1、超分子光化學(xué)分子器件的研究進(jìn)展超分子光化學(xué)分子器件的研究進(jìn)展 XXX 主要內(nèi)容主要內(nèi)容： v 引引 言言 v 分子器件與超分子光化學(xué)分子器件與超分子光化學(xué) v 超分子光化學(xué)分子器件超分子光化學(xué)分子器件 v 展展 望望 v引引 言言 u自然界中復(fù)雜的光生物過程諸如：光合作用、視覺機(jī)自然界中復(fù)雜的光生物過程諸如：光合作用、視覺機(jī) 理，這些自然界精巧的光化學(xué)反應(yīng)和光功能都是在天理，這些自然界精巧的光化學(xué)反應(yīng)和光功能都是在天 然的超分子體系內(nèi)進(jìn)行的，但我們對它們的結(jié)構(gòu)，有然的超分子體系內(nèi)進(jìn)行的，但我們對它們的結(jié)構(gòu)，有 序排列、力能學(xué)和動力學(xué)等方面的奧秘了解的甚少序排列、力能學(xué)和動力學(xué)等方面的奧秘了解的

2、甚少 u近年來受到廣泛重視的分子電子學(xué)研究的興起以及光近年來受到廣泛重視的分子電子學(xué)研究的興起以及光 電子功能材料的出現(xiàn)，不僅要求從機(jī)理上對存在的種電子功能材料的出現(xiàn)，不僅要求從機(jī)理上對存在的種 種問題給以闡明，而且還要獲得具體可用的實際材料種問題給以闡明，而且還要獲得具體可用的實際材料 要求科學(xué)家們設(shè)計、制造出人工體系模擬上述過要求科學(xué)家們設(shè)計、制造出人工體系模擬上述過 程，研究其作用機(jī)理，以滿足人類不斷增長的多種需程，研究其作用機(jī)理，以滿足人類不斷增長的多種需 要，而超分子光化學(xué)分子器件的研究提供了一個良好要，而超分子光化學(xué)分子器件的研究提供了一個良好 的模型體系的模型體系 u “器件器件

3、”是指各種具有不同功能的元件經(jīng)組裝后用來完是指各種具有不同功能的元件經(jīng)組裝后用來完 成特定復(fù)雜功能的組合件，概念延伸到分子水平，就形成特定復(fù)雜功能的組合件，概念延伸到分子水平，就形 成了分子器件成了分子器件 u分子器件的研究最近十幾年才得到迅速的發(fā)展，主要得分子器件的研究最近十幾年才得到迅速的發(fā)展，主要得 益于以下各科學(xué)領(lǐng)域的益于以下各科學(xué)領(lǐng)域的研究突破研究突破： n 分子器件分子器件 v分子器件與超分子光化學(xué)分子器件與超分子光化學(xué) u超分子化學(xué)超分子化學(xué)：研究超出于分子實體之外的化學(xué)，主研究超出于分子實體之外的化學(xué)，主 要是研究那些通過分子間非共價鍵相互作用而組織起要是研究那些通過分子間非共

4、價鍵相互作用而組織起 來的化學(xué)物種所表現(xiàn)的物理、化學(xué)以及生物特性和行來的化學(xué)物種所表現(xiàn)的物理、化學(xué)以及生物特性和行 為的科學(xué)為的科學(xué) u超分子光化學(xué)超分子光化學(xué)：研究超分子物種與光作用而產(chǎn)生研究超分子物種與光作用而產(chǎn)生的的 光物理、光化學(xué)以及光生物特性和行為的科學(xué)光物理、光化學(xué)以及光生物特性和行為的科學(xué) n 超分子光化學(xué)超分子光化學(xué) p超分子與大分子的區(qū)別超分子與大分子的區(qū)別 p超分子體系的種類超分子體系的種類 p超分子光化學(xué)與分子器件的關(guān)系超分子光化學(xué)與分子器件的關(guān)系 Fig.1 Schematic representation addressing the difference betwe

5、en supermolecules and large molecules according to the photochemical approach p 超分子與大分子的區(qū)別超分子與大分子的區(qū)別 L L LLM 籠狀化合物籠狀化合物 (cage type system) HHG 主客體系主客體系 (host-guest system) 旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)體 (rotaxanes system) 聯(lián)鎖體聯(lián)鎖體 (catenanes system) ABCD 共價鍵聯(lián)結(jié)的四元體系共價鍵聯(lián)結(jié)的四元體系 (covalently-linked molecular components) Fig.2. Sc

6、hematic represention of five types of supramolecular species p 超分子體系的種類超分子體系的種類 受受 體體 底底 物物 絡(luò)合或分子間鍵絡(luò)合或分子間鍵 超分子超分子 識別識別 催化催化 傳遞傳遞 分子器件分子器件 多分多分 子有子有 序集序集 合體合體化學(xué)調(diào)控化學(xué)調(diào)控 光化學(xué)調(diào)控光化學(xué)調(diào)控 電化學(xué)調(diào)控電化學(xué)調(diào)控 超分子光超分子光 化學(xué)分子化學(xué)分子 器件器件 Fig.3. Schematic representation of relationship between supramolecule and molecular devic

