若干功能體系的定向設(shè)計(jì)與構(gòu)筑

1、項(xiàng)目名稱(chēng)：若干功能體系的定向設(shè)計(jì)與構(gòu)筑首席科學(xué)家：于吉紅 吉林大學(xué)起止年限：2011.1至2015.8依托部門(mén)：教育部 中國(guó)科學(xué)院二、預(yù)期目標(biāo)項(xiàng)目的總體目標(biāo)： 本項(xiàng)目的研究目標(biāo)是揭示若干功能體系定向設(shè)計(jì)與構(gòu)筑中的一些基本規(guī)律及原理，進(jìn)一步發(fā)展定向設(shè)計(jì)與構(gòu)筑的一些新理論、新方法、新路線。在此基礎(chǔ)上，解決功能體系定向設(shè)計(jì)與構(gòu)筑的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。通過(guò)項(xiàng)目的實(shí)施，提升我國(guó)化學(xué)學(xué)科前沿科學(xué)研究水平和國(guó)際地位，培養(yǎng)一批高層次的研究人才，形成在國(guó)際上有重要影響的研究群體和基地，為促進(jìn)化學(xué)以及信息、環(huán)境、能源、材料、農(nóng)業(yè)及生命等領(lǐng)域的迅速發(fā)展提供相關(guān)科學(xué)基礎(chǔ)。五年預(yù)期目標(biāo): I揭示功能體定向設(shè)計(jì)與構(gòu)筑的一些基本

2、規(guī)律和原理：（1）分子在表界面的自組裝規(guī)律和基本原理（2）表界面結(jié)構(gòu)與電子性質(zhì)的構(gòu)效基本規(guī)律（3）多孔結(jié)構(gòu)選擇性構(gòu)筑及合成反應(yīng)規(guī)律（4）金屬價(jià)態(tài)、基元構(gòu)型、邊臂協(xié)助的功能作用規(guī)律（5）共價(jià)鍵選擇性構(gòu)建規(guī)律II發(fā)展功能體系定向設(shè)計(jì)與構(gòu)筑的一些新理論、新方法、新路線：（1）功能分子表界面有序結(jié)構(gòu)調(diào)控的新方法（2）光電與催化功能體系化學(xué)調(diào)控的新方法（3）特定孔道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與定向構(gòu)筑的理論方法（4）高選擇性構(gòu)建共價(jià)鍵的理論和新方法III構(gòu)筑一些新型功能材料：（1）基于微納多級(jí)有序結(jié)構(gòu)光電極和新型有機(jī)光電功能材料的太陽(yáng)能電池和光電傳感功能材料（2）性能優(yōu)良的光電磁功能配合物材料（3）性能優(yōu)良的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化催

3、化劑(4）具有高效催化與吸附分離功能的多孔材料（5）具有高效催化功能的金屬有機(jī)化合物材料通過(guò)本項(xiàng)目的實(shí)施，形成在國(guó)際上有重要影響的研究群體和基地，培養(yǎng)一批高層次研究人才，其中包括5-10 名國(guó)家杰出青年基金獲得者或長(zhǎng)江特聘教授，取得諸多具有國(guó)際先進(jìn)水平的標(biāo)志性研究成果，發(fā)表影響因子3.0 以上的SCI 檢索論文300 篇左右。三、研究方案學(xué)術(shù)思路： 本項(xiàng)目以“分子工程學(xué)”為指導(dǎo)思想，以若干功能體系為研究對(duì)象，探索分子自組裝、表界面及能級(jí)結(jié)構(gòu)的調(diào)控，多孔空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)構(gòu)筑與合成規(guī)律，金屬價(jià)態(tài)、基元構(gòu)型、邊臂協(xié)助的作用機(jī)制，化學(xué)鍵的可控?cái)嗔雅c形成等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，揭示相關(guān)規(guī)律和原理，進(jìn)一步發(fā)展功能體

4、系定向設(shè)計(jì)與構(gòu)筑的新理論、新方法、新路線，為促進(jìn)化學(xué)以及信息、環(huán)境、能源、材料、農(nóng)業(yè)和生命等領(lǐng)域的迅速發(fā)展提供相關(guān)科學(xué)基礎(chǔ)。技術(shù)途徑： 發(fā)揮我們?cè)趩畏肿颖砻孀越M裝研究方面的經(jīng)驗(yàn)積累和研究特長(zhǎng)，通過(guò)研究分子基底相互作用和分子間相互作用對(duì)于表面自組裝過(guò)程的影響，建立發(fā)展利用表面自組裝過(guò)程實(shí)現(xiàn)分子納米結(jié)構(gòu)定向構(gòu)筑的方法。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)構(gòu)筑功能分子的圖案化納米結(jié)構(gòu)，并研究圖案化分子聚集體的新奇物理化學(xué)性質(zhì)。利用分子和納米層次的表界面表征技術(shù)，研究功能體系中表界面物理化學(xué)過(guò)程，探索功能調(diào)控的化學(xué)基礎(chǔ)，為設(shè)計(jì)、構(gòu)筑具有新穎結(jié)構(gòu)和更高性能的分子基功能體系提供基礎(chǔ)技術(shù)支持和理論思路。利用我們?cè)诖呋肮怆姽δ?/p>

5、體系研制與利用高真空、低溫STM 研究表界面結(jié)構(gòu)與電子性質(zhì)方面的優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)開(kāi)展相關(guān)功能體系的設(shè)計(jì)、定向合成與組裝研究，研究表界面結(jié)構(gòu)、能級(jí)結(jié)構(gòu)及局域電子態(tài)密度對(duì)分子選擇性活化與能量轉(zhuǎn)化過(guò)程的影響規(guī)律；利用金屬及多金屬膠體簇、微納結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體及表面功能化碳材料，發(fā)展生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化和燃料電池催化劑；研制新型微納多級(jí)有序結(jié)構(gòu)光電極和有機(jī)光電功能材料，以此為基礎(chǔ)發(fā)展性能優(yōu)良的新型太陽(yáng)能電池等光電功能體系。在多孔催化與吸附分離體系的研究中，以我們?cè)趪?guó)際上率先建立的多孔材料合成反應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，將實(shí)驗(yàn)合成與理論模擬相結(jié)合，開(kāi)展功能導(dǎo)向的多孔材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與定向合成的理論研究；利用各種先進(jìn)的原位表征

