超分子光化学分子器件的研究进展

1、超分子光化学分子器件的研究进展超分子光化学分子器件的研究进展 XXX 主要内容主要内容： v 引引 言言 v 分子器件与超分子光化学分子器件与超分子光化学 v 超分子光化学分子器件超分子光化学分子器件 v 展展 望望 v引引 言言 u自然界中复杂的光生物过程诸如：光合作用、视觉机自然界中复杂的光生物过程诸如：光合作用、视觉机 理，这些自然界精巧的光化学反应和光功能都是在天理，这些自然界精巧的光化学反应和光功能都是在天 然的超分子体系内进行的，但我们对它们的结构，有然的超分子体系内进行的，但我们对它们的结构，有 序排列、力能学和动力学等方面的奥秘了解的甚少序排列、力能学和动力学等方面的奥秘了解的

2、甚少 u近年来受到广泛重视的分子电子学研究的兴起以及光近年来受到广泛重视的分子电子学研究的兴起以及光 电子功能材料的出现，不仅要求从机理上对存在的种电子功能材料的出现，不仅要求从机理上对存在的种 种问题给以阐明，而且还要获得具体可用的实际材料种问题给以阐明，而且还要获得具体可用的实际材料 要求科学家们设计、制造出人工体系模拟上述过要求科学家们设计、制造出人工体系模拟上述过 程，研究其作用机理，以满足人类不断增长的多种需程，研究其作用机理，以满足人类不断增长的多种需 要，而超分子光化学分子器件的研究提供了一个良好要，而超分子光化学分子器件的研究提供了一个良好 的模型体系的模型体系 u “器件器件

3、”是指各种具有不同功能的元件经组装后用来完是指各种具有不同功能的元件经组装后用来完 成特定复杂功能的组合件，概念延伸到分子水平，就形成特定复杂功能的组合件，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几年才得到迅速的发展，主要得分子器件的研究最近十几年才得到迅速的发展，主要得 益于以下各科学领域的益于以下各科学领域的研究突破研究突破： n 分子器件分子器件 v分子器件与超分子光化学分子器件与超分子光化学 u超分子化学超分子化学：研究超出于分子实体之外的化学，主研究超出于分子实体之外的化学，主 要是研究那些通过分子间非共价键相互作用而组织起要是研究那些通过分子间非共

4、价键相互作用而组织起 来的化学物种所表现的物理、化学以及生物特性和行来的化学物种所表现的物理、化学以及生物特性和行 为的科学为的科学 u超分子光化学超分子光化学：研究超分子物种与光作用而产生研究超分子物种与光作用而产生的的 光物理、光化学以及光生物特性和行为的科学光物理、光化学以及光生物特性和行为的科学 n 超分子光化学超分子光化学 p超分子与大分子的区别超分子与大分子的区别 p超分子体系的种类超分子体系的种类 p超分子光化学与分子器件的关系超分子光化学与分子器件的关系 Fig.1 Schematic representation addressing the difference betwe

5、en supermolecules and large molecules according to the photochemical approach p 超分子与大分子的区别超分子与大分子的区别 L L LLM 笼状化合物笼状化合物 (cage type system) HHG 主客体系主客体系 (host-guest system) 旋转体旋转体 (rotaxanes system) 联锁体联锁体 (catenanes system) ABCD 共价键联结的四元体系共价键联结的四元体系 (covalently-linked molecular components) Fig.2. Sc

6、hematic represention of five types of supramolecular species p 超分子体系的种类超分子体系的种类 受受 体体 底底 物物 络合或分子间键络合或分子间键 超分子超分子 识别识别 催化催化 传递传递 分子器件分子器件 多分多分 子有子有 序集序集 合体合体化学调控化学调控 光化学调控光化学调控 电化学调控电化学调控 超分子光超分子光 化学分子化学分子 器件器件 Fig.3. Schematic representation of relationship between supramolecule and molecular devic

7、es p 超分子光化学与分子器件的关系超分子光化学与分子器件的关系 v超分子光化学分子器件超分子光化学分子器件 n光能转换分子器件光能转换分子器件 n荧光分子传感器荧光分子传感器 n分子开关分子开关 n分子机器分子机器 u超分子光化学分子天线或导线：具有光电超分子光化学分子天线或导线：具有光电 转换或光致电子转移功能的分子器件转换或光致电子转移功能的分子器件 u其主要是通过电子给体光敏剂电子受其主要是通过电子给体光敏剂电子受 体三元或多元体系超分子在光的作用下发生体三元或多元体系超分子在光的作用下发生 电荷分离来实现电荷分离来实现 u这也是光合作用机理中最基本的过程这也是光合作用机理中最基本的

8、过程 n 光能转换分子器件光能转换分子器件 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方法简便方法简便 n

10、灵敏度高灵敏度高 n选择性高选择性高 n响应时间快响应时间快 n可现场测定（荧光成像技术）可现场测定（荧光成像技术） n利用光纤可远距离检测利用光纤可远距离检测 超分子光化学荧光分子传感器在各超分子光化学荧光分子传感器在各 种离子检测技术中具有突出的优点：种离子检测技术中具有突出的优点： n 荧光分子传感器荧光分子传感器 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. 超分子光化学分子开光就是通过光诱导超分子光化学分子开光就是通过光诱导 电子转移、能量转移等使超分子发生结构变电子转移、能量转移等使超分子发生结构变 化而使其具有开光作用的分子器件：化而使其具有开光作用的分子器件： u光控磁开关光控磁开关 u基于电子转移的光控开关基于电子转移的光控开关 u基于光诱导分子构型变化的开关基于光诱导分子构型变化的

12、开关 n 分子开关分子开关 u光控磁开关光控磁开关 u基于电子转移的光控开关基于电子转移的光控开关 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基于光诱导分子构型变化的开关基于光诱导分子构型变化的开关 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 超分子光化学超分子光化学分子机器就是在光分子机器就是在光 的驱动下能够执行类似机械运动功能的驱动下能够执行类似机械运动功能 的超分子体系：的超分子体系： u分子转动装置分子转动装置 u分子梭分子梭 n 分子机器分子机器 n超分子光化学器件研究已成为世界性前沿课题，新型光超分子光化学器件研究已成为世界性前沿课题，新型光 控分子水平机器的研究具有独特的吸引力，并取得了一控分子水平机器的研究具有独特的吸引力，并取得了一 定的进展：定的进展： u人工光合成人工光合成ATP u人工分子机器的药物运送人工分子机器的药物运送 u人工分子开关执行逻辑运算人工分子开关执行逻辑运算 n超分子光化学分子器件仍还