化学系刘凯-个人答辩陈述在线视频

各位老师各位同学大家下午好

欢迎大家来参加

我们的刘凯同学的

博士论文答辩

首先我代表分学位委员会

宣布一下今天答辩委员会的成员

我们有请到了来自北京大学的

宛新华教授

科学院理化技术研究所的

吴骊珠研究员

中国科学院化学研究所的

胡文平研究员

来自于人民大学的王亚培教授

还有我们清华自己的

张希老师

王治强老师

还有我自己本人王梅祥

由我来负责主持

今天下午的答辩报告

宣布几条纪律

第一条答辩委员会成员

在此次答辩过程当中

不得进行与本次答辩无关的活动

不得随意的出入答辩会场

第二在答辩的过程当中

在场人员

希望大家保持安静

并且把自己的手机关闭

或者放在静音状态

谢谢大家

现在我们的刘凯同学的

博士论文答辩现在开始

有请刘凯先做报告

时间大概在

30分钟到45分钟之间

好 谢谢老师

那大家下午好

那首先感谢各位老师和同学

来参加我的博士学位答辩

那我的博士论文题目是

新颖拓扑结构的

超两亲分子的构筑与功能

我是今天的报告人刘凯

我的导师是张希教授

那么两亲分子作为

功能纳米材料的构筑基元

已经得到了广泛的应用

两亲分子是指同时具有

亲水部分和疏水部分的分子

那么它们两部分之间

一般通过共价键相连

那么到现在人们通过共价合成

已经可以得到很多

不同拓扑结构的两亲分子

那么不同的拓扑学结构

也会给它们带来不同的功能

比如说双头双亲的两亲分子

它一般具有比较高的热稳定性

而双头双尾的两亲分子

一般具有比较低的

临界聚集浓度

但现在关键问题在于

尽管人们可以利用想象

得到各种不同的结构

但是由于共价合成的限制

仍然有很多特殊的拓扑学结构

很难通过共价合成的方法得到

那与基于共价键的

传统两亲分子相对应

超两亲分子

是指基于分子间

弱的非共价相互作用构建的

两亲分子

那么这种非共价合成的思路

在一定程度上避免了

复杂的有机合成

因此超两亲分子

是对传统胶体化学的

重要的发展和补充

那么我们的思路是

是否可以利用这种

非共价合成的思路

通过对超两亲分子

构筑基元的一个合理的

一个设计

去制备一些

具有特殊拓扑结构的

超两亲分子

进而实现一些特殊的功能呢

那么具体来说

我们希望能够构筑一些

特殊拓扑结构的超两亲分子

那它们能够作为一些纳米结构的

理性设计的

这样一个基元

那么另外一方面

我们希望能够利用

超两亲分子的特殊的拓扑学结构

来实现具有响应性的

功能纳米材料的设计和调控

那首先我向大家汇报

第一部分内容

那么为了更精确的调控

组装体的结构

我们需要对它的

组装的推动力有一个比较深入的认识

那我们知道电荷转移相互作用

是指缺电子的电荷受体

和负电子的电荷给体

之间的这种弱的相互作用

那么其中一类

比较有趣的电荷转移作用

是萘二酰亚胺和萘之间的

这种电荷转移作用

那么它由于缺电子中心

和负电子中心

要最大程度重合

因此它们在它们的组装体里面

总是采取这样一种中心重合

长轴平行的

这样一个排布方式

那么在我们以前的工作中

我们也发现

将这种定向点的转移作用引入到

柔性高分子链中

可以用来制备连续定向的

高分子柔性折叠体

那这就给我们启示

这让我们想到了组装过程中

经常遇到的

维度控制的这一个问题

那么我们能否将这种

定向电荷转移作用

引入到超两亲分子的设计中

从而实现对于

纳米组装体

维度的这样一个较为精确的

一个控制呢

那么我们设计了这样两种

特殊拓扑结构的

超两亲分子