6、技術(shù)（如SAXS、HRTEM、UV-Raman、NMR 等）揭示多孔功能材料晶化過(guò)程中選擇性構(gòu)筑及形成機(jī)制；建立功能-結(jié)構(gòu)-合成之間的關(guān)系與規(guī)律；在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)多孔功能體系的功能調(diào)控，設(shè)計(jì)構(gòu)筑一批具有優(yōu)異催化與吸附分離性質(zhì)的多孔功能材料。在創(chuàng)建光電功能配合物體系方面，基于分子工程學(xué)思想，針對(duì)功能的需求，利用量子計(jì)算化學(xué)和分子力學(xué)等方法設(shè)計(jì)合適的無(wú)機(jī)（金屬）和有機(jī)（配體）構(gòu)筑單元，探索基塊間識(shí)別與自組裝規(guī)律，構(gòu)筑具有特定光電功能的零維分子或團(tuán)簇、一維鏈、二維層、三維骨架以及類(lèi)四級(jí)結(jié)構(gòu)配合物。根據(jù)能量最小原則，充分利用基塊的結(jié)構(gòu)構(gòu)型、基塊之間的共價(jià)、配位、氫鍵以及弱的范德華作用，調(diào)制基塊間電子傳

7、遞、能量轉(zhuǎn)移和自旋轉(zhuǎn)換等作用，認(rèn)識(shí)調(diào)制體系物理化學(xué)光電功能的微觀機(jī)理，改進(jìn)和發(fā)展實(shí)現(xiàn)配合物功能體系分子設(shè)計(jì)的施工方法。在創(chuàng)建活性金屬有機(jī)化合物催化功能體系中，針對(duì)本方向的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，將應(yīng)用金屬有機(jī)化學(xué)中相關(guān)概念和原理，如軟硬酸堿性匹配原理、抓氫作用、金屬陽(yáng)離子- 體系弱相互作用、金屬d 軌道與 體系共軛離域穩(wěn)定化作用、次級(jí)配位環(huán)境調(diào)節(jié)等，設(shè)計(jì)合成具有特定金屬構(gòu)型、低氧化態(tài)以及擁有多活性位點(diǎn)的金屬有機(jī)化合物體系，如低氧化態(tài)卡賓-3d 金屬化合物、低配位碳二賓-鐵系金屬化合物、官能團(tuán)化的金屬雜環(huán)化合物、丁二烯基雙金屬化合物、硼雜苯-稀土化合物等，通過(guò)各種譜學(xué)手段了解其幾何及電子結(jié)構(gòu)，探索這些活性

8、金屬有機(jī)化合物對(duì)各類(lèi)化學(xué)鍵的反應(yīng)機(jī)制，調(diào)控金屬有機(jī)化合物的反應(yīng)活性及選擇性，發(fā)展從活性金屬有機(jī)化合物出發(fā)的有機(jī)功能分子及聚合物材料合成新方法。在共價(jià)鍵形成中選擇性控制、高選擇性形成共價(jià)鍵反應(yīng)的設(shè)計(jì)、功能分子構(gòu)建的研究中，通過(guò)研究過(guò)渡金屬催化下碳碳重鍵、碳雜重鍵、聯(lián)烯的選擇性斷裂、形成過(guò)程，研究過(guò)渡金屬催化下構(gòu)建碳碳鍵、碳氟鍵的選擇性，揭示催化體系中配體的配位原子，配體結(jié)構(gòu)、骨架的變化與催化體系中金屬中心的變化，以及底物活性的變化等因素對(duì)共價(jià)鍵構(gòu)建中選擇性的影響。利用現(xiàn)代分析手段，通過(guò)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)、反應(yīng)中間體以及反應(yīng)跟蹤等研究反應(yīng)過(guò)程，了解催化體系、底物活性等與選擇性關(guān)系，并由此設(shè)計(jì)、發(fā)展若干新型選

9、擇性構(gòu)建共價(jià)鍵的方法。創(chuàng)新點(diǎn)與特色： 本項(xiàng)目以功能為導(dǎo)向開(kāi)展定向設(shè)計(jì)與構(gòu)筑研究，在分子水平上基于不同結(jié)構(gòu)層次(共價(jià)鍵、分子結(jié)構(gòu)、表界面和電子結(jié)構(gòu)、金屬-有機(jī)配位結(jié)構(gòu)、多孔空間結(jié)構(gòu))揭示貫穿功能-結(jié)構(gòu)-合成三者之間的基本規(guī)律以及原理；將理論計(jì)算模擬引入化學(xué)理論建設(shè)和科學(xué)問(wèn)題研究中，為功能體系的創(chuàng)制提供理論基礎(chǔ)。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：（1）基于分子工程學(xué)的思想設(shè)計(jì)與調(diào)控表界面納米結(jié)構(gòu)，為研制催化與光電功能材料提供科學(xué)基礎(chǔ)；（2）根據(jù)多孔催化與吸附分離功能的化學(xué)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)孔道結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)定向設(shè)計(jì)合成的新路線；（3）基于能量和結(jié)構(gòu)規(guī)則，調(diào)制基塊間電子傳遞、能量轉(zhuǎn)移和自旋轉(zhuǎn)換，構(gòu)建光電磁配合物功能材料；（4）利

