纳米尺度大分子亲水和疏水非键相互作用的跨界热力学研究

Hydrophilic and hydrophobic nonbonding interactions at nanoscale is one of the theoretical research hotspots of physical chemistry, however, the results are generally lack of direct experimental evidences. In this project, aiming at representative globins and their “molten globules” (MGs), water-soluble derivatives of fullerene (C60), we plan to determine thermodynamic properties namely dilution enthalpies of each of them and association enthalpies between them in various media at different temperatures by isothermal titraton microcalorimetry (ITC). According to the relavant thermodynamic theories and model equations, enthalpic interaction coefficients and thermodynamic parameters of association reactions will be calculated. Combined with experimental technologies such as NMR, CD and fluorescence spectroscopy, etc, analyses and discussions will be focused on the patterns of influences of internal and external factors such as molecular structure, size, temperature and medium, etc, on their hydrophilic and hydrophobic nonbonding interactions, and the mechanisms of resultant effects of the latter on their thermodynamic stabilities, clustering and associations. And then, in combination with the information of their structural properties, empirical equations of structural thermynamics will be constructed among thermodynamic parameters of hydrophilicity/hydrophobicity, structural property parameters, and thermodynamic properties of association reactions. The investigations are expected to provide valuable experimental evidences for theoretical studies on hydrophilic and hydrophobic effects at nanoscale, as well as for related molecular designs and applications, and therefore are of great significance for enriching and developing the “crossover” thermodynamic theory of hydrophilic and hydrophobic nonbonding interactions.

纳米尺度亲水和疏水非键相互作用是当前物理化学理论研究热点之一，但结果普遍缺乏直接实验证据。本项目拟以典型球蛋白及其“熔融液滴”（MGs）、水溶性富勒烯（C60）衍生物为研究对象，利用等温滴定量热法（ITC）测定它们各自在不同温度和介质条件下的稀释焓，以及彼此之间的缔合焓等热力学性质。根据相关热力学理论和模型方程计算焓作用系数和缔合反应热力学参数。结合NMR、CD和荧光等实验技术，以及MD、分子对接等理论方法，重点探讨分子结构、尺度、温度和介质等对它们亲水和疏水非键相互作用的影响规律，揭示后者对它们热力学稳定性、簇聚和缔合作用的影响机制。进而结合结构性质信息，构建亲水/疏水性热力学参数与结构性质参数、缔合反应热力学性质之间的结构热力学经验方程。项目研究可期为纳米尺度亲水和疏水效应理论研究和相关分子设计与应用提供有价值实验依据，对丰富和发展亲水/疏水非键相互作用“跨界”热力学理论具有重要意义。

纳米尺度亲水和疏水非键相互作用是当前物理化学理论研究热点之一，但结果普遍缺乏直接实验证据。在本项目中，我们主要开展了以下研究工作。第一，利用热力学和热化学等方法，系统研究了一系列球蛋白模型分子的疏水和亲水热力学性质，重点探讨了分子结构、尺度、温度和介质等对亲水和疏水非键相互作用的影响规律，揭示了相关的分子机制。第二，在模型分子合成过程中，发展了一种可见光促进的芳基伯胺氧化反应，通过单电子氧化产生氮自由基阳离子，成功实现了可见光促进的分子内C-H键氮化和C-C键氧化反应，合成一系列ε-羰基酸和β-羰基内酯。第三，为了研究复杂分子体系中氢键、π-π键的性质及作用特点，合成了5个新的金属离子Zn(II)与4个吡啶类配体（phen,4,4′-bipy,dpe and dpp）及双（4-羧基苯基）膦酸（H3BPO）的超分子混配聚合物，利用单晶X射线衍射、红外光谱（IR）和元素分析等技术表征了这些超分子混配聚合物的结构，发现分子间氢键、π-π键等在稳定这类超分子混配聚合物中起关键作用，BPO的PO中较“硬”的O原子可以选择性地与Zn(II)发生配位作用。第四，发展了一种限制构型选择性的Friedländer反应，成功实现了由乙酰丙酮与一系列2’-取代2-氨基苯甲酮反应制备光学活性的双芳基喹啉，反应具有很好的产率和对映选择性。第五，设计合成了一种新的双核结构金属Zn(II)超分子配位聚合物，发现Zn(II)是五配位的，形成一种扭曲的四方锥构型。第六，完成了多个体系的有机合成工作，有关工作具有新颖性。