊性能。通过对组装方法的微调，可以实现对纳米超分子组装体的结构、形貌和功能进行有效的控制。其研究特色在于综合运用了现代化学的理论和物理的测试方法和技术，利用构筑单元之间多重、协同与可控的分子组装模式构筑功能纳米超分子组装体，通过研究可寻求纳米超分子组装体形成的一般规律和结构的内在联系以及展现的特殊的物理、化学和生物性能。有利于解决国内外纳米研究中普遍存在的结构调控和功能开发的难点，开创功能导向纳米超分子组装体发展的新途径，建立和发展全新的的自组装纳米技术。可行性分析关于小分子和小分子自组装、小分子和大分子自组装、大分子和大分子自组装研究我们已经做了许多工作，尤其是在前一期973重大研究计划“纳米研究”专项项目“具有重要应用背景的纳米超分子组装体的构筑与功能研究”以及中国科学院方向性项目、国家自然科学基金重大计划、重点项目资助下我们成功地构筑了多种一维、二维和三维纳米结构，显示出好的材料和生物功能（见工作基础）。这些研究成果相继发表在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.、ACS Nano、Adv. Mater、Adv. Func. Mater等国际著名期刊上。我们还准备举办国际环糊精会议等国内外学术会议，邀请国内外相关领域的知名专家学者进行交流，听取专家的意见和建议。综上所述，本项目提出的路线方案是合理的，可行的。前期的一些重要成果已经发表，原料与中间体的来源是有保证的，结构表征的条件具备，在此基础上充分发挥各申请单位的研究优势，获得所设计的功能导向自组装纳米材料是有保障的。因此，完成这一项目并取得重大突破是完全可能的。四、年度计划年度研究内容预期目标第一年设计合成新型三蝶烯衍生大环受体分子体、含不同芳杂环单元和不同桥连杂原子的杯（杂）芳烃和同杯（杂）芳烃、环三藜芦烃以及芳香二硼酸修饰环糊精、杯芳烃、冠醚、葫芦脲、卟啉等构筑单元。构筑基于酰肼及酰胺基脲的多氢键自组装双分子带。利用二萘嵌苯、卟啉等分子易于聚集的特点，通过以大共轭功能基团修饰的环糊精或杯芳烃的自组装构筑具有气体传感功能的螺旋状自组装纳米体系。构筑基于多重主-客体相互作用的竞争的可逆凝胶、外场响应性不对称粒子和具有界面催化活性的单链不对称粒子。合成多种载肿瘤药物的纳米粒子。探索嵌段共聚物在三维软受限空间中的定量组装。以相应功能为目标设计合成多臂多配位点有机小分子配体和具有不同尺寸、形貌的无机多金属氧簇、稀土氧簇或稀土-过渡金属簇单元；进一步按照拓扑网络设计组装无机、有机小分子基元，形成具特定功能的纳米超分子笼和纳米孔材料。合成多个系列功能小分子，通过小分子与小分子自组装、小分子与大分子自组装及大分子与大分子自组装构筑20-40种超分子组装体，在SCI摘录刊物上发表20-40篇以上高水平论文，申请专利4-6项第二年继续构筑单元的合成。构建基于三蝶烯衍生大环受体分子的一维、二维超分子纳米组装体。建立大环分子的官能化衍生方法，研究可逆共价键组装的多孔有机材料的制备。研究基于手性或消旋的环三藜芦烃为配体的有机-无机杂环多孔材料的制备。开展由非杂环芳烃氢键自组装形成环形自组装体研究。构筑环状分子/石墨烯自组装纳米体系。向超分子可逆凝胶体系中引入无机纳米粒子或纳米片段。完善不对称粒子的组装行为，制备各向异性粒子。评价载药和载金纳米粒子的功效和与肿瘤细胞作用的机理。研究高分子在模拟细胞的受限空间内的组装行为。