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刘鸣华课题组利用外消旋分子组装手性结构实现手性分子识别与检测

手性分子与手性结构广泛存在于自然界中,手性分子的合成与拆分,手性分子识别以及手性结构的形成与功能化是分子化学、超分子化学的重要课题之一。   在国家自然科学基金委和科技部的大力支持下,中国科学院化学所胶体界面与化学热力学院重点实验室的科研人员,在超分子手性、手性纳米结构的构建以及分子识别方面取得了新进展。

一般来说,自组装体的超分子手性与构筑单元的手性密切相关,通常是分子的手性决定超分子的手性。但非手性单元,如非手性分子和外消旋体在自组装过程中也能产生手性结构,得到等量的具有相反手性的手性聚集体,这样整个体系仍然不具有手性活性。这时可以通过在体系中加入少量手性分子实现超分子手性的控制。相关实验人员对这些体系中的手性进行了深入的研究,通过微量手性分子掺杂实现了纳米结构手性的控制(Langmuir2012, 28, 15410),并通过手性对映体过剩实现了手性纳米结构的调控(Chem. Eur. J.2010, 16, 8034)。

进一步的研究发现,外消旋体有可能组装成与光学对映体的组装完全不一样的结构,从而产生新的功能。他们在对丙氨酸衍生物的手性自组装的研究过程中发现,外消旋体组装得到的是螺旋纳米带,而单一对映体得到的却是平滑的纳米纤维结构,本该没有宏观手性的消旋体却产生了比单一对映体组装的手性结构更强的手性信号。这种异常现象来自于光学对映体与外消旋体的组装方式的分子排列方式不同而形成的不同的纳米结构(图1)。

更有意思的是,这一外消旋体组装形成的手性结构对于过量的手性分子非常敏感,仅仅0.2%的过量就可以引导组装体的手性方向。这种丙氨酸外消旋体的组装体不仅仅针对于过剩的对映体,而且对一系列氨基酸衍生物也具有非常灵敏的响应性,可以用来识别与检测微量的手性分子。这样,这种外消旋的组装体可以作为一种广谱的手型传感器,用检测手性分子甚至体系的对映体过剩值(图2)。

相关结果发表在Angew. Chem. Int. Ed.2013, 52, 4122上,并被选为VIP文章。

图1 丙氨酸衍生物的单一对映体(左)与外消旋体(右)组装模式与形成的纳米结构示意图。

 

图2 不同对映体过剩(ee)条件下外消旋体组装的A) CD信号强度变化和B)形貌变化。外消旋组装体对C)不同氨基酸衍生物和D)不同ee值的色氨酸衍生物的响应。

 

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