智能大环阴离子受体的合成、性质及应用研究

Anions are ubiquitous in nature. Study of anion chemistry is of great scientific significance and practical value for solving problems such as Cystic Fibrosis (a serious genetic disease), anion-related environmental pollution and so on. In recent years, remarkable advances have been witnessed in the development of anion chemistry. However, the focus of anion chemistry research has been mainly placed on non-smart anion-recognition systems so far. The smart anion recognition systems such as controllable anion binding and release remain a big challenge within this field. In this upcoming funding period, we intend to carry out fundamental studies involving the development of novel smart macrocyclic anion receptors by directly incorporating the photo-responsive azo- or anthryl groups into the frameworks of the macrocycles. On one hand, we can investigate their anion recognition efficiency and selectivity, as well as their potential applications in cross-membrane transport and supramolecular extraction. On the other hand, photo-controllable anion binding and release, along with their effect on the processes of anion cross-membrane transport and anion extraction will be examined. This project will pave a new way for design and synthesis of novel functional (macrocyclic) anion receptors and will lead to the development of smart anion chemistry.

阴离子是自然界中广泛存在的物种。研究阴离子化学对解决某些重大疾病（如囊性纤维化）、环境污染等问题具有重要的科学意义和实用价值。近年来，虽然阴离子化学取得了快速发展，但是目前阴离子化学的研究主要集中在非智能阴离子识别体系。智能阴离子识别体系（比如阴离子的可控结合与释放）在阴离子化学研究领域中非常具有挑战性。本项目拟将“光响应型”的偶氮基或蒽基直接引入功能大环主体化合物骨架中，设计合成一系列结构新颖的智能大环阴离子受体。一方面，研究它们对阴离子的识别效率和选择性及其在阴离子跨膜传输、超分子萃取等领域中的应用；另一方面，深入探索相应智能大环阴离子受体在光照条件下对阴离子的可控结合与释放以及光照对阴离子跨膜传输及阴离子萃取分离过程的智能调控。本项目不仅能为设计合成新型功能（大环）阴离子受体提供一条新思路，而且能够推动阴离子化学朝着可控化、智能化的方向发展，有着重要的学术意义。

功能超分子主体是超分子化学研究的主要内容之一，可以为材料化学、医药学、能源科学及环境科学等提供重要的物质基础。作为一类重要的超分子主体，大环阴离子受体可实现对目标阴离子的识别、传感、跨膜转运和萃取分离等，为解决涉及阴离子相关的重大疾病、关键材料等问题提供新方案。虽然阴离子化学在过去几十年里取得了重大进展，但是现有大环阴离子受体大多数都是非智能的，其对阴离子的识别过程很难进行有效调控。然而，阴离子结合与释放过程的可控调节对降低目标离子（盐）分离纯化过程中的能耗和成本具有重要的意义。在项目执行期间，我们开发了一系列光响应性智能大环阴离子受体，深入研究了它们对不同阴离子的结合能力和选择性，探索了相应智能大环阴离子受体对目标阴离子结合与释放过程的光调控行为，展示了智能大环阴离子受体在超分子萃取等领域的潜在应用。同时，我们也发展了一系列智能大环（阴阳）离子对受体，并研究了离子对受体与相应离子对（无机盐）之间的主客体化学。在光诱导下，智能大环离子对受体能够实现对阴阳离子结合与释放过程的调控。这些研究成果不仅丰富了功能超分子主体的种类，为开发新型功能阴离子受体或离子对受体提供了新思路，而且为发展低成本、低能耗的阴离子或无机盐先进分离技术提供了新的可能性。