分析超分子化学在环境科学及医药学中的应用

分析超分子化学在环境科学及医药学中的应用分子化学是研究基于原子间以共价键而构成的化学物质，而超分子化学是研究基于由两个或两个以上分子通过非共价键的分子间弱互相作用而构成的复杂有序且具有特定功能分子聚集体的化学。超分子化学是共价键分子化学发展中的一次升华，被称为“超出分子概念的化学〞，亦称为广义的配位化学或主-客体化学。为了鼓励对超分子化学构成的奉献和推动对超分子化学的深切进入研究，1987年诺贝尔化学奖授予了为超分子化学的构成和发展做出宏大奉献的三位科学家，即：1967年在上首个初次合成超分子配体冠醚的美国杜邦公司的佩德森(PedersenCJ)教授、为研究冠醚提出“主-客体化学〞的克拉姆〔CramDJ)教授和被誉为“超分子化学之父〞的法国化学家莱恩〔LehnJM)教授。其中莱恩教授在1987年的获奖演说中指出:超分子化学是研究两个或两个以上的化学物质分子通过非共价键的分子间弱互相作用力缔合而成的具有特定构造和特定功能的超分子体系的科学。超分子化学的产生是化学与生物学、物理学、材料科学、信息科学、能源科学、生命科学、纳米科学和环境科学穿插融合构成的一门新兴热门边沿学科。十分是超分子化学的产生和发展促进了上述新领域的构成和发展，它们之间互相促进、相得益彰。不仅如此，超分子化学在工业、农业、国防、医药学及四个现代化建设等领域均彰显出广阔的应用前景。1超分子化学在光电材料科学中的应用1.1超分子有机无机杂化物的合成及应用将来的分子、电子功能集成将依靠超分子化学的基本原理，合成出多功能高科技的有用材料，而外表活性剂包埋的杂多酸超分子复合物在光物理、电化学、磁性族、化学传感器、生物标签、药物以及催化等领域均有着潜在而宏大的应用前景。为此，东北师范大学的李健生等人通过离子交换法将DODA+阳离子和多酸阴离子作为建筑块成功合成了四例超分子有机无机杂化物[DODA]5[PW„039RhCH2C02H].6H20(1)、[DODA]6[SiW„039RhCH2C02H].6H20(2)、[D0DA]2[M〇204(EDTA)]-2H20(3)fn[D0-DA]12[Mo36(NO)4O108(H2O)16]-33H20(4)。采取FTIR光谱、TG分析、NMR谱确定了化合物的构成。用DSC、偏光显微镜、VT-XRD和HRTEM表征分析了其构造，实验表示清楚化合物1、3和4在加热条件下能够构成层状液晶相构造。进而通过循环伏安法、外表光电压、光电流-时间曲线初次研究了化合物的光电化学性质。循环伏安结果表示清楚包裹后多酸阴离子的氧化复原性质未改变。SPV表示清楚化合物1、3、4光照下能够产生外表光电压，而且光电流时间曲线证明化合物在氙灯照耀下能够产生光电流。这一创始性工作为多酸基液晶材料光电功能化开拓了新机遇。1.2含苯噻唑与芴的有机小分子受体超分子材料的光电性能及应用太阳能是最好的清洁能源之一。在各种太阳能电池中，网络互穿构造的超分子体异质构造(BHJ)太阳能电池被证明是特别高效的器件。其活性层材料中的给/受体材料是太阳能电池最核心的部分，此前受体材料大部分研究都围绕富勒烯球及其衍生物。近年来非富勒烯球类的有机小分子受体材料由于其易于合成与纯化、通过分子设计使能级更方便调节等优点引起了人们的广泛关注。为此，延边大学的隋明锐等人以2-((7-(9，9-dipropyl-9H-fluoren-2-yl)benzothiadi-azol-4-yl)methylene)malononitrie(K12)为原型改变其原子或基团设计合成了一系列的有机分子。芴类化合物作为一类具有刚性平面联苯构造的电致发光材料，由于具有宽的能隙、高的发光效率等特点，备受各方面的关注。