10、用配體與金屬中心電性對(duì)金屬有機(jī)化合物活性的調(diào)控，發(fā)展高活性催化功能材料；（5）通過(guò)配體的空間效應(yīng)和活性中心微環(huán)境的調(diào)節(jié)，控制共價(jià)鍵形成的化學(xué)選擇性。可行性分析： 本項(xiàng)目研究目標(biāo)明確，且有良好的工作積累，在一些功能體系的功能-結(jié)構(gòu)-合成關(guān)系的研究方面已獲得了一些重要的結(jié)果。掃描探針顯微技術(shù)（SPM）及其它單分子納米表征技術(shù)的發(fā)展為深入研究表界面自組裝規(guī)律、表界面結(jié)構(gòu)及電子結(jié)構(gòu)提供了有效手段；在國(guó)際上率先建立的多孔材料合成反應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)為多孔功能體系的定向設(shè)計(jì)與構(gòu)筑提供了重要基礎(chǔ)；長(zhǎng)期的研究表明，通過(guò)配體的配位原子、空間和電子效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬配合物性質(zhì)的調(diào)控。課題組在多年合作的基礎(chǔ)上，已

11、經(jīng)形成了一支在國(guó)際上有影響的研究團(tuán)隊(duì)，同時(shí)項(xiàng)目依托單位也具有良好的實(shí)驗(yàn)條件。相信我們能夠完成以上所提出的研究計(jì)劃，在功能體系的定向設(shè)計(jì)與構(gòu)筑研究中將取得突破性進(jìn)展。 課題設(shè)置 ：課題一：課題名稱(chēng)：分子基功能體系的組裝規(guī)律及應(yīng)用 承擔(dān)單位： 中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所 課題負(fù)責(zé)人： 王棟 學(xué)術(shù)骨干： 萬(wàn)立駿、白春禮、胡勁松、楊德亮 經(jīng)費(fèi)比例： 10.5% 研究目標(biāo)： 從分子層次揭示自組裝結(jié)構(gòu)的基本規(guī)律和原理，發(fā)展可控制造表面納米結(jié)構(gòu)的定向設(shè)計(jì)與構(gòu)筑理論與方法；深入理解功能體系中表界面結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系，從原理上提出提高功能體系性能的新思路，形成在國(guó)際上有特色的研究領(lǐng)域。研究?jī)?nèi)容： 表界面是眾多功能體

12、系的基本結(jié)構(gòu)單元。在表界面設(shè)計(jì)與構(gòu)筑具有特定圖案化結(jié)構(gòu)和功能的二維分子自組裝體不僅為研究催化、光電功能材料等研究提供基礎(chǔ)支持，而且為發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)制新的分子基功能體系提供可能。本課題以具有原子分辨的掃描探針顯微技術(shù)為主要研究手段，輔以各種表面譜學(xué)技術(shù)和理論模擬，研究并總結(jié)分子在二維自組裝過(guò)程中的普遍規(guī)律和基本原理，基于分子工程學(xué)的思想設(shè)計(jì)并調(diào)控表界面納米結(jié)構(gòu)。主要研究?jī)?nèi)容如下：1. 分子二維自組裝的基本原理。研究表面單分子的形態(tài)，分子-基底相互作用對(duì)表界面單分子的性質(zhì)的影響；分子組裝體中分子間非共價(jià)鍵的種類(lèi)、性質(zhì)、定性與定量描述，以及各種非共價(jià)鍵間的相互作用研究；溶劑、濃度、溫度、光、電等外場(chǎng)環(huán)境條

13、件對(duì)于組裝結(jié)構(gòu)的調(diào)控。2. 功能分子在表界面有序組裝結(jié)構(gòu)的調(diào)控。以發(fā)展表面有序結(jié)構(gòu)構(gòu)筑的新方法為目標(biāo)，重點(diǎn)研究分子模板法制備表面圖案化結(jié)構(gòu)；大尺度功能分子有序結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑；電，光，溶劑等外場(chǎng)調(diào)控的圖案化自組裝過(guò)程等。在此基礎(chǔ)上，研究具有特定聚集形態(tài)的圖案化分子聚集體的物理化學(xué)性質(zhì)。3. 功能分子體系的表界面基礎(chǔ)研究。發(fā)展從分子（納米）尺度上進(jìn)行電極/電解質(zhì)界面反應(yīng)原位觀測(cè)的表征技術(shù)；揭示影響儲(chǔ)能材料表界面穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，探索解決途徑，構(gòu)筑界面穩(wěn)定的納米結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能材料；理解納米材料體相與界面的離子、電子存儲(chǔ)與輸運(yùn)行為，設(shè)計(jì)并組裝出高效、穩(wěn)定的納微復(fù)合結(jié)構(gòu)電極材料。課題二 ：課題名稱(chēng)：催化與光電功能

14、體系表界面分子工程 承擔(dān)單位： 北京大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 王遠(yuǎn) 學(xué)術(shù)骨干： 吳凱、徐東升、劉海超、朱月香 經(jīng)費(fèi)比例： 16% 研究目標(biāo)： 建立催化與光電功能體系表面結(jié)構(gòu)與電子性質(zhì)化學(xué)調(diào)控新方法，在分子水平上揭示催化及光電功能體系中表界面結(jié)構(gòu)和能級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)分子選擇性活化與能量轉(zhuǎn)化過(guò)程的影響規(guī)律。研制出性能優(yōu)良的新型太陽(yáng)能電池及光電傳感功能材料，對(duì)生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化等化學(xué)反應(yīng)具有優(yōu)良催化性能的新型催化劑和新型、高效燃料電池催化電極。研究?jī)?nèi)容： 開(kāi)展催化與光電功能體系表界面分子工程研究，針對(duì)國(guó)家在可持續(xù)能源、資源開(kāi)發(fā)與高效利用、環(huán)境保護(hù)、先進(jìn)信息技術(shù)與材料等方面的戰(zhàn)略需求，系統(tǒng)研究催化及光電功能體系中表界面

