超分子光化學(xué)分子器件的研究進(jìn)展

1、超分子光化學(xué)分子器件的研究進(jìn)展超分子光化學(xué)分子器件的研究進(jìn)展XXX主要內(nèi)容主要內(nèi)容：v 引引 言言v 分子器件與超分子光化學(xué)分子器件與超分子光化學(xué)v 超分子光化學(xué)分子器件超分子光化學(xué)分子器件v 展展 望望v引引 言言 u自然界中復(fù)雜的光生物過程諸如：光合作用、視覺機(jī)自然界中復(fù)雜的光生物過程諸如：光合作用、視覺機(jī)理，這些自然界精巧的光化學(xué)反應(yīng)和光功能都是在天理，這些自然界精巧的光化學(xué)反應(yīng)和光功能都是在天然的超分子體系內(nèi)進(jìn)行的，但我們對它們的結(jié)構(gòu)，有然的超分子體系內(nèi)進(jìn)行的，但我們對它們的結(jié)構(gòu)，有序排列、力能學(xué)和動力學(xué)等方面的奧秘了解的甚少序排列、力能學(xué)和動力學(xué)等方面的奧秘了解的甚少u近年來受到廣泛

2、重視的分子電子學(xué)研究的興起以及光近年來受到廣泛重視的分子電子學(xué)研究的興起以及光電子功能材料的出現(xiàn)，不僅要求從機(jī)理上對存在的種電子功能材料的出現(xiàn)，不僅要求從機(jī)理上對存在的種種問題給以闡明，而且還要獲得具體可用的實(shí)際材料種問題給以闡明，而且還要獲得具體可用的實(shí)際材料 要求科學(xué)家們設(shè)計、制造出人工體系模擬上述過要求科學(xué)家們設(shè)計、制造出人工體系模擬上述過程，研究其作用機(jī)理，以滿足人類不斷增長的多種需程，研究其作用機(jī)理，以滿足人類不斷增長的多種需要，而超分子光化學(xué)分子器件的研究提供了一個良好要，而超分子光化學(xué)分子器件的研究提供了一個良好的模型體系的模型體系u “器件器件”是指各種具有不同功能的元件經(jīng)組裝

3、后用來完是指各種具有不同功能的元件經(jīng)組裝后用來完成特定復(fù)雜功能的組合件，概念延伸到分子水平，就形成特定復(fù)雜功能的組合件，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幾年才得到迅速的發(fā)展，主要得分子器件的研究最近十幾年才得到迅速的發(fā)展，主要得益于以下各科學(xué)領(lǐng)域的益于以下各科學(xué)領(lǐng)域的研究突破研究突破： n 分子器件分子器件v分子器件與超分子光化學(xué)分子器件與超分子光化學(xué)u超分子化學(xué)超分子化學(xué)：研究超出于分子實(shí)體之外的化學(xué)，主研究超出于分子實(shí)體之外的化學(xué)，主要是研究那些通過分子間非共價鍵相互作用而組織起要是研究那些通過分子間非共價鍵相互作用而組織起來的化學(xué)物種所表現(xiàn)的物理、化

4、學(xué)以及生物特性和行來的化學(xué)物種所表現(xiàn)的物理、化學(xué)以及生物特性和行為的科學(xué)為的科學(xué)u超分子光化學(xué)超分子光化學(xué)：研究超分子物種與光作用而產(chǎn)生研究超分子物種與光作用而產(chǎn)生的的光物理、光化學(xué)以及光生物特性和行為的科學(xué)光物理、光化學(xué)以及光生物特性和行為的科學(xué)n 超分子光化學(xué)超分子光化學(xué)p超分子與大分子的區(qū)別超分子與大分子的區(qū)別p超分子體系的種類超分子體系的種類p超分子光化學(xué)與分子器件的關(guān)系超分子光化學(xué)與分子器件的關(guān)系Fig.1 Schematic representation addressing the difference between supermolecules and large molec

5、ules according to the photochemical approachp 超分子與大分子的區(qū)別超分子與大分子的區(qū)別LLLLM籠狀化合物籠狀化合物(cage type system)HHG主客體系主客體系(host-guest system)旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)體(rotaxanes system)聯(lián)鎖體聯(lián)鎖體(catenanes system)ABCD共價鍵聯(lián)結(jié)的四元體系共價鍵聯(lián)結(jié)的四元體系(covalently-linked molecular components)Fig.2. Schematic represention of five types of supramolecul

6、ar speciesp 超分子體系的種類超分子體系的種類受受體體底底物物絡(luò)合或分子間鍵絡(luò)合或分子間鍵超分子超分子識別識別催化催化傳遞傳遞分子器件分子器件多分多分子有子有序集序集合體合體化學(xué)調(diào)控化學(xué)調(diào)控光化學(xué)調(diào)控光化學(xué)調(diào)控電化學(xué)調(diào)控電化學(xué)調(diào)控超分子光超分子光化學(xué)分子化學(xué)分子器件器件Fig.3. Schematic representation of relationship between supramolecule and molecular devicesp 超分子光化學(xué)與分子器件的關(guān)系超分子光化學(xué)與分子器件的關(guān)系v超分子光化學(xué)分子器件超分子光化學(xué)分子器件n光能轉(zhuǎn)換分子器件光能轉(zhuǎn)換分子器件n

