项目名称： 环糊精的分子识别与组装

推荐单位： 天津市

项目简介： 本项目属于有机化学、物理化学和纳米化学的交叉研究领域，旨在通过环糊精的非共价键相互作用构筑高选择性的功能超分子体系，阐述其分子识别机理和高选择性的热力学起源，揭示该类物质结构与功能之间的关系。

分子识别在化学过程中的作用犹如酶的专一性在生命过程中的作用一样重要。通过分子识别实现的高选择性可以解决生命科学、材料科学和分离科学中的许多关键问题。该项目设计合成了230多个环糊精衍生物，系统研究了它们键合有机/无机/生物/药物分子的键合模式和识别机理，测量了2100多个超分子体系的热力学参数，阐明了分子识别的热力学起源，提出了诱导适合和分子多重识别是控制分子识别过程的核心。研究成果被邀请在Accounts of Chemical Research上加以介绍。

在分子识别的基础上,成功地以环糊精为主件构筑了分子纳米线、管、笼等纳米超分子体系，开辟了用分子组装方法制造分子电线、分子链条、多聚轮烷等分子器件的新途径。首次提出了环糊精-碳60、环糊精-金属离子-杯芳烃预组装纳米线的新方法，建立了用简单化学方法构筑纳米功能体系的新途径。系统研究了分子组装过程的机理和控制因素，从而阐明了该类合成受体是如何通过协同效应组装成稳定的有序高级结构，为利用合成受体调控材料微观结构和宏观性质提供了新的方法。

该项目在SCI刊物上发表研究论文122篇和综述论文5篇(影响因子>3.0的60篇)，科学引文达1762次，其中他人正面引用922次，获国家发明专利2件，主编和参编论著7部，在国内外重要学术会议做大会特邀报告18次，得到国内外同行的广泛重视和普遍认同，对于推动超分子化学的发展具有重要的科学意义。

主要发现点： 1、核心发现点

一、分子识别在化学过程中的作用犹如酶的专一性在生命过程中的作用一样重要。通过分子识别实现的高选择性可以解决生命科学、材料科学和分离科学等重要领域的许多关键问题。该项目紧紧围绕功能基修饰环糊精和桥式双环糊精作为分子受体的高键合能力和专一选择性对其微观结构和宏观性能等科学问题展开了研究。深入系统地研究了7类共160个单修饰环糊精和9类71个桥式双环糊精的分子识别行为，发现：（1）客体分子是否适合进入修饰环糊精的空腔－即诱导适合和桥联环糊精的双重空腔、桥链和配位金属中心各识别位点的协同贡献－即多重识别是控制环糊精分子识别和组装过程的核心；（2）杂原子桥式双环糊精附加的键合位点和桥链的长短可以调控环糊精的分子选择键合行为和组装体功能，并成功地将诱导适合和多重识别机理应用于药物包结和生物传感以及有机纳米超分子组装体的构筑。（物理有机化学、纳米化学；附件论文1、3-7、10和图片1-9）

二、环糊精的分子组装是超分子化学的核心目标之一，是使简单体系获得优异功能的最有效途径之一。在分子识别的基础上，该项目系统研究了5系列15类螺旋和通道状等有序高级结构，开拓了以环糊精为构筑单元的具有特定拓扑结构纳米超分子体系的组装新方法，（1）发现高分子链的长短可以调控水溶性纳米笼的尺寸，简单的环糊精包合物可以通过金属离子或缩聚反应直接制备双纳米线/管、纳米笼、分子链条、多聚轮烷等；构筑了在溶液和固相中均能稳定存在的一维环糊精单纳米线、双纳米线和三维环糊精聚轮烷纳米笼；（2）发现通过引入不同的功能修饰基、不同的金属离子、C60等不同的有机分子可以有效地调控分子组装体的拓扑结构和功能。为利用合成受体调控材料微观结构和宏观性质提供了新方法。（物理有机化学、纳米化学；附件论文1-5、9、10和图片1-6）

2、其他重要发现点

三、测量了修饰环糊精超分子体系的热力学参数，阐明了环糊精分子识别和组装的热力学起源，发现环糊精键合客体分子的过程一般由焓驱动，而环糊精的分子组装过程主要由熵驱动。在主客体键合过程中发生大的构型变化和广泛的脱溶剂效应是环糊精三维配位作用的重要特征。（物理有机化学、化学热力学；附件论文1、8和图片6、7） 四、系统比较了环糊精与具有疏水空腔的另一类环状分子受体-杯芳烃的键合模式和识别机理，发现环糊精的强键合能力源于范德华作用、氢键、疏水相互作用等几种弱相互作用的协同贡献，而杯芳烃则主要源于静电相互作用。（物理有机化学、化学热力学；附件论文8和图片10）

五、从环糊精分子组装体在溶液中的结构研究入手，发展了以显微电镜为主、辅之以光谱手段的组装体表征方法。该方法不仅对环糊精组装体的结构表征极为有效，并可广泛应用于其它超分子组装体系的溶液结构研究。（纳米化学；附件论文2-5和图片1-6）

主要完成人： 刘育

负责该项目的总体构思和设计。系统研究了环糊精的分子识别机理，解决了如何比较杯芳烃和环糊精这两类分子受体中疏水空腔性质的问题，提出功能环糊精体系用于分子开关及药物分子的增溶、缓释、控制和释放的学术思想，开创了环糊精-环糊精、冠醚-环糊精、杯芳烃-环糊精协同自组装体系构筑多聚轮烷、分子链条、分子导线等纳米超分子的新思路，系统研究了分子识别和分子组装的热力学起源，提出并完善了诱导适合的观点，进一步拓展了分子多重识别机理，对超分子化学的发展作出了重要贡献。是所有5个发现点的主要贡献者，参与本项目的工作量在80%以上。

张衡益

系统地研究了化学修饰环糊精、拥有配位金属中心的桥式双环糊精等合成受体与客体分子的键合模式和分子识别的机理，阐述了支点原子的类型及链长可以控制简单芳香基修饰环糊精的自组装行为，尤其是在环糊精的分子自组装以及杯芳烃-环糊精协同自组装构筑分子链条、多聚轮烷以及纳米线和纳米管等方面做出了突出贡献。是核心发现点2和重要发现点3、5的主要贡献者，参与本项目的工作量在80%以上。

陈湧

实现了一系列功能性联喹啉桥式双环糊精、冠醚连接环糊精等分子受体的高效和高选择性反应，进而系统地研究了它们的分子识别机理以及协同自组装的键合模式，发现它们对生物分子具有特殊的键合能力和选择性，考查了功能性桥联环糊精作为荧光传感器和分子开关的可能性。构筑了拥有配位金属中心的桥式双环糊精，对简单的有机化合物如何向复杂体系方向发展做出了突出贡献。是核心发现点1和重要发现点3、5的主要贡献者，参与本项目的工作量在85%以上。