【纳米】有机刚性大环构筑的分子纳米管- 大数跨境

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2023-05-24

导读：北京师范大学化学学院卢忠林教授研究团队以六元（间苯乙炔）（m-PE）大环作为基本砌块，通过共价键成功将2~4个m-PE大环串联成大环寡聚体，后者通过自组装形成人工跨膜离子通道后，可实现具有超长持续开启

纳米或亚纳米管在分子水平的物质输运、分离和检测方面具有广泛的应用前景，是当前纳米科学和超分子化学研究的前沿热点。自组装有机纳米管是构筑纳米管的一种常见策略，其形成过程是动态的，如何兼顾自组装纳米管的稳定性和动态性是其中的主要挑战之一。近日，北京师范大学化学学院卢忠林教授研究团队以六元（间苯乙炔）（m-PE）大环作为基本砌块，通过共价键成功将2~4个m-PE大环串联成大环寡聚体，后者通过自组装形成人工跨膜离子通道后，可实现具有超长持续开启时间的离子跨膜输运。

图1. 六元（间苯乙炔）大环单体以及由肽链连接的大环二聚体和四聚体的结构

在m-PE大环（MC-1）外侧引入β-丙氨酸单元，以β-丙氨酸通过偶联形成寡聚β-丙氨酸，即可制备出大环二聚体MC-2和大环四聚体MC-4。接着，运用核磁共振氢谱、紫外-可见光光谱、圆二色谱以及荧光光谱法研究了它们形成自组装纳米管的倾向性和稳定性差异。结果表明，相比于二聚体MC-2和单体MC-1的自组装，四聚体MC-4的组装体表现出更强的稳定性。在平面脂双层离子通道实验中发现，四聚体MC-4能够形成稳定的通道，对氢离子和钾离子单通道持续通导时间能够长达数分钟，比早期发展的m-PE自组装通道的持续开启时间增长了10²个数量级。研究发现，减少形成跨膜通道所需的构筑模块数量，有助于自组装过程中不利的熵效应，从而提高通道的稳定性。

图2. 大环单体、二聚体和四聚体在平面脂质体双分子层氢离子传输实验及组装示意图

这项工作中采用了模块化合成的策略，通过延长肽链的链长度，实现m-PE大环的共价连接，为有效构建长度可控的有机纳米管提供了一种可靠的策略。这种高度稳定的有机分子纳米管通道将在离子分离、催化、传感等方面有着巨大的应用价值。

该工作近期发表于《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed.) 杂志。北京师范大学是该工作第一单位，论文第一作者是博士生吴成岩，北京师范大学刘睿副教授是共同通讯作者。相关工作得到了国家自然科学基金(91227109，21778012, 21801020 )、北京师范大学的资助。

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