那么它含有两种构筑基元

那么一种构筑基元是

这样一种Bola型的两亲分子

它含有萘二酰亚胺

作为疏水的内核

两边还有两对亲水的

吡啶盐头基

另外一种构筑基元

是含有萘的

这样一个Bola型的两亲分子

那么但是不同的是

两个烷基链

在萘环上的取代位置

分别在1 5位取代

和2 6位取代

那么我们分别简称为BNAPH

BNDI以及IBNAPH

那我们设想如果将BNDI

与1 5位取代的这种

BNAPH在水溶液中发生混合的时候呢

由于定向电荷转移作用

以及两条烷基链的1 5位的

取代位置

它们有可能在溶液中

组装成这种X形状的超两亲分子

那么它们进一步会在溶液中

发生自组装

发生一维方向的连续交叠

那由于两条烷基链的角度比较大

但它可能会抑制

组装体在其他方向上的生长

从而得到这种一维的纳米结构

那么类似的将BNDI

与2 6位取代的IBNAPH

在水溶液中发生混合

有可能会得到这种

H型的超两亲分子

那么两条烷基链的角度比较小

那有可能会利于

组装体向二维方向的生长

得到这种二维的纳米结构

下面是超两亲分子构筑基元的合成

那么首先是这两种

含有萘集团的

Bola型两亲分子的合成

那我们以萘二酚为起始原料

让它与1,10-二溴癸烷发生反应

得到末端含有溴的

这样一个分子

最后在吡啶中加热成盐

就可以很简便的得到

这两种构筑基元

那么另外一种构筑基元BNDI的合成

也很简便

我们以这个萘二酸酐为起始原料

让它与10-氨基-1-癸醇发生反应

得到两个酰亚胺键

这样得到这样一个末端含羟基的分子

那么三溴化磷溴化 吡啶成盐

就可以简便的得到BNDI

这种分子

那么由于这些构筑基元

本身也是一种两亲分子

我们首先对它们的

组装 自组装的行为进行了研究

首先看BNDI

我们利用电导法测定了

它的临界胶束浓度

CMC为0.3个mM

那在高于CMC的时候

它在水溶液中

能够自组装成为

这种长纤维状的

这样的结构

类似的BNAPH的

CMC为0.9个mM

那么在CMC以上

它能够自组装成为这种

胶束状的结构

那么有趣的是

当我将两种构筑基元

在水溶液发生混合以后

在电导曲线上

出现了一个新的拐点

那这个拐点对应的浓度

为1.1个mM

因此电导曲线上

新的拐点就表明了

超两亲分子的形成

这里需要注意的是

超两亲分子的CMC

要比它的构筑基元还要高

那么其原因有可能是

因为电荷转移相互作用的形成

减小了暴露在水中的

疏水内核的面积

从而增大了亲疏水的比例

因此导致了

比较高的CMC的出现

那么这种超两亲分子

是否是由电荷转移作用形成的呢

我们利用紫外和荧光

证实了这一观点

首先从直观上来看

我们看将两种构筑基元

在水溶液中发生混合

他们的溶液呈现一个酒红色

那这也是萘二酰亚胺和萘

电荷转移复合物的特征的一个颜色

那另外在紫外光谱上

我们可以看在450到700纳米之间

出现了一个比较宽的

一个吸收带

那这也是电荷转移复合物的

特征的一个吸收谱带

那么另外不管是萘的荧光

还是萘二酰亚胺的荧光

在发生混合以后

都发生了一个强烈的淬灭

这就进一步证实了

电荷转移作用的形成

那我们进一步利用核磁氢谱

证实了这种电荷转移复合物的形成

我们可以看

将两种构筑基元进行混合以后

不管是萘二酰亚胺上的质子m1

还是萘上的质子n1 n2 n3

都往高场移动

这说明两个芳香环

在水溶液中的

发生了相互靠近

发生了电子云的屏蔽

那这也就进一步证实了

电荷转移复合物的形成

那么二维核磁可以很清晰的告诉我们

