刘鸣华 研究员

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             中国科学院化学研究所

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实验室简介

本课题组成立于1998年,由刘鸣华研究员从日本回国建立,主要围绕多层次有序组装结构开展研究,到2013年为止,培养博士31人,硕士5人。曾多次承担"973",基金委重点基金,院方向性项目等研究课题,已在J. Am. Chem. Soc.; Angew. Chem. Int. Ed. Engl.; Adv. Mater.等国际核心学术期刊上发表论文200余篇。

研究领域

手性是自然界的普遍现象,在生命科学、制药以及材料科学中起着重要的作用。除了分子层次的手性以外,分子以上层次的手性问题研究正在日益引起人们的广泛兴趣。随着自组装技术的发展,通过一些非共价的弱相互作用力也能构建手性的立体结构。这种结构可以使得原本不具备手性的分子或发色团在一定条件下表现出手性信号,或者可以使原有的手性通过一定的聚集形态以非线性的方式得以放大,这便是超分子手性,是手性科学研究中的一个新方向。我们课题组首先围绕着"超分子手性如何从无到有"这一基本科学问题,探索了多层系自组装结构中超分子手性的产生,传递,放大,探索了超分子手性的调控规律,并进一步尝试性的探求了超分子手性在手性开关,手性识别,不对称催化等方向的应用。  此外,还深入研究了在胶体与界面体系中多层次有序结构的可控组装及功能化。 

研究方向

1. 超分子手性的产生,调控及功能化
2. 多层次有序结构的可控组装
3. 超分子凝胶与软物质功能材料

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内容

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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