慕尼黑工业大学AMR：化学燃料驱动的超分子材料
The following article is from AMR材料研究述评 Author AMR
近日，德国慕尼黑工业大学 Job Boekhoven 教授团队的AMR述评文章“Chemically Fueled Supramolecular Materials”在线发表，并入选ACS Editors’ Choice。文章以碳二亚胺驱动的化学反应循环为中心，总结了该反应循环及前驱体分子结构的设计策略、所得超分子材料对其反应循环施加反馈的相互耦合、以及这类超分子材料的一些应用，同时提出了该领域的机遇和挑战。
关键词：化学燃料、化学反应循环、碳二亚胺、自组装、超分子材料
01
文章内容简介
在生物体中，许多分子的功能是通过非平衡化学反应循环来调节的。受此启发，超分子化学家努力创造类似的化学燃料驱动的超分子材料。在这类超分子材料中，分子组装形成功能性纳米结构。与传统的超分子材料不同，化学燃料驱动的组装不会在平衡状态下发生，而是需要化学能来产生和维持，该能量即从燃料中获取。由于材料会消耗其形成所需的燃料，因此数量有限的燃料可以创建寿命有限的材料，并且其寿命受反应循环动力学的调节。这意味着可以通过反应循环的动力学来控制组装体的大小和形态。此外，燃料的施加位置对于组装体的形成位置也很重要，因此该类材料具有时间和空间可控性。由于组装和解组装过程的动力学，这些材料可以被赋予自我修复的能力。这些引人入胜、独特的特性激发了超分子化学家创造类似的化学燃料分子组装体的强烈兴趣。
认识到该领域的潜力，我们也面临着一个重大挑战：我们缺乏可以广泛应用的燃料驱动的化学反应循环。也就是说，我们缺少一个通用、易于使用、可定量理解、且不会发生副反应的化学反应循环 。因此，在 2017 年，我们着手设计和开发了以碳二亚胺为燃料的反应循环。在该反应循环中，羧酸盐前体与燃料分子碳二亚胺反应，形成活性物种，如酸酐或酯。活性物种与水反应，发生水解而恢复到其前体状态；也就是说，活性物种去活化。有效地，前驱体催化碳二亚胺转化为废物，形成短暂的活性物种。我们的反应循环广泛用于驱动超分子材料的形成，包括瞬时水凝胶、胶体和输送药物的液滴。
在这篇述评中，我们提供了我们开发化学反应循环并将其与化学燃料驱动的超分子材料相耦合的经验。 我们首先介绍了以生物非平衡自组装为例的领域，描述什么构成化学燃料驱动的反应循环。紧接着描述了碳二亚胺驱动的反应循环的设计，并用我们团队和其他团队的示例，提供前驱体的设计规则和创建所需形态或超分子材料的策略。所讨论的形态包括纤维、胶体、晶体以及基于油和凝聚层的液滴。然后，我们讨论了超分子材料对其反应循环施加反馈的相互耦合的概念，并提供了此类反馈机制的示例。此外，我们展示了通过此化学循环形成的具有独特材料特性（如自我修复能力）的超分子材料及其潜在应用。最后，我们对该领域进行了讨论和展望。该述评旨在提供我们的对该领域的基本理解，并在概念上促进新的超分子材料的进一步发展。
02
AMR：请问您选择该领域的初心是？
Job Boekhoven教授：
系统化学和超分子化学都是令人兴奋的领域。化学家可以在这些领域发挥他们的创造力，用分子构建复杂的系统。受到生物学的启发，我们希望有一天能创造出具有生命特性的材料。更好的是，我们希望从非生命系统的分子中合成生命。
03
AMR：您认为该领域当前最值得关注
的研究热点是什么？
Job Boekhoven教授：
该领域的热点即为利用系统化学和超分子化学创造出具有生命特性的材料，并期望在未来能实现从非生命物质合成生命。
作者团队简介
●Job Boekhoven，德国慕尼黑工业大学化学学院教授。2012年在荷兰代尔夫特理工大学获得博士学位，指导教师为 J. van Esch教授和R. Eelkema教授。2012年至2015年，在美国西北大学Samuel I. Stupp教授课题组从事博士后研究。2016年被德国慕尼黑工业大学聘为Rudolf Mößbauer Tenure Track教授，从事超分子化学研究。他以在控制分子自组装或相分离的化学反应循环方面的工作而闻名，也开发出了具有新的特性的超分子材料，如自我修复或可控寿命。这些超分子材料显示出与活细胞相关的特征，如出现、衰变和自我分裂。他曾获ERC starting grant、Max Planck Fellow in the school “Matter to Life”、Thieme Chemistry Journal Award、VCI – Young investigator grant等诸多奖项。他曾在国际著名期刊 Science、Nat. Chem.、Nat. Mater.、Nat. Commun.、JACS、Angew. Chem. Int. Ed.等发表学术论文。
●陈晓瑶，2016年在苏州大学获得学士学位，指导教师为倪沛红教授。2019年在中国科学院上海有机化学研究所获得高分子化学与物理的硕士学位，指导教师为房强教授。之后，她于2019年进入慕尼黑工业大学Job Boekhoven教授课题组攻读博士学位。她的研究兴趣是开发一种新的化学燃料驱动的反应循环，并定量地了解如何抑制副产物。
● Michaela A. Würbser，2016年在慕尼黑工业大学获得学士学位，指导教师为Johannes A. Lercher教授。并于2018年在同校获得硕士学位，专业是是无机和高分子化学，指导教师为Bernhard Rieger教授。于2019年4月加入Job Boekhoven教授课题组攻读博士学位。她的研究重点是以化学燃料循环为基础，开发具有类似生命的特征的超分子材料，如时间控制或自我修复的能力。
扫码阅读Job Boekhoven教授团队的精彩Account文章：
Chemically Fueled Supramolecular Materials
Xiaoyao Chen, Michaela A. Würbser, and Job Boekhoven*
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.2c00244
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