北理工團(tuán)隊(duì)在二硫代碳酸鹽配體保護(hù)的金簇合成方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期:2024-05-09 供稿:化學(xué)與化工學(xué)院 攝影:化學(xué)與化工學(xué)院
編輯:田柳 審核:王振華 閱讀次數(shù):近日,北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院姚燎原教授和楊國昱教授團(tuán)隊(duì)在二硫代碳酸鹽配體保護(hù)的金簇合成方面取得重要進(jìn)展,合成了具有手性D5構(gòu)型和近紅外二區(qū)(NIR-Ⅱ)磷光特性的交錯式(staggered) Au25納米棒。相關(guān)成果以“Dithiocarbonate-Protected Au25 Nanorods of Chiral D 5 Configuration and NIR-II Phosphorescence”為題發(fā)表在國際頂刊《Journal of the American Chemical Society》。北京理工大學(xué)為第一通訊單位,姚燎原教授和楊國昱教授為論文通訊作者,化學(xué)與化工學(xué)院碩士生白夢鴿為第一作者。此項(xiàng)研究得到了北京市自然科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金、北京理工大學(xué)啟動基金等項(xiàng)目的資助以及北京理工大學(xué)分析測試中心的支持,同時(shí)也感謝上海同步輻射裝置(SSRF)國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究中心(NFPS)的BL17B1線站工作人員在數(shù)據(jù)收集期間提供的幫助。
近年來,原子精確的金納米團(tuán)簇由于其豐富的構(gòu)型和在催化、發(fā)光、傳感等方面的潛在應(yīng)用,成為了比較熱門的研究課題。保護(hù)配體在金納米團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的調(diào)控和應(yīng)用方面發(fā)揮了重要的作用,在金納米團(tuán)簇的合成中,硫醇配體、膦配體是合成金納米團(tuán)簇的主流配體,使用新興的炔基配體和氮雜環(huán)卡賓配體(NHCs)穩(wěn)定的金納米團(tuán)簇進(jìn)一步證明了表面的有機(jī)配體在金團(tuán)簇的尺寸、構(gòu)型和性質(zhì)的調(diào)控等方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。在金納米團(tuán)簇的合成中,新型配體的引入不僅會豐富金團(tuán)簇的構(gòu)型,還會賦予金納米團(tuán)簇新的功能,有助于克服金團(tuán)簇研究的瓶頸。因此在金納米團(tuán)簇體系中使用創(chuàng)新型的保護(hù)配體具有非常重要的意義和挑戰(zhàn)性。
近日,該團(tuán)隊(duì)首次使用二硫代碳酸鹽(DTX)配體合成了從未報(bào)道過的兩個(gè)交錯式(staggered)構(gòu)型的Au25納米棒,[Au25(DTX)5(PPh3)10Cl2]2+ (Au25DTX-Cl)和[Au25(DTX)5(PPh3)10Br2]2+ (Au25DTX-Br)。不同于之前報(bào)道過的重疊式(eclipsed) D 5h 對稱性的Au25納米棒,DTX配體保護(hù)的Au25具有交錯式的手性 D 5 構(gòu)型,DTX配體的使用誘導(dǎo)對稱性破缺,實(shí)現(xiàn)了由非手性配體構(gòu)筑手性金納米團(tuán)簇。實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合理論計(jì)算(DFT)表明,交錯式構(gòu)型是發(fā)射波長紅移至近紅外二區(qū)(NIR-Ⅱ)的主要原因,使得該類金納米團(tuán)簇在生物成像等方面展示了巨大應(yīng)用潛力。
圖1. DTX配體合成的金簇結(jié)構(gòu)及其功能示意圖。
圖2. Au25DTX-Cl和Au25DTX-Br結(jié)構(gòu)示意圖
為了探究交錯式構(gòu)型發(fā)射紅移至NIR-Ⅱ的原因,該團(tuán)隊(duì)結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和DFT計(jì)算,發(fā)現(xiàn)NIR-II發(fā)射主要來源于三線態(tài)的團(tuán)簇中心態(tài),進(jìn)一步證實(shí)了交錯式的團(tuán)簇構(gòu)型是發(fā)射紅移的決定因素(圖3)。
圖3. Au25DTX-Cl和Au25DTX-Br UV-Vis吸收光譜,發(fā)射譜圖及DFT相關(guān)計(jì)算結(jié)果