15、結(jié)構(gòu)、能級(jí)結(jié)構(gòu)的化學(xué)調(diào)控及構(gòu)效規(guī)律，利用高真空、低溫STM，時(shí)間分辨光譜等方法在分子水平上研究表界面結(jié)構(gòu)與電子性質(zhì)對(duì)分子選擇性催化轉(zhuǎn)化與能量轉(zhuǎn)化過(guò)程的影響規(guī)律。發(fā)展生物質(zhì)選擇性催化轉(zhuǎn)化和燃料電池催化劑；研制基于微納多級(jí)有序結(jié)構(gòu)光電極和有機(jī)光電材料的新型太陽(yáng)能電池和光電傳感等功能材料。主要研究?jī)?nèi)容如下：1. 設(shè)計(jì)、制備微納多級(jí)有序結(jié)構(gòu)光電極和新型有機(jī)半導(dǎo)體等光電材料，以此為基礎(chǔ)研制性能優(yōu)良的太陽(yáng)能電池及光電傳感等功能材料。2. 研制基于金屬及多金屬納米簇、微納結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體及表面功能化碳材料的高活性和高選擇性生物質(zhì)催化轉(zhuǎn)化催化劑以及在精細(xì)化工及環(huán)境保護(hù)方面有重要意義的催化劑。3. 研制對(duì)C1 至C3

16、 醇氧化具有高活性的燃料電池催化陽(yáng)極，研制對(duì)氧還原反應(yīng)具有高選擇性和高活性的燃料電池催化陰極，探索解決直接醇燃料電池中醇透膜導(dǎo)致電池性能下降問(wèn)題的新途徑。4. 利用高真空、低溫STM，時(shí)間分辨光譜等方法在分子水平上研究表面結(jié)構(gòu)與電子性質(zhì)對(duì)分子選擇性活化、催化轉(zhuǎn)化與能量轉(zhuǎn)化過(guò)程的影響規(guī)律。課題三 ：課題名稱(chēng)： 多孔功能體系的定向構(gòu)筑與理論研究 承擔(dān)單位： 吉林大學(xué)、上海交通大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 于吉紅 學(xué)術(shù)骨干： 徐如人、裘式綸、陳接勝、李激揚(yáng)經(jīng)費(fèi)比例： 22% 研究目標(biāo)： 揭示多孔結(jié)構(gòu)選擇性構(gòu)筑及合成反應(yīng)規(guī)律，建立計(jì)算機(jī)輔助下多孔材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論方法，開(kāi)發(fā)以數(shù)據(jù)挖掘和理論模擬為指導(dǎo)的定向合成途

17、徑，實(shí)現(xiàn)多孔功能體系的功能調(diào)控，設(shè)計(jì)構(gòu)筑一批具有高效催化與吸附分離功能的新型多孔材料。研究?jī)?nèi)容： 以多孔功能體系為研究對(duì)象，揭示多孔材料催化與吸附分離功能的化學(xué)基礎(chǔ)。在計(jì)算機(jī)輔助下，開(kāi)展功能導(dǎo)向無(wú)機(jī)多孔材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與定向合成理論方法的研究，為指導(dǎo)具有高效催化與吸附和分離性能的新型多孔功能體系的定向設(shè)計(jì)與合成提供理論基礎(chǔ)。主要研究?jī)?nèi)容如下：1. 多孔功能材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論方法。在以往我們開(kāi)展的分子篩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合多種計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，開(kāi)發(fā)高效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論方法。根據(jù)實(shí)際功能的需求，設(shè)計(jì)具有特定孔道形狀、孔道尺寸、構(gòu)筑基元的多孔骨架結(jié)構(gòu)，建立相關(guān)的評(píng)價(jià)方法，對(duì)所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性及可行

18、性進(jìn)行評(píng)估。2. 多孔功能材料合成反應(yīng)機(jī)理的研究。運(yùn)用多種先進(jìn)的結(jié)構(gòu)表征技術(shù)（如SAXS，HRTEM，NMR，UV-Raman 等）并結(jié)合理論模擬，研究水熱或溶劑熱體系中多孔材料成核與晶體生長(zhǎng)過(guò)程中各種無(wú)機(jī)物種和有機(jī)物種間的反應(yīng)、聚合和組裝過(guò)程，深入理解多孔材料的選擇性構(gòu)筑及反應(yīng)機(jī)制。3. 多孔功能材料定向合成的理論方法。開(kāi)發(fā)多孔功能材料定向合成的理論方法，包括：1）利用數(shù)據(jù)挖掘方法，在已建立的多孔材料合成與結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，分析和挖掘合成條件與產(chǎn)物結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系及規(guī)律，從理論上預(yù)測(cè)構(gòu)筑特定結(jié)構(gòu)的相關(guān)反應(yīng)條件；2）利用理論模擬方法，依據(jù)主-客體相互作用，預(yù)測(cè)適宜導(dǎo)向特定多孔結(jié)構(gòu)生成的有機(jī)模板

19、劑，開(kāi)發(fā)以理論模擬為指導(dǎo)的定向合成途徑。4. 多孔功能體系的功能調(diào)控。在深入研究多孔材料功能結(jié)構(gòu)合成三者關(guān)系與規(guī)律的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)功能的調(diào)控。設(shè)計(jì)合成具有特定孔道和功能基元（酸中心、活性金屬中心及其他功能基元）的高效催化與吸附分離多孔材料。課題四：課題名稱(chēng) ： 配合物體系的光電功能及其分子設(shè)計(jì)研究 承擔(dān)單位： 南京大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 杜紅賓 學(xué)術(shù)骨干： 游效曾、左景林、白俊峰、沈珍經(jīng)費(fèi)比例： 15%研究目標(biāo)： 掌握基于分子基塊間電子傳遞、能量轉(zhuǎn)移和自旋轉(zhuǎn)換等作用規(guī)律和調(diào)制體系物理化學(xué)功能的微觀機(jī)理，改進(jìn)和發(fā)展實(shí)現(xiàn)分子設(shè)計(jì)和晶體工程施工的方法，建立金屬-有機(jī)配位體系的定向設(shè)計(jì)與構(gòu)筑的理論，并利用該

