超分子聚合新方法以及基于螺旋分子组装基元的高级聚集体的构筑

Helical structure is one of the most mysterious structures in the living system, which plays very important roles in the formation of highly-ordered aggregates and their biological functions. Therefore, it is of scientific significance to study the helix-based assembly principle so as to recognize the high-level assembled structures and concomitant functions occurred in the biological systems. This project is to develop the new techniques and approaches for the construction of multi-dimensional and hierarchical assemblies based on artificial helical molecules. In particular, the helical molecules will be rationally designed and prepared by means of organic synthesis. As found in our recent results that the single helix can spontaneously convert into double helix, we attempt to take the formation of double helix through the dimerization of single helix as a new type of supramolecular driving force. Moreover, a novel supramolecular polymerization method will be established by using this type of supramolecular driving force, which will consequently give rise to the development of novel supramolecular polymers and assemblies with multi-level architectures and morphologies. Furthermore, the transfer and amplification mechanism of hierarchical chirality from molecular chirality via helical handedness to supramolecular chirality will be studied during the process of helix-based assembly. It is anticipated that, in contrast to the conventional non-covalent interactions, this new type of supramolecular driving force established in the project will provide alternative way in the development of functional materials area.

螺旋结构是生命世界中最神秘的结构模型，其在生物高级组装体的形成及其行使生理功能过程中扮演了非常重要的角色。因此，研究螺旋结构的组装原理与方法对认识生命体系中的高级结构乃至功能具有重要的科学意义。本项目提出以构筑螺旋结构组装体为导向，结合有机合成和超分子组装技术与策略构筑多层次多维度的螺旋分子组装体，建立制备可控螺旋结构组装体的新技术和新方法。设计制备螺旋分子组装基元，开发基于单双螺旋二聚作用的新型超分子组装作用力，发展超分子聚合新方法，构建多样化的超分子聚合物和聚集体拓扑结构，揭示螺旋手性放大到超分子组装体手性的变化规律。新建立的超分子组装驱动力丰富了非共价相互作用力的内容，为功能材料的设计开发提供新的研究方法。

本项目主要针对高分子化学和超分子化学领域的科学问题开展前沿基础研究。以自主设计的螺旋结构为基础，以构建结构明确组装体为导向，结合有机合成和超分子组装技术与策略构筑多层次多维度的螺旋分子组装体，建立制备可控螺旋结构组装体的新技术与新方法。同时，将发展的组装技术与方法应用到功能性超分子组装体的构建中，针对某些重要科学问题开展组装体仿生结构与性能关系的系统研究。展开来讲，制备螺旋分子作为组装基元，开发基于单双螺旋二聚作用的新型超分子组装驱动力，发展超分子组装与聚合新方法，为构建复杂仿生超分子拓扑结构和超分子功能材料提供分子手段；通过螺旋分子组装体的探索性研究，率先发展了单个螺旋高分子跨膜离子孔道，发现了单分子跨膜通道的超高稳定性；利用动态共价组装策略构建了自折叠螺旋聚合物孔道，研究了结构导向的功能与性质，发现孔道内催化作用以及阴离子孔道特性；利用超分子策略构筑了具有孔道的超分子聚合物拓扑结构，研究了超分子聚合物孔道的仿生跨膜传输功能，实现了生物能量物质葡萄糖的跨膜传输；发展了自主创新的共轭螺旋分子孔道体系，实现了孔道结构的功能设计，通过结构与性质的系统研究揭示了离子通道选择性的分子机制，制备了迄今活性与选择性最佳的人造钾离子通道。这些研究结果有助于构筑复杂的超分子组装体，理解分子孔道结构与分子识别、物质传输等功能的潜在关系，为具有重要应用价值的分子孔道的研发提供基础，促进超分子功能膜材料的设计与发展。