利用金属表面识别和分离丝氨酸对映异构体的理论研究

Serine is an important chiral molecule which plays an essential role in the pharmaceutical industry. The left- and right-handed enantiomers have very similar physical and chemical properties, being extremely hard to be separated. However, upon interaction with the metal substrate, molecules with different chirality grow in an opposite orientation, leading to the separation of the enantiomers. In this project, we combine dispersion-included density functional theory method with the available experimental results, such as the STM images and infrared spectra, to systematically study the interactions of metal substrates with serine molecule, and its dimers, trimers, and finally the entire monolayer. By addressing the complex synergetic interplay of the metallic bonding, van der Waals forces, hydrogen bonding, covalent bonding, and ionic bonding, we will reveal the influences of metal substrates on the structure, stability, growth direction, and selectivity of the monolayer. We aim to understand the physical and chemical mechanism of separation the serine molecules at metal surfaces, and finally to determine the metal structure which can most effectively separate the serine enantiomers.

丝氨酸是制药中一种重要的手性有机分子，不同的手性对药物的性能有至关重要的作用。左/右旋光异构体在气相中有着相似的物理和化学性质，很难分离。但当它们在与金属基底相互作用自组装生长的过程中具有完全不同的生长方向，因此会自发分离。本项目拟利用范德华力矫正的密度泛函理论方法，结合实验数据（如STM图像和红外光谱），系统研究多种过渡族金属表面与丝氨酸手性分子、及其二聚体、三聚体、和单层结构的相互作用。通过深入讨论丝氨酸在金属表面自组装生长过程中金属键、范德华力、氢键、共价键、以及离子键的复杂协同作用，以揭示不同金属基底对丝氨酸单分子层的结构、稳定性以及方向性的影响。挖掘金属表面与丝氨酸相互作用实现有效分离对映异构体背后的物理与化学机理。确定可实现丝氨酸异构体分离的最有效的金属界面。

丝氨酸左、右手性分子在生物体中具有不同的生理活性，利用金属表面与丝氨酸对映异构体的吸附差异可实现对丝氨酸手性分子的高效识别与分离。本项目重点研究了金属表面对丝氨酸手性识别和分离的作用及其调控方案，系统评估了Cu、Ag、Au和Pd等(531)台阶表面及其合金对丝氨酸手性分子的分离能力，揭示了多种交互作用力在界面处的协调机制，探讨了影响金属表面手性拆分能力的主要因素，阐明了掺杂元素对金属表面手性拆分能力的影响规律，揭示了Ni掺杂Cu(531)表面对丝氨酸分子具有最优分离能力的内在原因，提出了通过调控界面应变能提高手性分离能力的优化机制，并进一步阐明了覆盖率和温度效应对金属表面手性拆分能力的调控机制。本项目以提高金属表面手性拆分能力为目的，深入研究了界面交互作用、手性拆分机制和性能调控规律之间的内在联系，最终获得了丝氨酸手性识别和分离的最佳金属表面，研究成果对手性材料研究、医药合成等领域具有一定的指导意义。