20、理論創(chuàng)建一些在高技術(shù)中具有開(kāi)發(fā)前景的新型光電磁材料和新能源材料。研究?jī)?nèi)容： 以在材料、能源、信息和環(huán)保等領(lǐng)域有重大應(yīng)用的特定化學(xué)和物理功能為導(dǎo)向，通過(guò)配位化學(xué)、凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)等學(xué)科的相互交叉和滲透，充分發(fā)揮及應(yīng)用物理的譜學(xué)實(shí)驗(yàn)方法及量子化學(xué)理論，特別是從物理和化學(xué)原理涉及的微觀結(jié)構(gòu)和成鍵規(guī)則，進(jìn)行超分子化學(xué)體系的理論設(shè)計(jì)和功能的闡明，建立光電功能配合物體系的定向設(shè)計(jì)與構(gòu)筑的相關(guān)理論。主要研究?jī)?nèi)容如下：1、光電轉(zhuǎn)化功能配合物體系。通過(guò)調(diào)變有機(jī)配體和金屬離子的電子結(jié)構(gòu)和配位構(gòu)型，構(gòu)建預(yù)期結(jié)構(gòu)和功能的新化合物，研究其基態(tài)、激發(fā)態(tài)的氧化還原性及其光誘導(dǎo)下的電子轉(zhuǎn)移和能量傳遞過(guò)程的機(jī)制和影響因素，

21、探索定向合成新型電荷轉(zhuǎn)移配合物、光電轉(zhuǎn)換和超電容能量存儲(chǔ)材料。2、單分子和自旋轉(zhuǎn)換磁性配合物體系。在合成及實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，深入闡明單分子磁性與結(jié)構(gòu)相互關(guān)系；利用磁性分子工程（量子隧穿效應(yīng)，伊辛模型和磁軌道正交和組態(tài)相互作用），調(diào)變金屬離子和配體間交換和自旋取向，以及通過(guò)對(duì)磁性分子在空間中排布方式的調(diào)控，探索低維配合物型分子磁體的形成過(guò)程和磁性的規(guī)律，開(kāi)發(fā)新的單鏈磁體、單分子磁體、高-低自旋轉(zhuǎn)換體系、具有納米結(jié)構(gòu)的分子磁體等。3、多功能配合物體系?；谀芰亢徒Y(jié)構(gòu)規(guī)則，將不同物理與化學(xué)功能的金屬離子（含有d和f 電子組態(tài)）和多樣的有機(jī)配體（包括其大小、形狀、識(shí)別等空間和立體構(gòu)型），通過(guò)配位鍵和非共價(jià)鍵

22、聯(lián)結(jié)的作用，有序定向地組裝成特殊的柔性或剛性多維體系以及類(lèi)四級(jí)結(jié)構(gòu)，探索分子間的有序多維堆積方式和規(guī)律，以及探討潛在物理性質(zhì)間的內(nèi)在聯(lián)系和協(xié)同效應(yīng)，開(kāi)展多功能配合物的定向設(shè)計(jì)與構(gòu)筑研究，開(kāi)發(fā)新型光電、熱電以及多孔光電等復(fù)合功能材料，如磁性半導(dǎo)體/導(dǎo)體、多孔磁體、能進(jìn)行包合分離和存儲(chǔ)能源(CH4,H2)與環(huán)境氣體(CO2)以及傳感功能的光電功能配合物等。課題五：課題名稱(chēng) ： 金屬有機(jī)化合物的定向合成與功能調(diào)控承擔(dān)單位： 中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所、北京大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 鄧亮 學(xué)術(shù)骨干： 劉元紅、陳耀峰、余世超、席振峰經(jīng)費(fèi)比例： 14.5% 研究目標(biāo)： 探索活性金屬有機(jī)化合物合成新方法，認(rèn)識(shí)活

23、性金屬有機(jī)化合物與各類(lèi)化學(xué)鍵的作用模式，總結(jié)金屬氧化態(tài)、金屬有機(jī)化合物構(gòu)型、及邊臂協(xié)助作用對(duì)金屬有機(jī)化合物反應(yīng)性能的調(diào)控規(guī)律，開(kāi)發(fā)從活性金屬有機(jī)化合物出發(fā)的有機(jī)功能分子及聚合物合成新方法，為創(chuàng)建以金屬有機(jī)化合物為功能基元的物質(zhì)轉(zhuǎn)化功能體系提供知識(shí)和技術(shù)基礎(chǔ)，提高我國(guó)在金屬有機(jī)化合物研究方向的國(guó)際地位，為我國(guó)建設(shè)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會(huì)提供人才和科學(xué)技術(shù)儲(chǔ)備。研究?jī)?nèi)容： 為探索金屬中心氧化態(tài)、金屬有機(jī)化合物構(gòu)型、配體邊臂參與對(duì)金屬有機(jī)化合物反應(yīng)功能的影響等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，我們將依據(jù)分子工程學(xué)研究思路設(shè)計(jì)和合成活性金屬有機(jī)化合物，通過(guò)對(duì)金屬中心及配體的調(diào)節(jié)對(duì)金屬有機(jī)化合物的反應(yīng)性能的進(jìn)行控制，發(fā)展

24、從活性金屬有機(jī)化合物出發(fā)的有機(jī)功能分子及聚合物材料合成新方法。主要研究?jī)?nèi)容如下：1. 低氧化態(tài)金屬有機(jī)化合物的合成和反應(yīng)化學(xué)。以二價(jià)鈦系金屬、一價(jià)及零價(jià)鐵系金屬作為重點(diǎn)研究對(duì)象，設(shè)計(jì)在還原性環(huán)境中穩(wěn)定的配體，選擇易與低價(jià)金屬中心鍵合的配體組合，通過(guò)化學(xué)或電化學(xué)還原方式由相對(duì)高價(jià)的金屬有機(jī)化合物合成低氧化態(tài)金屬有機(jī)化合物，研究活性的低氧化態(tài)金屬有機(jī)化合物與有機(jī)分子中的極性及非極性共價(jià)鍵的作用模式，以此為基礎(chǔ)發(fā)展有機(jī)官能團(tuán)轉(zhuǎn)化及有機(jī)功能分子合成新方法。2. 具特定金屬中心構(gòu)型的金屬有機(jī)化合物的合成和反應(yīng)模式研究。設(shè)計(jì)并合成具特定電子及立體效應(yīng)的輔助配體，如強(qiáng)給電子性的碳二賓配體、具特大空阻的含硫P

