有机刚性大环分子的可控自组装及相关纳米管的结构与功能研究

Fully functionalizable nano-pores and nano-channels fabricated via molecular self-assembly has been considered as a class of materials that holds great promise for a wide variety of applications. It is expected that fundamental breakthroughs in mechanistic studies and applications will be made in this filed in the coming years (most likely, in the next five to ten years). We propose to develop porous structures and the corresponding materials based on the directed self-assembly of shape-persistent macrocycles. New insights on the corresponding molecular self-assembly processes that are directed by multiple non-covalent interactions. A major object of this project is to gain better understandings on the processes involving mass transportation under nano-confinement. Progress made from the proposed studies will lay solid theoretical and experimental foundations for breakthroughs in the development of the next generation of technologies for applications including molecular separation/purification and drug delivery. Accomplishing the objectives of this project will greatly enhance our nation’s leading position both in basic research and related industries in this filed.

基于有机合成的可控纳米孔通道的自组装和功能调控及其应用在国际上尚处于起步阶段，因而我国在这方面的研究与世界先进水平基本同步，预计未来5-10年在国际上会有一批具有重要影响的基础研究和应用方面的突破。本项目的实施，预计将会研发出多种具有特殊设计功能的有机纳米孔通道材料，阐明此类通道材料的可控自组装和在受限纳米空间条件下物质选择性输运的基本规律，为分子分离、纯化以及药物输送等广泛领域提供多种类多层次多功能的自组装纳米材料平台、技术支撑和理论基础，进一步提升我国在这一领域的创新能力和国际竞争能力，培养并造就一支高水平、稳定的研究队伍，将有利于推动我国相关新兴产业的发展。

开发结构与功能可调的分子及超分子有机纳米管及纳米孔，可望系统揭示纳米及亚纳米空间下诸多性质的机理，并为进一步设计、制备相关的功能材料提供必要的结构基础。本项目我们围绕有机刚性大环分子的设计合成和可控自组装及其相关纳米管的结构与性能研究，开展了大量实验和理论计算工作，在前期芳酰胺刚性大环工作的基础上，我们设计合成了第二代， 第三代和第四代刚性芳酰胺大环，详细研究了这些刚性大环分子可控组装行为及其传输功能。核磁，理论计算和晶体结构研究表明同时含有酰胺侧链和三中心氢键的芳酰胺刚性大环形成了新颖独特的四聚体为单元的超分子寡聚体，为新型纳米材料的研究提供的可能；对于减少了烷氧基侧链的第三代刚性芳酰胺大环，荧光光谱，核磁波谱和SEM等手段表明它们能形成非常稳定的纳米管状结构，在极稀的（<1 pM)溶液中，此类大环聚集成为单独存在的单根纳米管，随着浓度增加，单根纳米管进一步组装成为纳米管束。离子通道实验发现，第三代刚性大环形成高通量的，长时间持续的跨膜离子通道。为了在大环内腔中引入功能基团，我们通过5+1手段合成得到了结合有第一代刚性大环骨架的第四代大环。第四代大环不但保持了前三代大环的柱状自组装能力，同时基于内腔中不同X功能基团的存在，相应的自组装内米孔展现了极为不同的离子传输特性。这些研究结果对有机可控自组装纳米管的研究将起到极大推动作用，为此类材料的开发、应用发展提供了坚实基础。