全面开展纳米超分子笼和纳米孔材料的制备及其结构和性能表征。重点开展多孔纳米材料的结构调控手段研究。采用多种现代测试手段研究组装过程中的基础科学问题，重点考查组装体所具有的识别、传感、催化、存储和生物功能。对项目进行中期总结。通过小分子与小分子自组装、小分子与大分子自组装及大分子与大分子自组装构筑20-40种超分子组装体，在SCI摘录刊物上发表20-40篇以上高水平论文，申请专利4-6项。初步建立功能导向的多孔纳米超分子材料的组装方法与可控制备途径第三年开展基于三蝶烯衍生新型合成受体的超分子纳米组装体研究，重点研究可调控组装体的合成与性质。探索含复杂芳杂环单元的大环分子的合成方法及结构研究。利用多重分子间相互作用，构建纳米分子组装体。继续合成新的可逆共价键组装的多孔结构，研究所获得多孔材料的气体吸附功能。继续制备基于环三藜芦烃配体的有机-无机杂化手性多孔材料。研究环形超分子组装体的选择性合成、超分子手性特性、以及分子识别与传感性质等。通过共价和非共价修饰构筑环状分子/碳纳米管自组装纳米平台和环状分子/多糖/富勒烯自组装纳米体系。微调凝胶骨架探讨响应规律性。深入发掘各向异性粒子的组装行为，并具有多重亲和性及各向同性的柔性聚合物粒子进行研究。在研究聚合物在受限空间内的组装行为的同时，探索制备手性聚合物的方法。继续无机、有机小分子自组装纳米超分子笼和纳米孔材料的制备及其结构和性能研究。进一步根据特定功能需求改善和修饰有机小分子配体和无机功能组件，调整纳米笼或纳米孔的大小和形貌以适应功能需求。采用多种现代测试手段研究组装过程中的基础科学问题和组装体所具有的特殊物理和化学性能。通过小分子与小分子自组装、小分子与大分子自组装及大分子与大分子自组装构筑20-40种超分子组装体，在SCI摘录刊物上发表20-40篇以上高水平论文，申请专利4-6项。通过理解自组装过程的重要结构因素，初步实现有目的的结构调控，并应用类似的原理指导新材料的合成。第四年探索基于三蝶烯小分子自组装过程与规律，重点研究小分子组装体在分子识别与传感中的应用。研究基于氢键、配位作用等多重相互作用的分子组装。深入研究所获得多孔材料的气体吸附功能；研究手性多孔材料的手性分离功能。基于酰肼及酰胺基脲多氢键组装体，开发具有外界刺激响应性的新型超分子纳米组装材料。通过环糊精、葫芦脲等环状分子与大共轭聚合物的自组装构筑以环状分子为绝缘层，以大共轭聚合物为芯的纳米超分子组装体。开展载药纳米粒子的动物实验。研究粒子组装过程中的空间与动态调控规律，研究卟啉的手性聚集结构与复合结构的关系。继续纳米超分子笼和纳米孔材料的功能导向自组装研究；在结构调控的基础上，更加重点探讨多孔纳米材料的分子存储与转换功能应用，全面深入的研究纳米超分子笼作为微反应器的功能，纳米孔材料作为新型储能减排或催化材料方面的应用基础研究。构筑20-40种超分子组装体，在SCI摘录刊物上发表20-40篇以上高水平论文，申请专利4-6项。初步掌握小分子与小分子自组装、小分子与大分子自组装及大分子与大分子自组装的一般规律，发展可用于解释上述过程的理论，初步获得设计并制备预期结构的组装体的工艺和经验。第五年继续开展基于三蝶烯超分子纳米组装体的应用研究，重点研究多维多孔性超分子纳米组装体在分子吸附与存储中的应用。研究基于氢键、配位作用等多重弱相互作用的分子组装，探索纳米分子组装体的性能及对阴、阳离子的识别和转化反应。探索新的可逆共价键组装的多孔