萘和萘二酰亚胺

在组装体里的堆积方式

那首先我们看萘环上的质子

n1 n2 n3

和萘二酰亚胺上的质子m1

它们都探测到了

比较强的相关峰

那说明两个芳香环

在水溶液中的距离很近

因为二维NOESY

它的检测限是只有五个埃

另外在这个二维核磁

谱图上我们看

m1和n8以及n3和m6

以及n2和m6

这些峰的出现

均表明萘和萘二酰亚胺

在组装体里

确实存在着这样一种

中心重合长轴平行的

这样一个排布方式

那这也就间接证实了

X型超两亲分子的形成

那么TEM和Cryo -TEM结果表明

这种X型的超两亲分子

能够自组装成为

纳米棒状结构

那么我们可以看

冷冻电镜的结果

这个棒它很直

那原因有可能是因为

电荷转移作用

沿着一维方向排列倾向所导致

那么到这里我们已经证实了

利用对构筑基元的一个设计

我们可以得到

这种X型拓扑结构的超两亲分子

那么我们发现

它可以用来比较精确的调控

一维纳米结构的形成

那么接下来我们对超两亲分子的

构筑基元进行一个

非常微小的一个结构变化

将两条烷基链

在萘环上的取代位置

从1 5位取代变为2 6位取代

那是否就可以构筑这种

H型的超两亲分子

从而得到二维的纳米结构呢

也就是说对超两亲分子的

构筑基元进行一个非常微小的

结构变化

是否可以导致

它的组装体

结构的一个非常大的

而且是比较精确控制的

这样一个变化呢

那么接下来我们对

H型的超两亲分子

进行了一个研究

那么与X型超两亲分子的研究类似

以下表征手段均证实了

H型超两亲分子的形成

那么TEM和Cryo-TEM

也证实了这种H型的超两亲分子

能够自组装成为

二维的纳米带状结构

那么AFM也证实了这一点

另外在XRD上我们可以看

出现了一个周期性的衍射峰

这就说明了二维结构的形成

因此H型的超两亲分子

可以用来精细的调控二维的纳米结构

那到这里做一个小结

我们通过对构筑基元的一个设计

通过非共价合成的方法

得到了具有X和H型的

这种特殊拓扑结构的超两亲分子

那这种传统的两亲分子很难得到

并且我们发现

通过改变超两亲分子的

特殊拓扑结构我们可以较为精确的

去调控分子聚集体的结构

那这也是超分子工程学的

一个非常好的例子

那沿着类似的思路

我们保持超两亲分子的

疏水内核保持不变

我们将亲水的吡啶盐头基

变为双电荷的紫精盐

我们在溶液中发生混合

发现它仍然能够得到

这种H型的超两亲分子

那么它能够组装成为

二维的片装结构

这是冷冻电镜的一个照片

那么进一步我们向溶液中加入

这种富电子的三磺酸基芘

它能够在静电作用的辅助下

与紫精发生更强烈的

定向电荷转移作用

那么它们具有强烈的

沿着一维方向排列这样一个倾向

因此可以将二维的纳米片

变为一维的纳米线

那这也就说明

利用双重电荷转移作用

我们通过调控对超两亲分子

拓扑结构的这样一个逐步的一个改变

可以实现纳米结构

从二维方向向一维方向的

一个比较精确的一个调控

那么这是第一部分

我们已经实现了

对纳米结构的一个精确调控

那么不仅如此

我们还希望利用这种特殊的

拓扑学结构

能够解决组装过程中

遇到的一些问题

比如说我们都知道

具有大的共轭结构的

芳香分子具有非常优异的

光电性能

但是关键问题在于

它们非常容易在溶液中发生聚集

那么光电分子的聚集

也就会大大降低他们的光电性能

比如说苝二酰亚胺

它在单体状态下

具有非常强的荧光

但是在它的聚集体里面

荧光非常非常弱

那这也就无法用它们来构筑