故他们用Si原子取代C原子后，键长将明显增加，故有利于降低分子内部的空间位阻，提升结晶度和载流电子的传输。他们的研究还表示清楚，苯噻唑小分子衍生物在制造0PV器件经过中，能够采取真空蒸镀等方法得到无定形薄膜，经进一步退火处理，则可得到高度有序的薄膜并获得良好的电子传输性能。现今，苯噻唑小分子衍生物作为电子受体材料在0PV器件中表现出较大的潜力，遭到人们的广泛关注。他们的研究还表示清楚，K12等一系列分子与富勒條球相比，有更好的吸收光谱和能隙，类似的H0M0、LUM0能级和开路电压等，因而从理论上解释了K12等一系列分子可能具备高效太阳能电池给体材料的潜质[6]。该研究将在材料科学、光电科学、生物科学及催化科学中得到应用。1.3超分子凝胶的构成及光电性能低分子量的有机凝胶〔LMOGs)是一类主要的超分子软物质材料，在溶剂中加热溶解，冷却经过中通过氢键、范德华力、堆积等分子间作用力构成三维网状构造。在分子内引入具有手性的氨基酸单元能够增长分子间作用的位点，加强分子的成胶能力。为此，延边大学的孙晋国等人利用3-羟基-2-萘甲酸和6-羟基一2-萘甲酸作为初始原料合成了超分子凝胶因子A和B，通过对凝胶因子A和B的成胶能力测试，结果发现凝胶因子B在苯中构成凝胶(mL)的能力远远大于凝胶因子A在苯中的成胶〔27.4mg/mL)能力，且凝胶因子B构成的是透明凝胶，而凝胶因子A构成的为不透明的凝胶。荧光测试结果发现B在苯中构成的凝胶(5xl(T3mol/L，蓝色线)相对于溶液(2xlO—Vol/L，红色线〕发生了明显的红移且伴随着荧光的淬灭。而A无此现象，这是由于羟基位置的影响。该研究将在光电材料科学、光谱分析及胶体化学的研究中得到应用。2超分子化学在环境科学及医药学中的应用2.1盐酸改性粉煤灰吸附含Cr6+废水的研究及应用粉煤灰是锅炉燃烧经过中没有完全燃烧的飞沫，具有良好的吸附性能与化学稳定性，故对金属离子具有吸附过滤特性。经盐酸处理后的粉煤灰颗粒外表变得粗糙，构成很多凹槽和孔洞，进而增大了颗粒的比外表积。含Cr6+废水来源于众多工厂及行业，其可对地表水和地下水水质产生污染，除此之外Cr6+易在环境或动植物体内蓄积，如过量摄入，会严重影响人体健康。为此，延边大学的权跃等人以盐酸改性粉煤灰为吸附剂，采取静态吸附法对实验室模仿含C/+废水进行了单因素〔粉煤灰投加量、吸附体系pH值、吸附时间、废水初始浓度〕吸附研究，并确定了最佳吸附条件，即在室温251条件下，盐酸改性粉煤灰对含铬废水中C/+的最佳吸附条件:当初始浓度L的含Cr6+废水30mL中盐酸改性粉煤灰投加量4.5g、吸附体系PH值2~3、吸附时间90min时，Cr6+的去除率达95%w(最大〕。用该方法处理后的废水中Cr6+的浓度降低到0.25mg/L，低于国家一级排放标准，SPCr6+专0.5mg/L。该研究将在农业栽种、环境科学、材料科学及医药学研究中将得到应用。2.2KOH改性花生壳对亚甲基蓝吸附行为研究及应用近年来，染料废水污染引发的环境问题日益严重。多数染料带有复杂的芳环构造，故具有一定的毒性和生物积聚性，且在天然条件下很难降解。亚甲基蓝属于阳离子染料，有着广泛的应用价值，但其污染会导致人体的一些不良反应，如心跳增长、呕吐、休克、黄萎病、黄疸、四肢瘫痪和人体组织坏死等。而壳类物质经过适当的外表化学改性可进一步提升其吸附效率，故在污水处理中有着广阔的应用前景。为此，延边大学的权跃等人以花生壳为原料，KOH为改性剂，研究了改性后的花生壳的吸附性能、吸附机理及最佳实验条件，为改性花生壳作为废水吸附剂的应用提供了理论根据。