基于FRET的荧光超分子组装体的构筑及性质研究

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自组装作为超分子化学研究的重点和核心内容之一,是在分子以上层次创造新物质和产生新功能的重要手段。超分子化学家们通过配位键导向自组装策略成功构筑了大量具有规则几何形状的二维或三维分立超分子金属有机组装体。目前,配位键导向自组装策略也已成为构筑结构精准可控(形状、尺寸、空腔大小)的分立超分子金属有机组装体的有效方法。这些超分子金属有机组装体因其具有结构多样、组装可控以及功能丰富等特点,在催化、光电材料、气体存储、生物应用等领域得到广泛应用。目前对于分立超分子金属有机组装体的构筑、性质和功能的开发已有很多报道。然而对于自组装过程和机理的研究鲜有报道,需要指出的是,研究自组装过程对于理解组装本质、揭示组装规律、指导设计功能性超分子组装体具有重要的科学意义。结合本课题组长期围绕配位键导向自组装开展工作的研究基础,本论文将通过配位键导向自组装策略,构筑一系列具有荧光共振能量转移(FRET)的功能化超分子金属有机组装体。一方面,利用FRET技术研究多级组装体系的组装过程和机理;另一方面,基于对组装过程和组装机理的认识和理解,理性指导设计一系列具有FRET性质的超分子金属有机大环和超分子金属有机笼,并探究它们在光催化以及光捕获领域的功能和应用。本论文研究内容主要包含以下几方面:第一章首先介绍了基于配位键的分立超分子金属有机组装体的构筑策略;其次对离散型荧光超分子金属有机组装体的构筑方法进行了总结归纳,最后介绍了荧光超分子金属有机组装体的应用。第二章通过配位作用和主客体相互作用的正交自组装策略,高效制备了具有精确距离、位置、数量的蒽-香豆素-氟硼吡咯荧光团的二级次FRET体系,并成功利用多级FRET技术实现了对多组分、多级次可控组装过程的研究,为研究多级组装体系的组装过程和机理提供了良好的基础。通过在组装基元上分别引入蒽和香豆素荧光团,利用配位键导向自组装成功构筑了具有FRET的金属有机大环,通过FRET手段原位监测了配位键导向自组装过程、金属有机大环之间以及大环与配体之间的配体交换行为。进一步引入氟硼吡咯修饰的柱芳烃作为受体,通过主客体相互作用构筑了二级次的能量转移体系,并对其主客体过程进行了研究。实验表明,通过逐级自组装或“一锅法”正交自组装方法均可以成功构筑二级次FRET体系。同时,与一级FRET体系相比较,多级FRET体系的构建能提高体系中光敏剂氟硼吡咯的单线态氧产生效率和光催化活性。第三章通过配位键导向自组装策略构筑了一例基于FRET和重原子效应的光敏增强的金属有机大环。设计合成了具有重原子和氟硼吡咯修饰的120?双铂受体以及香豆素修饰的120?双吡啶给体,通过配位键导向自组装构筑了含有双荧光团的离散、分立且高度对称的六边形金属有机大环。随后,对其光敏化性质和光催化活性进行了详细研究,经重原子(碘)取代的金属有机大环的光敏化效率和光催化活性均高于无重原子(碘)取代的金属有机大环。更重要的是,基于FRET的金属有机大环表现出比单一荧光团金属有机大环更优异的光敏化效率和光催化活性。因此,实现了通过重原子效应和FRET策略同步提高超分子荧光金属有机大环的光敏化效率和光催化活性。进一步研究发现该超分子荧光金属有机大环作为一种高效光催化剂对硫醚的催化氧化具有较好的底物普适性和选择性。第四章通过配位键导向自组装、主客体相互作用以及疏水作用高效构筑了具有连续能量传递过程的超分子人工光捕获体系。设计合成了具有长链氰基的四苯乙烯吡啶给体,通过配位键导向自组装形成六边形金属有机大环,随后与氟硼吡咯或二苯乙烯基蒽修饰的柱芳烃通过主客体相互作用形成稳定的主客体复合物,进而在溶剂诱导下聚集形成具有聚集诱导发光增强(AIEE)和荧光共振能量转移(FRET)性能的纳米粒子。进一步引入受体染料分子尼罗红实现了高天线效应和高能量转移效率的超分子人工光捕获系统的构筑。第五章通过金属有机笼与两亲性聚合物的自组装以及疏水作用在水相中制备了一例具有连续能量转移过程且具备光催化能力的超分子人工光捕获体系。通过配位键导向自组装设计合成了以四苯乙烯为面、氟硼吡咯为棱柱的基于FRET的四方棱柱型金属有机笼,随后利用两亲性聚合物在水相中的自组装行为,将金属有机笼包封在纳米粒子当中,进一步引入荧光染料尼罗红作为能量受体在水相中构筑了具有连续能量转移过程的超分子人工光捕获体系,具有较为优异的光捕获能力,随后将其作为纳米反应器应用于水相中α-溴-4-甲氧基苯乙酮的脱卤反应,催化效果显著提高,在仿生催化领域中展现出广阔的应用前景。本论文通过合理化设计荧光组装基元,利用配位键导向自组装策略构筑了一系列具有FRET性质的荧光超分子金属有机组装体,利用FRET手段实现了对多组分、多级次的复杂超分子组装体组装过程和机理的研究。此外,进一步发展了一些荧光功能化的超分子金属有机组装体,并对其在光捕获和光催化方面的性能进行了相关研究。
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