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蘇州大學(xué)張偉教授團(tuán)隊(duì)《Chem. Sci.》: 溶解-聚集和奇偶效應(yīng)介導(dǎo)的手性轉(zhuǎn)變和反轉(zhuǎn)
2023-01-31  來源:高分子科技

  在聚合物體系中,手性可以表達(dá)在不同層次和尺度上,其可來源于分子的不對(duì)稱構(gòu)型和構(gòu)象,也可來源于多個(gè)分子的不對(duì)稱堆積。對(duì)于聚合物體系而言,目前對(duì)手性的研究主要集中在二級(jí)螺旋構(gòu)象手性和三級(jí)超分子手性或液晶結(jié)構(gòu)手性的領(lǐng)域。通常來說手性結(jié)構(gòu)的級(jí)別越高,整個(gè)體系的手性轉(zhuǎn)移機(jī)制就越復(fù)雜,其相應(yīng)的研究就越困難,考慮到高級(jí)手性的表達(dá)通常由低級(jí)手性元素決定,因此多級(jí)手性之間的可控調(diào)節(jié)非常重要。在過去的幾年中,手性控制的研究主要涉及手性放大、手性開關(guān)和手性反轉(zhuǎn),其中左手(M)和右手(P)的可逆手性反轉(zhuǎn)被認(rèn)為是最迷人和獨(dú)特的現(xiàn)象。一級(jí)手性反轉(zhuǎn)需要共價(jià)鍵的斷裂和形成,而二級(jí)和三級(jí)手性反轉(zhuǎn)可以通過各種非共價(jià)相互作用的微妙平衡來實(shí)現(xiàn),通過各種外部刺激(例如,光、溫度、和溶劑等)對(duì)手性反轉(zhuǎn)的精確調(diào)節(jié)可進(jìn)一步加深對(duì)生物系統(tǒng)中手性轉(zhuǎn)變的理解,并擴(kuò)大其潛在應(yīng)用。


  近年,蘇州大學(xué)張偉教授團(tuán)隊(duì)在聚合物體系中超分子手性的構(gòu)建領(lǐng)域取得了諸多進(jìn)展。(Macromolecules 201649, 3214; J. Am. Chem. Soc. 2017139, 13218; Angew. Chem. Int. Ed. 202059, 9669; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 24430; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 133, 18714; Small 2021, 2103177)。


  生物系統(tǒng)中大分子和超分子水平的分級(jí)手性進(jìn)化無處不在,而且在聚合物體系中二級(jí)大分子手性和三級(jí)超分子手性之間的過渡在自然界中起著重要作用,但相關(guān)研究很少涉及到上述兩種不同層次手性的相互作用,此外,在聚合物系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)不同層級(jí)之間的手性轉(zhuǎn)變的精確控制仍然極具挑戰(zhàn)性。為了解決上述問題,張教授團(tuán)隊(duì)以手性的側(cè)鏈型偶氮苯聚合物為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)并合成了手性中心到偶氮苯構(gòu)筑基元不同距離的側(cè)鏈型偶氮苯聚合物,這項(xiàng)工作揭示了分子、大分子和超分子水平的手性轉(zhuǎn)變和反轉(zhuǎn),并且擴(kuò)展了手性奇偶效應(yīng)在側(cè)鏈偶氮苯聚合物體系中的適用性,這將為高級(jí)手性材料的設(shè)計(jì)開辟新的思路。


1. 通過溶解-聚集和手性奇偶效應(yīng)對(duì)側(cè)鏈型偶氮苯進(jìn)行手性控制的示意圖


  作者首先研究了手性中心靠近偶氮苯的側(cè)鏈型偶氮苯聚合物,發(fā)現(xiàn)對(duì)于L構(gòu)型聚合物在溶解狀態(tài)下呈現(xiàn)負(fù)的康頓效應(yīng),當(dāng)向溶解的聚合物溶液中逐漸加入不良溶劑時(shí),發(fā)生了一次手性反轉(zhuǎn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明這是從溶解狀態(tài)下的大分子手性到聚集態(tài)的超分子手性的手性反轉(zhuǎn)。此外對(duì)組裝體進(jìn)行熱處理會(huì)發(fā)生第二次手性反轉(zhuǎn),這是從動(dòng)力學(xué)穩(wěn)態(tài)到熱力學(xué)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)致的。作者利用這兩次反轉(zhuǎn)成功地構(gòu)建了一個(gè)一次循環(huán)、兩次反轉(zhuǎn)的手性開關(guān)。 


