李昊課題組在水相自組裝方面取得新進(jìn)展
????? 2018年10月18日，浙江大學(xué)化學(xué)系李昊研究組的最近的一個(gè)研究成果 “基于肟的動(dòng)態(tài)化學(xué)自組裝”被《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》雜志發(fā)表： Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, DOI: 10.1002/anie.201811025。文章的一作是浙江大學(xué)化學(xué)系博士生沈利波。
圖1. 亞胺鍵及其衍生物的不同的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性
??? 合成三維結(jié)構(gòu)復(fù)雜的分子一直是化學(xué)研究中的難點(diǎn)?；诓豢赡婊瘜W(xué)反應(yīng)的全合成有步數(shù)多、耗時(shí)長(zhǎng)等缺點(diǎn)，因此科學(xué)家發(fā)展了一類基于動(dòng)態(tài)鍵的超分子自組裝方法，即利用動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵、金屬配位鍵、超分子非共價(jià)鍵的可逆形成和斷開，讓體系去尋找其熱力學(xué)最穩(wěn)態(tài)。這就意味著，通過合理的設(shè)計(jì)目標(biāo)分子結(jié)構(gòu)，一些具有拓?fù)鋵W(xué)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的目標(biāo)分子可以用一鍋法高產(chǎn)率的獲得――如果目標(biāo)分子的熱力學(xué)穩(wěn)定性足夠高。
李昊研究組首先利用了亞胺鍵（席夫堿）的動(dòng)態(tài)性，高效的合成了一個(gè)四面體分子（一鍋法，產(chǎn)率>99%）。并利用四面體分子對(duì)白磷分子的包結(jié)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)后者分子的保護(hù)，白磷分子得以在氧氣環(huán)境下穩(wěn)定存在不少于三個(gè)月。這些研究成果意味著自組裝分子能作為一類“分子膠囊”，實(shí)現(xiàn)對(duì)高能量、易燃易爆的客體分子的存儲(chǔ)和安全運(yùn)輸。相關(guān)工作發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 14545?14550（一作：浙大化學(xué)系博士生焦天宇和陳亮）；J. Org. Chem. 2018, 83, 12404−12410（一作：浙大化學(xué)系博士生焦天宇）。
??? 然而，使用亞胺鍵最大的問題是該化學(xué)鍵的不穩(wěn)定性。由于亞胺化學(xué)鍵親電性，因此在水溶液環(huán)境中，水分子和亞胺化學(xué)鍵產(chǎn)生親電加成反應(yīng)，導(dǎo)致后者的水解（圖1a）。然而解決動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵和水溶液兼容性對(duì)于自組裝研究至關(guān)重要――因?yàn)樗巧拿浇?，只有?shí)現(xiàn)了組裝體在水溶液體系的穩(wěn)定性，這些自組裝分子體系才可能在生命體系實(shí)現(xiàn)它們的超分子功能。為了解決這一個(gè)問題，李昊研究組發(fā)展了一類新型的動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵用于動(dòng)態(tài)共價(jià)自組裝，利用一類亞胺的衍生物，即腙（─C=N─N─）在水溶液中的定量縮合形成，實(shí)現(xiàn)了水溶液中的自組裝。腙之所以比亞胺更穩(wěn)定，是由于和亞胺相連的氮原子的孤對(duì)電子對(duì)的共振（─C──N=N+─），這樣碳原子帶有部分負(fù)電荷從而具有相對(duì)減弱的親電性。其結(jié)果就是，腙和水分子的加成反應(yīng)的反應(yīng)常數(shù)因此被降低了。利用這個(gè)與水溶液可以兼容的動(dòng)態(tài)共價(jià)反應(yīng)，一系列的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分子被合成出來，相關(guān)的研究被發(fā)表在Nature Chem. 2015, 7,1003-1008；J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 5955-5961（一作：浙江大學(xué)化學(xué)系博士生吳廣成）；Org. Lett. 2018, 20, 2356-2359（一作：浙江大學(xué)化學(xué)系博士生張楊）；Chem. Commun. 2018, 54, 3138-3141（一作：浙江大學(xué)化學(xué)系博士生張楊）； Chem. Commun. 2018, 54, 5106-5109（一作：浙江大學(xué)化學(xué)系博士生王彩云）。
??? 酰腙體系也有其缺點(diǎn)――在溶液環(huán)境中（尤其酸性），酰腙化學(xué)鍵也是不穩(wěn)定的。該化學(xué)鍵不停的發(fā)生分解/形成的交換反應(yīng)（圖1b），因此通過酰腙縮合形成的自組裝分子體系往往是不穩(wěn)定的，一旦失去了其形成的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力（如疏水作用等），這些分子就容易分解。李昊研究組利用肟鍵（─C=N─O─）的動(dòng)力學(xué)惰性解決了這個(gè)問題。首先，肟鍵的形成在強(qiáng)酸性環(huán)境下是可逆的；其次，肟鍵在中性和弱酸性環(huán)境下表現(xiàn)出不可逆化學(xué)鍵的性質(zhì)（圖1c）。原因何在呢？亞胺鍵和腙鍵的分解往往是通過C=N的質(zhì)子化（─C=NH+─N─）開始的――雙鍵獲得質(zhì)子和正電荷，從而有利于親電加成反應(yīng)。肟鍵（─C=N─O─）的C=N由于和電負(fù)性較大的氧原子相連，氧原子的拉電子效應(yīng)讓氮的堿性大大降低，因此后者的質(zhì)子化難度增強(qiáng)。由于不能形成這個(gè)質(zhì)子化陽離子中間體，肟鍵的熱力學(xué)交換反應(yīng)被禁阻。研究人員發(fā)現(xiàn)，盡管失去了疏水效應(yīng)等熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力，一個(gè)含有肟鍵的互鎖分子（圖2）在80度的DMSO溶劑里加熱8小時(shí)幾乎觀察不到任何分解（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, DOI: 10.1002/anie.201811025）。
圖2. 利用肟鍵縮合形成的索烴結(jié)構(gòu)
?????這些研究得到了浙江大學(xué)，中國(guó)自然科學(xué)基金委，浙江省自然科學(xué)基金委以及中組部等機(jī)構(gòu)的資助，該研究成果也得到了潘遠(yuǎn)江教授課題組的大力支持。
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