【Angew. Chem.】华东理工田禾院士、曲大辉|可调“质子水库”实现非平衡超分子组装动态可视化,荧光量子产率跨越1.7%–71.9%!

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【Angew. Chem.】华东理工田禾院士、曲大辉|可调“质子水库”实现非平衡超分子组装动态可视化,荧光量子产率跨越1.7%–71.9%!

【Angew. Chem.】华东理工田禾院士、曲大辉|可调“质子水库”实现非平衡超分子组装动态可视化,荧光量子产率跨越1.7%–71.9%!#

文章标题Dynamic Fluorescence Visualization of Nonequilibrium Supramolecular Assembly Regulated by a Proton Reservoir

文章作者:Qian Wang, Hanren Xu, Hongyu An, Jianfeng Jiang, Boyi Fu, He Tian, Da-Hui Qu

文章链接https://doi.org/10.1002/anie.7256115

文章概要#

生命的维持依赖于化学燃料驱动的耗散组装过程。研究团队提出了一种可调控质子水库策略,将化学燃料消耗与荧光组装基块的结构进行解耦。该系统以酯化与水解反应循环为基础,实现了对体系酸度的时序编程控制。组装体的荧光量子产率在1.7%至71.9%之间宽幅可调,辐射发光涵盖蓝、绿、白、黄多色转变。通过改变羟基底物结构,体系的掩蔽酸时间可在0至250分钟内精确设定酸释放周期控制在10至120分钟。该耗散组装体系不仅能以荧光信号实时可视化监测反应进程,还成功将亲核取代反应产率由17%提升至70%,为开发智能自适应材料提供了新的思路。

引言#

生命体利用三磷酸腺苷等化学燃料的持续消耗与能量散逸,来维持微管等超分子结构的非平衡组装状态。这类过程赋予了生物材料独特的自适应与自我修复能力。人工合成非平衡组装体在模拟生命现象方面取得了显着进展,但多数现有体系中的化学燃料反应直接作用于组装基块本身。这种结构上的强耦合限制了对反应动力学和组装行为的独立调控能力。同时,非平衡组装过程处于高度动态变化中,传统离线检测手段难以做到实时原位追踪。如何将化学燃料消耗模块与组装功能分子解耦,并建立一种非侵入式的实时可视化监测手段,成为超分子化学领域亟待突破的技术瓶颈。

Scheme 1 Schematic representation of nonequilibrium assembly regulated by a time-programmed proton reservoir. Addition of EDCI (1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride) promotes ester formation between the bound acid and a hydroxyl compound, thereby temporarily masking the acid as a hydrolysable ester, promoting assembly of compound 1 and activating catalysis of nucleophilic substitution. Subsequent ester hydrolysis regenerates the acid, disrupts the assembly, and returns compound 1 to the monomeric state, while the accompanying pronounced fluorescence changes enable visual monitoring of the process.#

主要实验及结论#

研究团队设计并合成了带有对位吡啶基团的两亲性荧光分子。如图1所示,该分子在有机溶剂中呈单体状态,发出峰值在420纳米的蓝光,荧光量子产率高达71.9%。当转移至水相环境时,分子通过疏水作用与π-π堆积自组装形成直径约500纳米的球形纳米颗粒,发光峰值红移至500纳米,展现出明亮的绿光。通过浓度依赖性荧光光谱测试,计算得到该分子的临界组装浓度为1.9微摩尔。时间分辨荧光衰减曲线证明,从有机相单体到水相组装体的转变伴随着发光寿命从2.2纳秒延长至28.7纳秒。

Fig.1 (a) Schematic representation of the self-assembling behavior of compound 1. (b) 1H NMR spectra of 1 mM compound 1 in CDCl3 (green line) and deuterium oxide (D2O, red line). (c) DLS data of compound 1 in an aqueous solution (25°C, 0.01 mM). The insets in (c) show the TEM image and photo of compound 1 aqueous solutions with laser irradiation. (d) UV–vis spectra of 10 µM compound 1 in various solvents. (e) Fluorescence spectra of compound 1 in CH2Cl2 (black line) and water (green line), with λ ex = 360 nm. The inset in (e) shows time-resolved fluorescence decay curves of 10 µM compound 1 in two solvents. (f) Fluorescence spectra of compound 1 in water with different concentrations (1.1–2.5 µM, λ ex = 360 nm). The inset in (f) shows the fluorescence photographs of compound 1 (1 and 10 µM) in water under 365 nm light irradiation. (g) Fluorescence intensity500 nm–concentration curves of compound 1.#

基于吡啶基团的酸碱响应特性,研究人员进一步探索了pH值对组装行为与发光特性的调控作用。如图2所示,随着酸的加入,吡啶基团发生质子化,分子间的堆积作用被破坏,导致纳米组装体解聚为单体。在此过程中,溶液发光颜色由绿光逐渐转变为黄光,光谱峰值红移至570纳米,荧光量子产率降至1.7%。值得注意的是,在中间酸度条件下系统展现出纯正的白光发射,完成了蓝、绿、白、黄的连续光谱演变。对比实验表明,邻位与间位吡啶取代物以及噻吩衍生控制分子均无法实现如此显著的荧光变色效应,证实了对位吡啶结构在构建可视化探针中的关键作用。

