创新型 开题报告.doc

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1、大学生创新性实验计划项目开 题 报 告项 目 名 称： Gemini两亲分子与DNA超分子组装及性能研究 项 目 来 源：（ ）国家级、 （ ）校级 项 目 编 号： 负 责 人： 薛焱 联 系 电 话： 所 在 院 系： 环境与化学工程学院 专 业 年 级： 07级应用化学 指 导 教 师： 焦体峰 课题性质、来源： 独立课题 导师的子课题 其他 项目起止时间： 2009.11 - 2010.10 教 务 处 制2009年10月一、课题论证（可另附页）1课题的立项背景、目的和意义近年来,化学研究的主要核心问题之一是如何得到有价值的功能材料，以Lehn为代表的学者二十年前所倡导的超分子化学更是

2、为特殊物理、化学性能的材料开辟了广泛的前景1。有关超分子及其组装性能的研究工作在我国发展迅速，近二十年来，越来越多的化学工作者致力于超分子及其功能材料研究,这为化学及材料科学的发展提供了巨大潜力。图1 gemini两亲分子的一般结构此外，随着科学技术的发展以及研究的深入，传统的表面活性剂分子不能满足人们在生产生活等多方面的要求。许多新型的表面活性剂分子，例如gemini型两亲分子，受到广泛的关注2。Gemini型分子是近年出现的一类新型表面活性剂，结构上是一个链状的间隔基连接两个传统表面活性剂, 如图1所示。Gemini型两亲分子有三个主要的优点3：(1) 临界胶束浓度很低：gemini型分子

3、的临界胶束浓度比相应的传统表面活性剂小两个数量级；(2) 降低表面张力的效率高：在相同的条件下，gemini 型分子比相应的传统表面活性剂有效得多；(3) Gemini型分子结构和性质的可裁剪性：通过改变间隔基的化学结构可以方便地调节gemini型分子的各种物化性质。此外，gemini分子在诸如合成、临界胶束浓度、聚集尺寸、以及凝胶、囊泡、组装膜等的性质方面也表现出奇特的性能4。目前，关于gemini分子在体相中的物理化学性质的研究集中于3个方面：在临界胶束浓度前后的性质差异；Gemini表面活性剂与其它活性物质的混合；Gemini表面活性剂水溶液的相行为。本申请将重点关注设计、合成具有不同功

4、能取代基团的gemini两亲化合物，研究其在体相及气/液二维界面上的超分子组装过程。我们试图通过分子结构的调整、偶氮苯等功能基团的修饰等手段，调控gemini两亲分子的界面组装行为，从而构筑和调节其超分子组装体，研究这类化合物一些新的组装性能。例如，通过在间隔基中引入较大的芳香基团，利用其p-p作用和体积效应，影响其超分子组装过程，并对超分子聚集体中基本单元的排列结构和方式进行微调，进而调节其各种物理化学性能；利用头部基团与DNA等物质的复合作用，系统化研究gemini两亲分子在超分子组装过程中的基本规律和机制，并同时考察各种因素对组装过程的影响。这种基于gemini两亲分子的多功能化合物的界

5、面超分子组装，将从深度上为人们诠释和控制新型gemini两亲化合物的界面超分子组装过程提供理论依据，并为研究者构建基于多功能团化合物功能组装体的实践平台，具有重要的科学意义。2课题研究现状评述法国Oda教授课题组报道设计合成了一系列新型的不对称季铵盐gemini分子，其中链长与分子结构的不对称性对其在体相溶液里中的相行为表现出重要影响5。实验发现，如图2所示，微观形貌与gemini分子的结构，例如链长和对称性具有紧密地联系。降低链长以及对称性导致曲率的增大，由此可以推测分子的疏水链在各种相中的排列。非对称gemini分子增加曲率，暗示分子间不能弥补其通过重叠长烷基链的非对称性。此类研究对探索较

6、浓溶液里含水非对称磷脂的指状分裂现象有深远意义。图2 n-2-m型gemini分子在体相中随浓度变化的相行为进而，气/液界面的物理化学性质是表面活性剂界面研究中最传统的研究领域，也是被研究得最多的领域。目前对gemini分子的研究热点主要集中于通过分子内部修饰功能基团来得到具有特殊性质或功能的聚集体。例如，Marques课题组报道了m-s-m型的gemini分子的组装行为，如图3所示，通过偏振光谱和差热扫描(DSC)来表征其具体性质，同时研究了m-2-m与SDS混合体系的液晶性质6。通过偏振光谱以及DSC的测量，首次报道了对于m-2-m型的gemini分子的液晶性质。基于Langmuir膜的实