高荧光的聚集体

那如何去构筑高荧光的聚集体呢

人们发展了很多共价的方法

去解决这些方法

比如说聚集诱导荧光

那么它的思路是

利用共价合成

得到一些具有特殊的

化学结构的分子

那么它的聚集

可以抑制分子的内旋转

从而增强它在组装体里的荧光

另外一种常见的方法

是通过有机合成

在光电功能分子上

接上一些共价连接上一些

大的位阻基团

比如说树状分子

那么这些树状分子的位阻效应

就会抑制光电分子的强烈堆积

因此也就会增强了它的荧光

那么能否发展一种非共价的方法

合成的方法去解决这些问题

那么我们设计了这样

一种特殊的这种拓扑结构的

超两亲分子

那么它含有两个构筑基元

一个构筑基元是

中间含有苝二酰亚胺这样一个

荧光集团这样一个分子

那么两端还有两个

亲水的萘甲胺盐

另外一个构筑基元

是葫芦脲七 CB[7]分子

那么它可以通过主客体相互作用

连接到萘甲胺盐上

从而得到这样一个

含有两个葫芦脲头基的

这样一个两亲分子

我们称这种特殊的拓扑结构为

哑铃型的超两亲分子

那我们希望哑铃型的超两亲分子中

两个大的葫芦脲头基的位阻效应

能够抑制苝二酰亚胺的紧密堆积

从而增强它在组装体里的荧光

那么这种非共价合成的思路

可以在一定程度上简化合成步骤

并且由于主客体作用的可逆性

我们希望它能够在

一定条件下发生解离

从而得到这样一个

动态响应性的这样一个智能材料

那么首先我们利用等温滴定量热

研究了两个构筑基元的结合比例

和结合强度

我们将BPDI这个构筑基元

滴入CB[7]的水溶液中

我们得到了这样一个量热峰

我们对它进行拟合

计算得到它们两个的结合比例为

一比二

并且结合常数为十的五次方

那这也就说明主客体作用足够强

它可以非常有效的去构筑

我们所需要的这种哑铃型的

超两亲分子

DLS动态光散射结果表明

这种超两亲分子

能够自组装成为

直径为100纳米的

这样一个组装体

我们可以看在加入葫芦脲之前

这个构筑基元BPDI它的组装体的直径为

一千个纳米左右

但是我加入两倍量的葫芦脲以后

一千纳米的组装体消失

而产生了一个

尺寸为一百纳米的

这样一个组装体

那么加入CB[7]前后

组装体的尺寸产生了明显的变化

这就说明超两亲分子具有与它的

构筑基元所截然不同的

一个组装行为

SEM和Cryo-TEM

均以表明哑铃型的超两亲分子

能够自组装成为这种

纳米盘状的一个结构

那在哑铃型超两亲分子形成

这种纳米盘中

它的荧光得到了显著的增强

我们看左边这个照片

这个是BPDI水溶液在紫外灯

辐照下的这样一个照片

我们可以看

我们基本上看不到什么荧光

但是我加入两倍量的葫芦脲以后

它的水溶液

发生了一个强烈的一个荧光

那我们进一步利用荧光发射光谱

较为定量的研究的这一个过程

我们看图中的黑线所示

为BPDI水溶液的荧光

它的荧光很弱

但是随着CB[7]的逐渐加入

荧光逐渐增强

那么大概在六百纳米处

这个发射峰

那么超两亲分子它的荧光

是BPDI水溶液的接近一百倍

那么荧光增强的原因是什么呢

我们研究了形成超两亲分子前后

它紫外吸收的这样一个变化

我们可以看随着葫芦脲七分子的

逐渐加入

它的吸收峰的强度逐渐升高

那这就说明

由于聚集所导致的减色现象

得到了抑制

那这就间接证实了ππ作用

已经发生了减弱

我们进一步利用核磁氢谱

来说明了这一点

我们可以看BPDI的水溶液中

芳香环上的信号

非常钝而且很宽

这就说明了在水溶液中

BPDI发生了强烈的聚集

但是加入葫芦脲分子以后