7、熒光分子傳感器熒光分子傳感器n分子開關(guān)分子開關(guān)n分子機(jī)器分子機(jī)器u超分子光化學(xué)分子天線或?qū)Ь€：具有光電超分子光化學(xué)分子天線或?qū)Ь€：具有光電轉(zhuǎn)換或光致電子轉(zhuǎn)移功能的分子器件轉(zhuǎn)換或光致電子轉(zhuǎn)移功能的分子器件u其主要是通過電子給體光敏劑電子受其主要是通過電子給體光敏劑電子受體三元或多元體系超分子在光的作用下發(fā)生體三元或多元體系超分子在光的作用下發(fā)生電荷分離來實(shí)現(xiàn)電荷分離來實(shí)現(xiàn)u這也是光合作用機(jī)理中最基本的過程這也是光合作用機(jī)理中最基本的過程n 光能轉(zhuǎn)換分子器件光能轉(zhuǎn)換分子器件hQPCe-e-Q.-PC.+Fig.4. Q-P-C triad supramolecular system and sch

8、ematic diagram of trimer charge separationFig. 5. Schematic representation of an artificial photosynthetic membrane. The lipid bilayer of a liposome vesicle contains thecomponents of a light-driven proton pump: a vectorially insertedtriad leads to transport of hydrogen ions into the liposome interio

9、r,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方法簡便方法簡便n靈敏度高靈敏度高n選擇性高選擇性高n響應(yīng)時間快響應(yīng)時間快n可現(xiàn)場測定（熒光成像技術(shù)）可現(xiàn)場測定（熒光成像技術(shù)）n利用光纖可遠(yuǎn)距離檢測利用光纖可遠(yuǎn)距離檢測超分子光化學(xué)熒光分子傳感器在各超分

10、子光化學(xué)熒光分子傳感器在各種離子檢測技術(shù)中具有突出的優(yōu)點(diǎn)：種離子檢測技術(shù)中具有突出的優(yōu)點(diǎn)：n 熒光分子傳感器熒光分子傳感器Fig. 6. Main aspects of fluorescent molecular sensors for cation recognition.Fig. 7. Schematic illustration of various structures of fluoroionophores.Fig. 8. Principle of cation recognition by fluorescent PET sensors.Fig. 9. various struct

11、ures of fluoroionophores.超分子光化學(xué)分子開光就是通過光誘導(dǎo)超分子光化學(xué)分子開光就是通過光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移、能量轉(zhuǎn)移等使超分子發(fā)生結(jié)構(gòu)變電子轉(zhuǎn)移、能量轉(zhuǎn)移等使超分子發(fā)生結(jié)構(gòu)變化而使其具有開光作用的分子器件：化而使其具有開光作用的分子器件：u光控磁開關(guān)光控磁開關(guān)u基于電子轉(zhuǎn)移的光控開關(guān)基于電子轉(zhuǎn)移的光控開關(guān)u基于光誘導(dǎo)分子構(gòu)型變化的開關(guān)基于光誘導(dǎo)分子構(gòu)型變化的開關(guān)n 分子開關(guān)分子開關(guān)u光控磁開關(guān)光控磁開關(guān)u基于電子轉(zhuǎn)移的光控開關(guān)基于電子轉(zhuǎn)移的光控開關(guān)Fig. 11. Light-driven dethreading of pseudorotaxanes by excitati

12、on of a photosensitizer P as (a) an external reactant (MeCN or H2O, roomtemperature), (b) a stopper in the wire-type component (EtOH, room temperature), and (c) a component of the macrocyclic ring (H2O, roomtemperature).u基于光誘導(dǎo)分子構(gòu)型變化的開關(guān)基于光誘導(dǎo)分子構(gòu)型變化的開關(guān)Fig.12. The photoinduced inclusion of 4,4-bipyridin

13、e(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 the cyclodextrin derivative 超分子光化學(xué)超分子光化學(xué)分子機(jī)器就是在光分子機(jī)器就是在光的驅(qū)動下能夠執(zhí)行類似機(jī)械運(yùn)動功能的驅(qū)動下能夠執(zhí)行類似機(jī)械運(yùn)動功能的超分子體系：的超分子體系：u分子轉(zhuǎn)動裝置分子轉(zhuǎn)動裝置u分子梭分子梭n 分子機(jī)器分子機(jī)器n超分子光化學(xué)器件研究已成為世界性前沿課題，新型光超分子光化學(xué)器件研究已成為世界性前沿課題，新型光控分子水平機(jī)器的研究具有獨(dú)特的吸引力，并取得了一控分子水平機(jī)器的研究具有獨(dú)特的吸引力，并取得了一定的進(jìn)展：定的進(jìn)展：u人工光合成人工光合成ATPu人工分子機(jī)器的藥物運(yùn)送人工分子機(jī)器的藥物運(yùn)送u人工分子開關(guān)執(zhí)行邏輯運(yùn)算人工分子開關(guān)執(zhí)行邏輯運(yùn)算n超分子光化學(xué)分子器件仍還處