2. aPAzo-L/D-3THF中的CDUV-vis光譜。(bPAzo-L-3在不同體積比的DCE/MCH混合溶劑中的CDUV-vis光譜。(cPAzo-L-320 oC THF中在364 nm處隨著濃度變化時(shí)的CDUV-vis吸收強(qiáng)度變化圖。(dPAzo-L/D-3THF-d8中的VCD圖。(ePAzo-L-3在溶解、組裝和加熱冷卻處理后的CDUV-vis光譜。(f)一個(gè)循環(huán)具有三個(gè)反轉(zhuǎn)的手性開關(guān)。(g)溶解態(tài)和聚集態(tài)的分子堆積和大分子幾何結(jié)構(gòu)。


  進(jìn)一步地,為了探究聚合物PAzo-L-3多次反轉(zhuǎn)的原因,他們又合成了手性中心到偶氮苯距離減少一個(gè)原子的聚合物。研究發(fā)現(xiàn)對(duì)新合成的聚合物進(jìn)行類似的處理并沒有發(fā)生手性反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,分析紫外光譜可知,PAzo-L-3反轉(zhuǎn)的原因可歸結(jié)于溶解到聚集的變化和聚集狀態(tài)下聚集體聚集形式的變化(H-聚集到J-聚集)。 


3.aPAzo-L-3PAzo-L-2的化學(xué)結(jié)構(gòu)。(bPAzo-L-2在不同體積比的DCE/MCH混合溶劑中的CDUV-vis光譜。(c)聚合物PAzo-L-3PAzo-L-2在不同狀態(tài)下的相應(yīng)康頓效應(yīng)和奇偶效應(yīng)的示意圖。


  隨后他們又合成了一系列手性中心遠(yuǎn)離偶氮苯的手性側(cè)鏈型偶氮苯聚合物,當(dāng)該距離增加時(shí),由于主鏈和偶氮苯之間存在著較長(zhǎng)的柔性鏈,其在溶解狀態(tài)下的偶氮苯區(qū)域的手性表達(dá)消失。但在混合溶劑中進(jìn)行組裝時(shí)該偶氮苯可以進(jìn)行有效的超分子手性表達(dá),而且手性中心到偶氮苯距離對(duì)該手性表達(dá)起著決定性作用,完美的符合SED-SOL準(zhǔn)則,隨著距離的奇偶變化,該手性表達(dá)也會(huì)隨之發(fā)生反轉(zhuǎn),這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了在側(cè)鏈聚合物體系中同樣存在著手性奇偶效應(yīng),因此也擴(kuò)展了手性奇偶效應(yīng)的應(yīng)用范圍,也為聚合物體系中的手性控制提供了新的可靠途徑。 


4.a-ePAzo-L-mm6,7,8,9,10)在不同體積比的DCE/MCH混合溶劑中的CDUV-vis光譜。(f)聚集狀態(tài)下PAzo-L-m超分子手性組裝時(shí)對(duì)應(yīng)的第一個(gè)康頓效應(yīng)的最大值。(gPAzo-L-m超分子組裝的奇偶效應(yīng)。(h)聚合狀態(tài)下PAzo-L-m的鏈間超分子螺旋堆疊的示意圖。


  該工作首次在聚合物體系中實(shí)現(xiàn)了分子、大分子和超分子水平上的手性轉(zhuǎn)變和反轉(zhuǎn)的控制,并將手性奇偶效應(yīng)的適用性擴(kuò)展到側(cè)鏈型偶氮苯聚合物體系中。通過對(duì)分子堆積和大分子幾何結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)分析,闡明了側(cè)鏈型偶氮苯聚合物中的手性轉(zhuǎn)變和反轉(zhuǎn)的機(jī)制,這將為設(shè)計(jì)先進(jìn)的手性可控材料開辟新思路。


  以上工作受到了國(guó)家自然科學(xué)基金(92056111, 2197118021925107)的經(jīng)費(fèi)支持。相關(guān)成果以“Unexpected chirality transition and inversion mediated by dissolution–aggregation and the odd–even effect為題發(fā)表于《Chemical Science》上。文章的第一作者是蘇州大學(xué)在讀碩士生馬亞飛,通訊作者為蘇州大學(xué)張偉教授和博士后程笑笑


  論文鏈接:

  https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/sc/d2sc05255e

  DOI: 10.1039/d2sc05255e

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