Fig.2 (a) Schematic representation of the acid–base responsive behavior of compound 1. The addition of acid causes disassembly and fluorescence yellowing. (b) 1H NMR spectra of 1 mM compound 1 added to acid in deuterium oxide. Changes in (c) UV–vis absorbance, (d) fluorescence spectra, and (e) CIE 1931 chromaticity coordinates of compound 1 in H2O (5 µM) upon acid titration (pH = 3.0∼7.0). (f) Fluorescence photographs of compound 1 aqueous solutions with different pH values under 365 nm light irradiation. (g) Fluorescence photographs of compound 1 loaded on silica gel before treatment (left), after water addition (middle), and after acid addition (right) under 365 nm UV irradiation.#

为了实现非平衡状态的动态调控,研究团队构建了基于碳二亚胺(EDCI)驱动的时间可编程质子水库系统。如图3所示,体系引入三氟乙酸作为酸源,EDCI促使酸与羟基化合物反应生成活化酯,将游离质子临时储存于酯键中。这一过程消耗了体系中的酸,促使溶液pH值升高,进而诱导荧光分子重新组装并发出绿光。随后,活化酯在水相中自发发生水解反应,重新释放出三氟乙酸,使荧光分子再次质子化并解聚,发光颜色恢复为初始的黄光。整个过程无需改动发光分子结构,仅依靠质子水库的酸度变化即可精准操纵超分子组装形态的形成与消失。

Fig.3 (a) Schematic representation of proton reservoir-regulated nonequilibrium assembly. Transient assemblies can be used for catalyzing the nucleophilic substitution reaction. (b) Evolution of the 1H NMR spectra of 1 mM compound 1 added to 1 mM TFA, 1 mM p-nitrophenol, and 3 mM EDCI in deuterium oxide. (c) Evolution of the fluorescence of 0.3 mM compound 1 in water with the addition of 1 mM TFA, 1 mM p-nitrophenol, and 1 mM EDCI (λ ex = 360 nm). (d) Changes in CIE 1931 chromaticity of the fluorescence in (c). (e) Normalized time-dependent profiles derived from fluorescence intensity at 500 nm, UPLC peak areas, and 1H NMR signals for an aqueous solution of compound 1 (1 mM) after addition of TFA (1 mM), p-nitrophenol (1 mM), and EDCI (5 mM). Time-dependent fluorescence intensity at 500 nm of aqueous solutions of compound 1 (0.3 mM) containing TFA (1 mM) and either (f) p-nitrophenol (1 mM) or (g) NHPI (1 mM) upon addition of different equivalents of EDCI (1 equiv. corresponds to 1 mM EDCI, λ ex = 360 nm). (h) Productivity-time curves from UPLC of aqueous solutions (compound 1: 1 mM, TFA: 1 mM, p-nitrophenol: 1 mM, EDCI: 3 mM, blank: 0.1 mM NBD-Cl and 0.14 mM C8-SH).#

研究团队通过分子结构设计实现了对质子水库动力学参数的调控。如图3所示,选用对硝基苯酚作为羟基组件时,生成的活化酯极其稳定,掩蔽酸的时间超过250分钟,可实现酸的长时间稳定储存。换用N-羟基邻苯二甲酰亚胺时,活化酯迅速水解,在30至40分钟内即完成质子释放与组装体的解聚。以五氟苯酚为底物时,系统呈现出平衡的动力学过程,酸掩蔽维持30分钟后,在120分钟内缓释质子。荧光信号的强度变化与核磁共振及超高效液相色谱测得的化学反应动力学曲线高度吻合,证明荧光信号可以作为内部实时指示剂。此外,该组装体展现出优异的催化性能,在4-氯-7-硝基苯并氧杂二唑与正辛硫醇的亲核取代反应中,组装体形成的微环境将反应产率由无催化对照组的17%显著提升至70%

总结及展望#

本研究成功构建了一种脱离组装基块结构的化学燃料调控质子水库,实现了非平衡超分子组装过程的高效调控与实时荧光显影。该策略巧妙解决了传统体系中功能与动力学高度耦合的难题,通过对活化酯水解速率的精准设计,赋予了体系在时间维度上的可编程组装特性。组装体所具备的光学指示功能与催化增强效应,展示了其在人工酶模拟及自适应功能材料领域的应用潜力。未来,这种质子水库调控机制有望进一步拓展至生物医药递送、智能自修复材料以及时空可控的微流控催化等前沿领域,为设计复杂人工耗散系统提供重要的理论依据与技术支撑。

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作者
Fluolab
发布于
2026-08-10
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