7、验结果，讨论了不同相中的可能的薄片状排列。此外，通过对比每个尾链的极限面积，归纳出结构对于m-s-m型的gemini分子和SDS的近晶层的影响。图3 氢或氟代的gemini分子的结构近年来，中科院化学所刘鸣华研究员课题组对于gemini两亲分子在气/液界面上的超分子组装和聚集也作了系统性的研究工作7-11。例如，系统研究了一系列C12-Cs-C12型gemini分子和DNA在气/液界面的组装行为7。通过gemini分子的胺基头基与DNA的磷酸基团之间的原位静电吸附形成了聚阴离子/gemini复合膜，同时研究了分子间隔基的长度对于界面性质的影响。此外，进一步研究了基于咪唑基团或希夫碱基团的gem

8、ini分子与水溶性染料TPPS在气/液界面上的超分子聚集行为8-9，探索了gemini分子的电荷分布以及间隔基长度对于界面组装体性质与超分子手性的调节作用。近期探索了通过某些具有亲水间隔基的希夫碱型gemini两亲分子来制备金纳米颗粒的途径与可能10-11，为gemini分子在有序组装模的功能化与应用给出了较好的工作基础。由于二聚体状的Gemini两亲分子包括多样的头基和间隔基，通过控制分子间的各种弱作用力可以构筑多样的超分子组装体。目前虽然对于gemini分子在体相、界面等方面的组装行为以及功能特性进行了广泛的研究，仍然有许多问题有待于进一步研究解决。Gemini分子在体相中的相行为与分子间

9、或分子内作用力的相互关系还不是很明确；某些复合膜的结构以及组装形式与已有的理论和模型能否适用还有待于实验的验证。同时，上述研究结果也表明，目标化合物分子结构的选择和设计，对于其组装后形成的超分子聚集体的物化性质有着非常重要的影响。参考文献：1 J M Lehn. Angew Chem. Int. Ed. Engl., 1988, 27: 89-112.2 F M Menger, J S Keiper. Angew. Chem. Int. Ed., 2000, 39: 1906-1920. 3 R Zana. Adv. Colloid interf. Sci., 2002, 97: 205-25

10、3.4 R Zana, H Levy, D Papoutsi et al. Langmuir, 1995, 11: 3694-3698.5 R Oda, I Hucb, S J Candaua. Chem. Commun., 1997, 21: 2105-2106. 6 Y Wang, E F Marques. J. Phys. Chem. B, 2006, 110: 1151-1157. 7 X Chen, J Wang, N Shen et al. Langmuir, 2002, 18: 6222-6228. 8 X Zhai, L Zhang, M Liu. J. Phys. Chem.

11、 B, 2004, 108: 7180-7185. 9 T Jiao, G Zhang, M Liu. J. Phys. Chem. B, 2007, 111: 3090-3097.10 L Zhong, T Jiao, M Liu. Langmuir, 2008, 24: 11677-11683.11 L Zhong, T Jiao, M Liu. J. Nanosci. Nanotech., 2009, 9: 2726-2730.3课题主要内容与基本思路，分析难点和创新点主要内容：本项目的研究内容主要分为三个部分：（1）具有不同取代功能基团的gemini两亲化合物的设计、合成与表征；（2）

12、这些gemini化合物在体相及气/液界面上的超分子组装，系统探索取代基团的尺寸、共轭体系的大小、DNA作用形成复合膜等因素对超分子组装的贡献和影响，关注其组装体的聚集行为等物化性能；（3）对于超分子组装体的表征，系统探索各种复杂因素对超分子组装的贡献和影响，关注其组装体的光谱变化及功能材料等方面的应用前景。 基本思路：本项目主要研究目标化合物在体相及气/液二维界面上的超分子组装过程，构建其超分子组装体。主要研究手段和过程包括：通过AFM、TEM、SEM等手段观察组装体的超分子纳米结构；通过各种光谱技术，比如紫外光谱、红外光谱、光电子能谱、电化学工作站、X-射线衍射光谱等研究目标分子在超分子组装

13、体中的聚集形态和排列方式，以及在外界调控过程中光谱性质的改变。通过综合分析上述研究中得到的各种基本信息，探询分子结构、组装条件等与所形成组装体纳米结构，调控过程等的内在联系，建立相关的数学理论模型。难点和创新点难点：探索在不同条件下（修饰基团的改变，与DNA作用等）组装体性质变化的规律和机制，揭示分子结构特征、组装体的结构特征、组装体的功能之间的内在规律。创新点： 1. 设计合成含有功能基团的gemini两亲化合物，通过多种影响因素（分子结构、功能基团修饰、亚相、光辐射等）的改变，来调节超分子聚集体的性质。2. 建立分子结构与有序分子聚集体性质之间联系的数学模型。可行性分析：1从化合物合成的角