25、incer 配體、軟硬配位原子結(jié)合的二齒及三齒配體，利用配體的立體效應(yīng)調(diào)節(jié)金屬中心構(gòu)型，重點(diǎn)考察金屬雜環(huán)化合物、低配位3d 過(guò)渡金屬卡賓化合物、金屬-碳二賓化合物等與官能團(tuán)化的不飽和烴、金屬有機(jī)試劑、氧化劑和還原劑的反應(yīng)，探索金屬有機(jī)化合物的構(gòu)型對(duì)其化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)影響的規(guī)律，開(kāi)發(fā)新型、高效的具促進(jìn)分子轉(zhuǎn)化功能的金屬有機(jī)化合物催化劑。3. 具多活性位點(diǎn)的金屬有機(jī)化合物定向合成及其協(xié)同作用機(jī)制。對(duì)含金屬-金屬和金屬-配體等多活性位點(diǎn)金屬有機(jī)化合物，如以丁二烯為骨架的雙金屬化合物、硼雜苯-稀土金屬化合物、含導(dǎo)向官能團(tuán)的茂金屬化合物等，進(jìn)行合成及反應(yīng)化學(xué)的研究，建設(shè)活性金屬中心與活性金屬中心復(fù)合、活性金

26、屬中心與路易斯酸位點(diǎn)復(fù)合及活性金屬碳鍵與導(dǎo)向官能團(tuán)復(fù)合等二元功能基元，了解復(fù)合基元對(duì)底物分子的協(xié)同作用機(jī)制，發(fā)展有機(jī)分子轉(zhuǎn)化及聚合物合成新方法。課題六：課題名稱(chēng) ： 共價(jià)鍵選擇性構(gòu)建及相關(guān)規(guī)律研究承擔(dān)單位： 中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所、浙江大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 侯雪龍 學(xué)術(shù)骨干： 陸熙炎、麻生明、劉國(guó)生、傅春玲經(jīng)費(fèi)比例： 22% 研究目標(biāo)： 發(fā)展系列新型高效、高選擇性構(gòu)建共價(jià)鍵方法，發(fā)現(xiàn)共價(jià)鍵構(gòu)建中選擇性控制的共性問(wèn)題，提出和完善共價(jià)鍵構(gòu)建選擇性控制的新概念。豐富、完善對(duì)共價(jià)鍵構(gòu)建選擇性控制的手段，在選擇性構(gòu)建共價(jià)鍵方面發(fā)展新方法學(xué)，在共價(jià)鍵構(gòu)建選擇性的理論以及新型共價(jià)鍵構(gòu)建反應(yīng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方面取

27、得標(biāo)志性的成果。研究?jī)?nèi)容： 圍繞高選擇性構(gòu)建共價(jià)鍵這一合成科學(xué)中的核心問(wèn)題之一，對(duì)影響選擇性的因素及其規(guī)律，催化劑與底物作用方式、催化效率這些共價(jià)鍵形成過(guò)程中的一些基本科學(xué)問(wèn)題展開(kāi)研究，并基于這些基本問(wèn)題研究和理解基礎(chǔ)上，理性設(shè)計(jì)高選擇性斷裂、形成共價(jià)鍵的新方法，在更深層次上探索共價(jià)鍵形成過(guò)程中的科學(xué)問(wèn)題，從而逐漸形成我國(guó)在共價(jià)鍵構(gòu)建中選擇性控制、高選擇性形成共價(jià)鍵的設(shè)計(jì)、功能分子構(gòu)建的催化體系和理論。主要研究研究如下：1. 研究催化體系在聯(lián)烯、碳碳重鍵、碳雜重鍵反應(yīng)中催化劑配體的骨架，配位原子變化以及中心金屬變化，底物活性變化等因素對(duì)反應(yīng)選擇性的影響，研究次級(jí)效應(yīng)（氫鍵、弱配位）、溶劑、添加

28、劑等因素對(duì)共價(jià)鍵構(gòu)建選擇性的影響，研究聯(lián)烯、碳碳重鍵、碳雜重鍵的高效、高選擇性官能化，研究碳氟鍵等特殊共價(jià)鍵的高選擇性構(gòu)建，運(yùn)用現(xiàn)代物理、化學(xué)手段，深入認(rèn)識(shí)各種影響選擇性因素的作用方式和作用途徑，認(rèn)識(shí)催化劑與底物相互作用的過(guò)程，發(fā)現(xiàn)其中共性因素和規(guī)律，提高共價(jià)鍵構(gòu)建的效率和選擇性。由此發(fā)展一些具有高催化活性、高選擇性控制構(gòu)建共價(jià)鍵的催化體系。2以發(fā)展高選擇性形成共價(jià)鍵反應(yīng)為目標(biāo)，結(jié)合我們以往在反應(yīng)選擇性研究的理解以及我們對(duì)聯(lián)烯、碳碳重鍵、碳雜重鍵反應(yīng)的認(rèn)識(shí)，理性設(shè)計(jì)高選擇性形成共價(jià)鍵反應(yīng)。在此過(guò)程中，我們將著重研究反應(yīng)的過(guò)程，以檢驗(yàn)我們對(duì)共價(jià)鍵構(gòu)建選擇性控制因素的理解，并調(diào)節(jié)催化體系和底物活性