芳香环上的信号变得非常尖锐

而且很清晰

这也就说明了哑铃型

超两亲分子的CB[7]头基

减弱了芳香环的紧密堆积

那么总结以上数据我们可以得到

荧光增强的原因

如图所示那么哑铃型超两亲分子中

大的葫芦脲头基

抑制了芳香环的紧密堆积

因此也就增强了

它在组装体里的荧光

那么这种非共价合成的思路

不仅在一定程度上减少了

共价合成的这样一个步骤

而且另外一个很重要的优点

是它具有一定的可逆性

那么我们能否利用这种可逆性

以及荧光的强烈变化

实现对某些重要物质的检测呢

具体来说我们希望

向超两亲分子的溶液中

加入精胺这种分子

那么它是一种重要的肿瘤标识物

那我们希望精胺能够与

葫芦脲产生更强的主客体相互作用

从而将超两亲分子的

葫芦脲头基竞争下来

从而导致荧光强度的降低

因此实现对精胺的

这样一个检测

那么我们可以看荧光光谱

那随着精胺的逐渐加入

它的荧光强度

确实发生了逐渐的一个降低

那特别是

我们仅仅加入了

几十个纳摩的精胺

它就可以发现荧光强度的一个

比较显著的

这样一个变化

那我们计算了

在不同精胺浓度下

荧光的淬灭程度

得到了如图所示的

这样一个工作曲线

并且我们发现

通过调节超两亲分子的浓度

那么对于精胺的检测范围

可以很方便的

从几十个纳摩

扩展到几十个微摩

那这一浓度范围也可以覆盖

临床上所需要检测的

精胺的所有的浓度范围

那不仅如此

超两亲分子对精胺的检测

还有比较好的一个选择性

我们研究了超两亲分子

对于精胺的一些结构类似物的

一个响应的一个情况

比如说亚精胺 丁二胺以及氨基酸等等

那么我们发现荧光的变化

均不是太显著

说明它有比较好的一个选择性

另外检测的速率也很快

我们利用荧光停留光谱

研究了超两亲分子

对于精胺响应的一个速率

我们看随着精胺的加入

它的荧光发生了

非常快速的这样一个降低

并且荧光强度在

大概40秒以后

它的强度就不再发生变化

说明检测达到了平衡

那做一个小结

我们制备了这样一个

哑铃型的特殊拓扑结构的

超两亲分子

它可以作为制备高荧光材料的一个

非共价方法

并且这种材料还具有一定的可逆性

我们可以用它实现

对精胺的灵敏

快速 选择性的这样一个检测

那么这种非共价合成的方法

是否可以扩展到

其他光电分子上呢

我们都知道卟啉

它是一个

非常重要的光敏剂

它可以在可见光的照射下

吸收光子的能量

将它传递给周围的氧气分子

从而得到单线态的氧

那单线态的氧可以用来杀灭肿瘤细胞

或者说致病菌等等

但现在问题在于

卟啉非常容易在水溶液中发生聚集

那么卟啉的聚集

就会强烈的淬灭掉

它的激发态的能量

因此也就会降低它的

单线态氧的产生效率

那么我们能否利用我们前面发展的

这种非共价方法

去解决这一问题呢

我们构筑了

这样一个特殊拓扑结构的

超两亲分子

那么它仍然含有两个构筑基元

一个构筑基元含有卟啉

作为疏水的内核

还有四个萘甲胺的头基

另外一个构筑基元

也是CB[7]分子

那么它可以通过

主客体相互作用

连接到萘甲胺基团上

得到这样一个含有

四个大的葫芦脲头基的

这样一个超两亲分子

我们称它为四臂型的超两亲分子

那么由于这两种分子里面

都含有卟啉这种基团

所以我们简称它们为光敏剂

和超分子光敏剂

那我们希望超分子光敏剂中

四个大的葫芦脲头基

可以抑制卟啉的紧密堆积

从而提高它的

单线态氧的产生效率

和提高它的抑菌效率

那么类似的

我们用等温滴定量热

研究了两种构筑基元的

结合比例和结合强度

我们将光敏剂滴入到CB[7]水溶液中