14、度上来看，本项目所设计合成的目标化合物的制备反应路线相对简单易行，并且大部分前体可以直接购买得到，所以本项目所设计的目标化合物比较容易获得，这也为课题的顺利开展奠定了一定的物质和材料基础2依托单位燕山大学具备紫外-可见光谱仪、红外光谱仪、电化学工作站、扫描、透射显微镜等表征超分子组装体的常规设备。此外，指导教师与中国科学院化学所胶体、界面与化学热力学重点实验室建立有紧密的合作关系，经常进行学术交流，可以得到及时的指导和帮助，同时可利用其有关大型仪器设备表征组装体的各种化学性质。这些工作条件为本项目的顺利展开奠定了良好的软、硬件基础。3. 指导老师焦老师熟悉掌握超分子组装以及表征测试方面的基础理

15、论和研究方法，并对本学科领域的学术前沿及其发展趋势有一定的把握，为本研究项目的顺利开展奠定了理论基础以及前期工作基础。 4. 项目组负责人及成员为环境与化学工程学院应用化学专业的本科生，关系融洽，具有良好愉快的合作关系，是一个知识结构合理、创新意识强、团结协作且分工明确、朝气蓬勃的研究团队。同时项目组可以经常与指导教师及应化专业的多位教授进行学术沟通交流，得到及时的指导和帮助。 4课题预期成果a) 设计合成若干具有不同取代基团的gemini两亲化合物，探索性研究目标分子在体相及气/液二维界面上的相变行为和超分子组装过程的基本特征和机制，制备其组装体，进而探索其与DNA的超分子组装过程，用各种手

16、段研究其组装体的微/纳米结构、有序膜中调控变化过程等理化特征。在此基础上初步建立分子结构、组装条件与方式、所得到组装体的微/纳米结构、调控过程等之间的内在联系，归纳总结其中的基本规律和和科学内涵。预期发表研究论文1篇。b) 本项目的执行期间，项目组成员将与指导教师及应化专业的多位教授进行学术沟通交流，得到及时的指导和帮助。同时，对科研问题的发现、提出、思考以及解决的过程，也会将课本知识与实践经验紧密联系起来，从而达到认识-实践-再认识的良性循环，锻炼了团队成员的学习能力、创新意识以及团结协作精神，从而为今后的工作和进一步的科研深造打下了坚实的基础。 二、研究进度及具体时间安排起止日期主要研究内

17、容预期结果2009.11-2009.12查阅文献, 与指导教师交流讨论，购买相关实验试剂、药品等。选择出相关适合研究体系，自主设计完成项目具体研究方案2010.01-2010.08合成系列具有不同取代功能基团的gemini两亲化合物，研究多种外界因素对制备的有序功能组装体的调控能力。对实验数据进行分析处理，预期整理并在学术刊物上投稿研究论文1篇。2010.09-2010.10找出化合物结构、有序组装体与性质变化之间的规律，并建立相应的数学理论模型。填写结题表，撰写总结报告，参加结题答辩，预期顺利完成研究项目。三、现有条件及经费预算现有条件学校具备紫外-可见光谱仪、红外光谱仪、电化学工作站、扫描

18、、透射显微镜等表征超分子组装体的常规设备。此外，指导教师与中国科学院化学所胶体、界面与化学热力学重点实验室建立有紧密的合作关系，经常进行学术交流，可以得到及时的指导和帮助，同时可利用其有关大型仪器设备表征组装体的各种化学性质。这些为本项目的顺利展开奠定了良好的软、硬件工作条件。经费预算序号支出项目预算金额（元）测算依据1资料费100业务资料、报告、论文印刷费2调研费50相关高校、研究所学术调研等费用3实验费300测试、分析费，能源、动力费4会议费100学术会议注册费5论文发表费100版面、印刷费，邮寄、传真等费用6实验耗材和其他费用350试剂、药品购置费，运杂包装费合 计1000四、指导教师意见该项目的选题符合大学生创新性实验计划的要求。研究课题新颖，具有坚实可靠的理论和实践基础，又有明显的创新点。研究方案创新性强，设计合理，可操作性强。依托单位燕山大学具有可支撑的充足的实验条件和办公环境。项目组成员从知识层次、专业水平和项目分工上都有比较明显的优势。表中所填内容实事求是，经费预算合理。同意开题。 指导教师： 年 月 日