29、，以實(shí)現(xiàn)理性設(shè)計(jì)高選擇性形成共價(jià)鍵反應(yīng)，并完善我們對(duì)反應(yīng)選擇性的理解，完善選擇性控制理論。各課題間相互關(guān)系： 圍繞項(xiàng)目所要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題、主要研究?jī)?nèi)容和預(yù)期目標(biāo)，本項(xiàng)目設(shè)置了以下六個(gè)課題：課題一：分子基功能體系的組裝規(guī)律及應(yīng)用課題二：催化與光電功能體系表界面分子工程課題三：多孔功能體系的定向構(gòu)筑與理論研究課題四：配合物體系的光電功能及其分子設(shè)計(jì)研究課題五：金屬有機(jī)化合物的定向合成與功能調(diào)控課題六：共價(jià)鍵選擇性構(gòu)建及相關(guān)規(guī)律研究課題間相互關(guān)聯(lián)，其中課題一、二主要研究分子自組裝、表界面及能級(jí)結(jié)構(gòu)的調(diào)控規(guī)律；課題三、四主要研究多孔空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)構(gòu)筑與合成規(guī)律；課題四、五主要研究金屬價(jià)態(tài)、基元構(gòu)型

30、、邊臂協(xié)助的作用機(jī)制；課題二、三、五、六主要研究化學(xué)鍵的可控?cái)嗔雅c形成。課題總體設(shè)置思路如下：四、年度計(jì)劃研究?jī)?nèi)容預(yù)期目標(biāo)第一年以若干功能體系為研究對(duì)象，開(kāi)展設(shè)計(jì)合成：在分子基功能體系中設(shè)計(jì)、合成具有不同分子結(jié)構(gòu)、對(duì)稱(chēng)性及官能團(tuán)的系列有機(jī)分子，研究它們?cè)诓煌妆砻娴慕M裝過(guò)程和結(jié)構(gòu)；在表界面功能體系中開(kāi)展氧化鈦納米粒子及其微納分級(jí)結(jié)構(gòu)的合成及性能研究，研制金屬及合金納米簇基復(fù)合納米催化劑，制備雙金屬模型體系，并檢測(cè)活性原子或原子簇周?chē)碾娮有再|(zhì)；在多孔功能體系中設(shè)計(jì)具有特殊功能的多孔骨架結(jié)構(gòu)，合成具有新穎結(jié)構(gòu)和新穎骨架組成的多孔材料，研究合成中影響其成核與晶體生長(zhǎng)的各種因素；在配合物功能體系中

31、重點(diǎn)設(shè)計(jì)和組裝光敏大環(huán)和雜環(huán)共軛配體，順磁性和超順磁性金屬多氰基，多齒共軛有機(jī)分子和金屬氧（硫）化物基塊，構(gòu)筑多維結(jié)構(gòu)金屬-有機(jī)骨架功能體系；在金屬有機(jī)功能體系，設(shè)計(jì)合成新型單、雙和多齒配體，探索其與各類(lèi)金屬中心前體的配位化學(xué)反應(yīng)，合成低氧化態(tài)、配位不飽和以及配體具潛在反應(yīng)功能的金屬有機(jī)化合物；在分子反應(yīng)功能體系中設(shè)計(jì)合成具有不同結(jié)構(gòu)骨架，不同配位原子以及不同立體效應(yīng)和不同電子效應(yīng)的新型配體，與各種金屬生成金屬絡(luò)合物，研究共價(jià)鍵斷裂和形成過(guò)程中的選擇性。開(kāi)發(fā)以功能為導(dǎo)向多孔骨架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法；制備一些特殊功能和結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)材料，包括具有特定形貌及復(fù)合晶相結(jié)構(gòu)的氧化鈦納米結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)與性能可控的表面

32、量子結(jié)構(gòu)，具有新穎結(jié)構(gòu)和組成的多孔功能化合物，具有良好光電子傳化效率的超分子體系，含第二、三系列過(guò)渡金屬離子的系列單分子磁體等；掌握單組分和多組分分子在表界面的組裝規(guī)律和基本原理，認(rèn)識(shí)多面體基塊通過(guò)分子識(shí)別和組裝及自組裝規(guī)律，了解制備活性金屬有機(jī)化合物對(duì)配體的立體特性、軟硬度要求的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，認(rèn)識(shí)催化劑中配體結(jié)構(gòu)、立體因素和電子因素，以及不同金屬，金屬的不同配位模式對(duì)共價(jià)鍵斷裂和形成反應(yīng)的影響。第二年在上一年工作的基礎(chǔ)上，深入研究不同功能材料的結(jié)構(gòu)與性能，包括研究表面的分子自組裝結(jié)構(gòu)在外界刺激下的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)變化，研究溶劑極性和pH等環(huán)境因素對(duì)自組裝結(jié)構(gòu)的調(diào)控，研究氧化鈦表面結(jié)構(gòu)和能級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)光催化

33、性能的影響規(guī)律，研究多孔材料的催化、吸附與分離性能，研究金屬有機(jī)化合物的幾何和電子結(jié)構(gòu)，研究納米復(fù)合催化劑在纖維素轉(zhuǎn)化為多元醇過(guò)程中的催化作用機(jī)制，及結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系等，研究結(jié)構(gòu)、立體效應(yīng)和電子效應(yīng)變化對(duì)共價(jià)鍵選擇性的影響，在此基礎(chǔ)上，發(fā)展新的方法和途徑，繼續(xù)開(kāi)展不同功能體系的設(shè)計(jì)合成研究。合成一批具有潛在優(yōu)良性能的功能材料，包括具有優(yōu)異催化、吸附與分離（如儲(chǔ)能、俘碳）性能的多孔材料，具有良好電子傳遞和能量轉(zhuǎn)移性質(zhì)的金屬配合物，基于微納多級(jí)有序結(jié)構(gòu)光電極的太陽(yáng)能電池、單層有機(jī)光受體，多孔配位聚合物及其納米晶材料等；理解和認(rèn)識(shí)功能體定向設(shè)計(jì)與構(gòu)筑的一些基本規(guī)律和原理，包括理解各種環(huán)境和外場(chǎng)條