7、es p 超分子光化學(xué)與分子器件的關(guān)系超分子光化學(xué)與分子器件的關(guān)系 v超分子光化學(xué)分子器件超分子光化學(xué)分子器件 n光能轉(zhuǎn)換分子器件光能轉(zhuǎn)換分子器件 n熒光分子傳感器熒光分子傳感器 n分子開關(guān)分子開關(guān) n分子機(jī)器分子機(jī)器 u超分子光化學(xué)分子天線或?qū)Ь€：具有光電超分子光化學(xué)分子天線或?qū)Ь€：具有光電 轉(zhuǎn)換或光致電子轉(zhuǎn)移功能的分子器件轉(zhuǎn)換或光致電子轉(zhuǎn)移功能的分子器件 u其主要是通過電子給體光敏劑電子受其主要是通過電子給體光敏劑電子受 體三元或多元體系超分子在光的作用下發(fā)生體三元或多元體系超分子在光的作用下發(fā)生 電荷分離來實現(xiàn)電荷分離來實現(xiàn) u這也是光合作用機(jī)理中最基本的過程這也是光合作用機(jī)理中最基本的

8、過程 n 光能轉(zhuǎn)換分子器件光能轉(zhuǎn)換分子器件 h QPC e-e- Q.-PC.+ Fig.4. Q-P-C triad supramolecular system and schematic diagram of trimer charge separation Fig. 5. Schematic representation of an artificial photosynthetic membrane. The lipid bilayer of a liposome vesicle contains the components of a light-driven proton pump

9、: a vectorially insertedtriad leads to transport of hydrogen ions into the liposome interior,establishing a proton motive force. The membrane also contains avectorially inserted ATP synthase enzyme. The flow of protons out of the liposome through this enzyme drives the production of ATP. n方法簡便方法簡便 n

10、靈敏度高靈敏度高 n選擇性高選擇性高 n響應(yīng)時間快響應(yīng)時間快 n可現(xiàn)場測定（熒光成像技術(shù)）可現(xiàn)場測定（熒光成像技術(shù)） n利用光纖可遠(yuǎn)距離檢測利用光纖可遠(yuǎn)距離檢測 超分子光化學(xué)熒光分子傳感器在各超分子光化學(xué)熒光分子傳感器在各 種離子檢測技術(shù)中具有突出的優(yōu)點：種離子檢測技術(shù)中具有突出的優(yōu)點： n 熒光分子傳感器熒光分子傳感器 Fig. 6. Main aspects of fluorescent molecular sensors for cation recognition. Fig. 7. Schematic illustration of various structures of fluo

11、roionophores. Fig. 8. Principle of cation recognition by fluorescent PET sensors. Fig. 9. various structures of fluoroionophores. 超分子光化學(xué)分子開光就是通過光誘導(dǎo)超分子光化學(xué)分子開光就是通過光誘導(dǎo) 電子轉(zhuǎn)移、能量轉(zhuǎn)移等使超分子發(fā)生結(jié)構(gòu)變電子轉(zhuǎn)移、能量轉(zhuǎn)移等使超分子發(fā)生結(jié)構(gòu)變 化而使其具有開光作用的分子器件：化而使其具有開光作用的分子器件： u光控磁開關(guān)光控磁開關(guān) u基于電子轉(zhuǎn)移的光控開關(guān)基于電子轉(zhuǎn)移的光控開關(guān) u基于光誘導(dǎo)分子構(gòu)型變化的開關(guān)基于光誘導(dǎo)分子構(gòu)型變化的

12、開關(guān) n 分子開關(guān)分子開關(guān) u光控磁開關(guān)光控磁開關(guān) u基于電子轉(zhuǎn)移的光控開關(guān)基于電子轉(zhuǎn)移的光控開關(guān) Fig. 11. Light-driven dethreading of pseudorotaxanes by excitation of a photosensitizer P as (a) an external reactant (MeCN or H2O, room temperature), (b) a stopper in the wire- type component (EtOH, room temperature), and (c) a component of the macr

13、ocyclic ring (H2O, room temperature). u基于光誘導(dǎo)分子構(gòu)型變化的開關(guān)基于光誘導(dǎo)分子構(gòu)型變化的開關(guān) Fig.12. The photoinduced inclusion of 4,4-bipyridine(45) inside the cavity of the azobenzene-capped cyclodextrin derivative 44(H2O, pH 7.2, 298K).The 4,4-dicarbonylazobenzene unit is attached to two of the primary oxygen atoms of th

14、e cyclodextrin derivative 超分子光化學(xué)超分子光化學(xué)分子機(jī)器就是在光分子機(jī)器就是在光 的驅(qū)動下能夠執(zhí)行類似機(jī)械運(yùn)動功能的驅(qū)動下能夠執(zhí)行類似機(jī)械運(yùn)動功能 的超分子體系：的超分子體系： u分子轉(zhuǎn)動裝置分子轉(zhuǎn)動裝置 u分子梭分子梭 n 分子機(jī)器分子機(jī)器 n超分子光化學(xué)器件研究已成為世界性前沿課題，新型光超分子光化學(xué)器件研究已成為世界性前沿課題，新型光 控分子水平機(jī)器的研究具有獨特的吸引力，并取得了一控分子水平機(jī)器的研究具有獨特的吸引力，并取得了一 定的進(jìn)展：定的進(jìn)展： u人工光合成人工光合成ATP u人工分子機(jī)器的藥物運(yùn)送人工分子機(jī)器的藥物運(yùn)送 u人工分子開關(guān)執(zhí)行邏輯運(yùn)算人工分子開關(guān)執(zhí)行邏輯運(yùn)算 n超分子光化學(xué)分子器件仍還