我们得到这样一个量热曲线

通过对它进行拟合

就可以得到

它们的结合比例为一比四

那么结合常数为十的七次方

说明这个主客体作用力很强

可以非常有效的去构筑

我们所需要的四臂型的超两亲分子

那么电镜结果也表明

也证实了超两亲分子的形成

我们可以看

对于这种光敏剂分子来说

它能够自组装成为

这种致密的球状结构

但是加入葫芦脲分子以后

形成超分子光敏剂

它的自组装体为二维的片装结构

那么这就说明超分子光敏剂

具有与光敏剂

截然不同的这样一个组装行为

那有趣的是

形成超分子光敏剂以后

它的荧光得到了

一个显著的增强

我们可以看在光敏剂中

由于卟啉环的强烈聚集

它的荧光强度很弱

但是我加入四倍量的葫芦脲

它的荧光发生了一个显著的增强

那么原因应该在于

超分子光敏剂中的

这种大的葫芦脲的头基

抑制了卟啉在组装体里的

π-π相互作用

因此导致了荧光的这样一个增强

那我们进一步利用

电子顺磁共振波谱

研究了这两种光敏剂

对于单线态氧的这样一个

敏化的能力

我们向水溶液中

加入痕量的TEMP分子

那么它可以选择性的捕获

单线态氧从而产生这种

氮氧自由基

可以被这种波谱仪所捕获

我们看随着辐照时间的增长

氮氧自由基的峰的信号

逐渐增强

这就说明了单线态氧逐渐的产生

将峰的强度对辐照时间做图

就得到了这样一个曲线

那么其中黑色的点

对应于光敏剂

而红色的点对应于超分子光敏剂

那么从这个图里我们可以看出

超分子光敏剂的单线态氧的

产生速率增大

同时它的产生量明显提高

那么高的单线态氧产生效率

是否能够提高它的抑菌效率呢

我们以大肠杆菌

为研究对象

利用平板法研究了两种光敏剂

对于大肠杆菌的杀伤的一个能力

我们可以看在黑暗条件下

两种光敏剂没有明显的区别

但是经过光照以后

普通的光敏剂它的杀伤效率很低

但是超分子光敏剂

它上面剩余的菌落数目很少

那么我们计算了

辐照前后菌落的数目

从而比较定量的给出了

它的抑菌效率的数值

那么对于光敏剂来说

它的抑菌效率为17%

但是形成超分子光敏剂以后

它的抑菌效率提高到了97%

那需要指出的是

即使在非常温和的辐照条件下

我们所使用的辐照剂量为白光

1J每平方厘米

那么这种超分子光敏剂

仍然体现了比较高的

一个抑菌效率

那么在这部分中

我们利用非共价合成的方法

得到了这样四臂型的

特殊拓扑结构的超两亲分子

那么它可以作为高抑菌效率

超分子光敏剂构筑的一个

非共价的制备方法

那么并且这个制备过程

是在水溶液中进行

不涉及复杂的有机合成

因此有可能用于光动力疗法之中

那对于我博士期间的工作

做一个总结

我们利用非共价合成的思路

得到了一些具有

特殊拓扑结构的超两亲分子

这些用传统的两亲分子

很难得到

那么其中X和H型的超两亲分子

可以作为组装体

结构控制的一个构筑基元

那么哑铃型和四臂型的

超两亲分子可以实现

组装体功能的这样一个调节

我在博士期间

以第一作者一共发表论文八篇

那在这里我要特别感谢

吉林大学张文科教授

化学所的王树 王毅琳 李志波

韩玉淳研究员

以及清华大学的帅志刚

刘冬生教授 王冬副教授

以及印度科学研究所的

RK教授的大力的合作与支持

最后我要感谢我的导师张希教授

一直以来对我的指导和帮助

我要感谢导师王治强教授

一直以来对我的关心和指导

那么在组里的每一天

都有新的收获

那我要感谢实验室的

许华平副教授

于莹老师 武晓燕老师

王朝师兄

以及实验室

其他兄弟姐妹的关心和支持

最后谢谢大家