34、件對(duì)分子納米結(jié)構(gòu)調(diào)控的方法和規(guī)律，發(fā)現(xiàn)低維配合物型分子磁體的形成過(guò)程和磁性的規(guī)律，從分子水平上認(rèn)知金屬有機(jī)化合物中金屬中心與配體之間的立體和電子相互作用，了解多孔化合物成核和晶體生成過(guò)程，研究共價(jià)鍵斷裂和形成中影響選擇性和效率的共性問(wèn)題等。第三年繼續(xù)開(kāi)展不同功能體系的設(shè)計(jì)合成，并進(jìn)行功能調(diào)控，包括通過(guò)分子間弱相互作用誘導(dǎo)其它功能有機(jī)分子在模板表面形成可調(diào)控的功能納米結(jié)構(gòu),通過(guò)化學(xué)修飾等方法在功能分子上引入組裝基團(tuán)，調(diào)控功能分子的組裝行為和組裝結(jié)構(gòu),混合價(jià)金屬配合物基塊的合成及空間自旋電子排布調(diào)控，具有特定電子與幾何結(jié)構(gòu)的金屬和有機(jī)基塊的設(shè)計(jì)、有序組裝與性能調(diào)控等。研究配合物基態(tài)和激發(fā)態(tài)的氧化還

35、原性及其光誘導(dǎo)下的電子轉(zhuǎn)移和能量傳遞過(guò)程，探索活性金屬有機(jī)化合物對(duì)各類(lèi)化學(xué)鍵以及化學(xué)小分子的計(jì)量反應(yīng)模式，闡述金屬有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)與反應(yīng)活性及選擇性之間的關(guān)系，研究多孔材料成核和晶體生成過(guò)程中各種無(wú)機(jī)物種和有機(jī)物種間的反應(yīng)、聚合和組裝過(guò)程，研究重鍵化合物在催化劑各種因素變化下反應(yīng)中涉及的中間體和過(guò)渡態(tài)，深入理解結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。發(fā)展分子模板法、共吸附、主客體組裝等具有普適意義的自組裝新方法，組裝具有特定結(jié)構(gòu)的高低自旋間的自旋交叉體系，組裝具有光電、熱電以及多孔磁體等復(fù)合功能配合物材料，以分子組裝規(guī)律和原理為指導(dǎo)，設(shè)計(jì)具有特定結(jié)構(gòu)的功能分子，實(shí)現(xiàn)功能組裝納米結(jié)構(gòu)的定向構(gòu)筑，開(kāi)發(fā)幾種具有催化和吸附

36、分離功能的多孔功能材料，研制出性能優(yōu)異的基于氧化鈦微納分級(jí)結(jié)構(gòu)的染料敏化太陽(yáng)能電池材料，發(fā)現(xiàn)若干金屬有機(jī)化合物與小分子及化學(xué)鍵作用新模式，發(fā)展高效、高選擇性共價(jià)鍵催化劑和催化體系。第四年研究有序功能納米結(jié)構(gòu)中分子聚集體的性質(zhì)和功能，以及與結(jié)構(gòu)變化相關(guān)聯(lián)的物理化學(xué)性質(zhì)變化，構(gòu)造不同的表面結(jié)構(gòu)；研究Fe、Co、Ni、Mn等金屬原子在表面形成一維和二維勢(shì)阱的電子性質(zhì)和分子吸附、活化和反應(yīng)特性；研究孔結(jié)構(gòu)、表面結(jié)構(gòu)和能級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)光電轉(zhuǎn)換性能的影響；研制金屬及合金納米簇基復(fù)合納米催化劑，研究電子傳遞和能量轉(zhuǎn)移的機(jī)理及對(duì)材料光電性質(zhì)的影響；利用配體場(chǎng)理論和物理伊辛模型，調(diào)變金屬離子和配體間交換和自旋取向；設(shè)

37、計(jì)合成具有特定孔道和功能基元的高效催化與吸附分離多孔材料；深入理解合成-結(jié)構(gòu)-功能的關(guān)系，發(fā)展從活性金屬有機(jī)化合物出發(fā)的小分子轉(zhuǎn)化、有機(jī)功能分子及聚合物材料合成新方法；構(gòu)建能夠從分子（納米）尺度上進(jìn)行儲(chǔ)能器件和光電功能體系界面結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)過(guò)程原位觀測(cè)的表征技術(shù)平臺(tái)，探討利用各種影響因素，設(shè)計(jì)新型共價(jià)鍵構(gòu)建反應(yīng)。探索總結(jié)分子在自組裝結(jié)構(gòu)中的聚集形態(tài)與性質(zhì)之間的關(guān)系；探索不同結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的電子性質(zhì)的變化對(duì)表面分子反應(yīng)的調(diào)節(jié)作用；探索新的規(guī)律和現(xiàn)象，發(fā)展新型光電轉(zhuǎn)換功能材料；發(fā)現(xiàn)分子基磁體的可控合成規(guī)律，制備具有優(yōu)良性質(zhì)的單分子和單鏈磁體；開(kāi)發(fā)幾種從活性金屬有機(jī)化合物出發(fā)的功能分子及聚合物合成新方法；實(shí)現(xiàn)共價(jià)鍵選擇性構(gòu)建反應(yīng)的設(shè)計(jì)。第五年對(duì)前期研究成果進(jìn)行歸納總結(jié)，進(jìn)一步拓展自組裝構(gòu)筑分子基功能體系的方法，發(fā)展大尺度、多層次、三維復(fù)雜功能分子有序結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和構(gòu)筑；繼續(xù)開(kāi)展新型納米簇基復(fù)合催化劑研究；總結(jié)金屬氧化態(tài)、金屬中心構(gòu)型以及協(xié)同作用對(duì)金屬有機(jī)化合物反應(yīng)功能調(diào)節(jié)的規(guī)律；系統(tǒng)認(rèn)識(shí)共價(jià)鍵構(gòu)筑中選擇性影響因素以及規(guī)律；開(kāi)發(fā)多孔材料定向合成的理論方法，制備和合成