即用KOH改性花生壳对亚甲基蓝进行吸附，其最佳吸附最佳条件为:20mg/L亚甲基蓝溶液50mL中投加改性花生壳0.05g、pH值11.0、吸附时间50min，其对亚甲基蓝废水的去除率为97.86%。该研究将在环境科学、医药学、分析分离科学及工业污染治理中得到应用。2.3BPQ-DNA超分子加合物的合成及应用环境中的化学污染物苯并〔a)芘〔B[a]P)在生物体代谢经过中会生成BPQ(Benzo[a]pyrene-7，8-dione)，进而导致DNA(Deoxyribonucleicacid)分子的损伤。BPQ-DNA超分子加合物是其对DNA化学损伤的最普遍形式，能够用来评价和预测化合物的潜在致癌性。为此，延边大学的孙士美等人考虑了体外合成BPQ-DNA超分子加合物的影响因素，建立并优化了BPQ-DNA反应体系。利用该方法分别合成了BPQ-deoxycytidine(dC)、BPQ-deoxyguanosine(dG)、BPQ-deoxyadenosine(dA)的DNA超分子加合物，并对该系列超分子聚合物利用光谱分析进行了构造鉴定，且研究了其分析方法对潜在致癌性的评价和预测。该研究将在环境科学、医药学及分析分离科学中得到应用。2.4盐酸改性粉煤灰吸附处理含铜废水的优化条件及应用含铜废水污染是一个极其严重的环境问题，它可通过水、土壤、空气及食物链危害人类的生存和健康；过量的铜离子可导致植物生长不良，诱导土壤微生物死亡，对水生生物产生毒性等，故低成本高效率处理含铜废水刻不容缓。粉煤灰是燃煤经过中排出的一种固体废弃物，具有多孔性、比外表积大等优点，故有着优良的吸附性能。粉煤灰经酸处理后，外表构成了很多凹槽和孔洞，其比外表积增大，进而提升了吸附能力。酸处理后粉煤灰含有人AL2(SO4)3，Fecl3，Alcl3等成分，而它们又有着优良的絮凝作用，这些物质水解后可构成很多复杂的多核超分子络合物，这将更有利于吸附废水中悬浮的胶体杂质。为此，延边大学的吴昊等人以盐酸改性过的粉煤灰为吸附剂，讨论了其对含铜废液中铜离子去除的最佳条件，即当含铜废水中铜离子初始浓度为5.0mg/L、体系的pH值为9.0、给50mL含铜废水中参加5.0g改性粉煤灰、吸附时间为90min时，对铜离子的吸附能力最强，其去除率到达95%以上。处理后的水中铜离子浓度到达工业废水排放标准，故实现了以废治废的目的，且为含铜工业废水治理提供了经济、实用、简单的处理方法，对治理环境污染具有主要意义。3超分子化学的同质多晶现象及应用从原子堆积的同质多晶现象到分子堆积的同质多晶现象的研究，使人们认识到“分子是坚持化学性质的最小粒子〞这一概念的缺陷。分子堆积的同质多晶现象研究表示清楚，同一分子基于晶态阵列的变化会呈现出不同的理化性质，并表达出不同的生理活性。同时，同质多晶现象的研究也进一步揭示了物质构造的复杂性和多样性，使人们对功能材料的制备和开发获得了愈加有用的工具。当前，人们研究分子的同质多晶现象重要包含互变异构多晶现象、构象异构多晶现象、有机金属多晶现象、超分子多晶现象以及假多晶现象。为此，华中科技大学的李红政等人近十年来重要研究了超分子化学的同质多晶现象，并基于分子同质多晶的性质来实现等级晶态构造体的构筑，发现了多个具有四级构造的高阶晶态堆积构造体。该研究将在超分子化学、构造化学、结晶学、材料科学等研究中得到应用。4结束语超分子化学作为一门植根深远的新兴热门边沿学科与18、19的经典化学相比较，其显著的特征是从宏观进入微观，从静态研究进人动态研究，从个别、细致、孤立研究发展到互相浸透、互相联络研究，从分子内的原子排列发展到分子间的互相作用研究。从某种意义上讲，超分子化学淡化了有机化学、无