氨基酸/三肽修饰萘二酰亚胺自组装纳米结构及其机理研究

Currently, the design of complex supramolecular nano-structure is still a great challenge in chemistry and material science. Scientists have designed and preparation new materials inspired by the nature itself. We have synthesized functional nanomaterials based on the self assembly of various of amino acids or peptides. Naphthalene diimide (hereinafter referred to as NDI) are always introduced to amino terminus of amino acid or a peptide as hydrophobic functional group, leading to an amphiphile molecule. These amphiphiles can self assembly into helical nanotubes and hollow nanospheres, and nano-fibers. We still not really understand how to design the suitable NDI molecules which is more easy self-assembly. Also we still not clarify the mechanism of NDI self-assembly process. The target of this project is to design and synthesize a series of amino acid or short peptide tagged NDI amphiphiles. Then we prepare various of supermolecular nano-structures in solution based on these amphiphilic molecules. We also explore to study the mechanism of the self-assembly process and quantitative study of the thermodynamic feartures of these supramolecular structures based on isodesmic model.

目前设计复杂超分子纳米结构仍然是化学和材料科学领域的一个巨大挑战。人们从自然界生命体获得设计先进材料的启发，以结构，化学性质多样化的氨基酸或者多肽为基础单元，用超分子自组装的方法构建出功能性纳米材料。在基于氨基酸或者多肽的自组装研究中, 研究人员常把萘二酰亚胺(以下简称NDI)作为疏水性功能基团引入到氨基酸或者多肽链的氨基端，自组装形成螺旋纳米管、纳米空心球,及纳米纤维等结构。目前对如何合理设计NDI小分子更易于自组装，尚不清晰，并且对于NDI衍生物自组装形成纳米结构的机理尚不明了。本课题拟构建一系列基于氨基酸和三肽NDI两亲性分子,在溶液中自组装成各种纳米超分子结构。并通过等活性键模型来理解NDI纳米超分子结构的形成机理,定量理解自组装体系的热力学特征。

设计复杂超分子纳米结构可以考虑从自然界生命体获得设计先进材料的启发，以结构，化学性质多样化的氨基酸或者多肽为基础单元，用超分子自组装的方法构建出功能性纳米材料。本课题把萘二酰亚胺(以下简称NDI)作为疏水性功能基团引入到氨基酸或者多肽链的氨基端，自组装形成螺旋纳米管、纳米空心球,及纳米纤维等各种纳米超分子结构。首先根据二肽序列聚集倾向的分析，设计多个系列氨基酸/二肽修饰萘二酰亚胺双亲分子，并以该双亲小分子为构建基本单元自组装形成结构、形貌可控的纳米超分子。并进一步选取8种聚集倾向高的三肽，利用固相合成法合成，并在吡啶溶液中与1,4,5,8-萘四甲酸酐反应，成功合成了8种不同的三肽修饰萘二酰亚胺衍生物，通过核磁共振氢谱、紫外-可见光谱、圆二色谱对其结构和水溶液中的自组装行为进行表征，利用扫描电子显微镜研究其微观形貌。8种不同的三肽修饰萘二酰亚胺衍生物在不同的酸碱性溶液中形成密集球状和针状形貌，立方体，树枝状或者椭球体。并选取其中三个产物和石墨烯/单壁碳纳米管反应合成纳米复合体，发现被萘二酰亚胺衍生物复合修饰的石墨烯和碳纳米管在氯仿中的溶解度得到改善。而由热重分析可以得出萘二酰亚胺衍生物的装载量均在10%左右。此外，氨基酸和萘二甲酰亚胺的良好生物相容性也为制备出来的纳米复合体再生物医学方面的应用带来了无限的可能性。