由于反應(yīng)體系中使用的配體沒有固定的手性選擇方向,因此得到外消旋產(chǎn)物。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步使用手性的DTX配體,成功實(shí)現(xiàn)了手性配體誘導(dǎo)的手性拆分,分別得到了兩種手性對映異構(gòu)體的單晶(具有相反構(gòu)型的 P -Au25DTX-Cl 和 M -Au25DTX-Cl 納米團(tuán)簇)。單晶結(jié)構(gòu)清晰表明,在手性配體的誘導(dǎo)下,腰部的二硫配體分別為左手螺旋(M)和右手螺旋(P)方向。也就是說分子手性誘導(dǎo)了超分子手性的形成與拆分。實(shí)驗(yàn)和計(jì)算得到的圓二色譜(CD)譜圖進(jìn)一步驗(yàn)證了DTX保護(hù)的棒狀A(yù)u25的手性特性(圖4)。
圖4. P -Au25DTX-Cl and M -Au25DTX-Cl 結(jié)構(gòu)示意圖,UV-vs和CD譜圖。
圖5. 催化實(shí)驗(yàn)及陰離子交換實(shí)驗(yàn)示意圖
陰離子交換實(shí)驗(yàn)證明Au25DTX-Br相對于Au25DTX-Cl具有更好的穩(wěn)定性。為了進(jìn)一步探究該類交錯式構(gòu)型的Au25納米棒的催化性質(zhì),該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了光催化硫醚氧化和電催化產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明團(tuán)簇的催化性質(zhì)高度依賴于團(tuán)簇構(gòu)型及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性(圖5)。
本工作利用雙齒DTX配體,構(gòu)建了前所未有的手性 D 5 對稱性的交錯式構(gòu)型的Au25納米棒。在這項(xiàng)工作中,雙齒(DTX)配體的引入DTX配體的使用誘導(dǎo)對稱性破缺,實(shí)現(xiàn)了由非手性配體構(gòu)筑手性金納米團(tuán)簇。手性來源于Au25納米棒腰部的DTX配體的單向排列,并使用手性配體成功實(shí)現(xiàn)了手性拆分。近紅外二區(qū)(NIR-Ⅱ)磷光發(fā)射波長紅移至1075 nm的交錯式Au25納米棒顯示了在生物成像領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)秀前景。光催化硫醚氧化和電催化產(chǎn)氫性能與金納米團(tuán)簇的構(gòu)型和穩(wěn)定性相關(guān)。該研究為未來設(shè)計(jì)和合成結(jié)構(gòu)新穎的金納米團(tuán)簇拓寬了發(fā)展方向,有助于更好地了解金屬納米團(tuán)簇的功能化和應(yīng)用。
原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.4c02411
附作者簡介:
姚燎原,北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。2017年獲得香港大學(xué)博士學(xué)位(PhD),之后繼續(xù)在同一課題組從事博士后研究,并曾前往加州大學(xué)伯克利分校進(jìn)行學(xué)習(xí)交流,2021年入職北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院。入選國家級青年人才和北理工特立青年學(xué)者,主持北京市面上項(xiàng)目,參與國家重大研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目。專注于功能團(tuán)簇的設(shè)計(jì)與合成,從分子層面進(jìn)行設(shè)計(jì)并構(gòu)筑具特定結(jié)構(gòu)與功能的團(tuán)簇新結(jié)構(gòu);以團(tuán)簇為基本單元,進(jìn)一步構(gòu)筑團(tuán)簇基多級結(jié)構(gòu)與功能材料,實(shí)現(xiàn)自下而上(bottom-to-up)構(gòu)筑新型傳感、催化、發(fā)光材料的目標(biāo)。近年來,在 Chem, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Sci., CCS Chem, Inorg. Chem. 等國內(nèi)外著名期刊上發(fā)表研究論文30余篇。
楊國昱,博士、北京理工大學(xué)教授,原子分子簇科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任,入選國家級人才計(jì)劃;以第一完成人獲國家自然科學(xué)獎二等獎等;2014~2023年連續(xù)入選Elsevier中國高被引學(xué)者榜單(化學(xué)科學(xué)領(lǐng)域)。中國化學(xué)會晶體化學(xué)專委會主任、中國復(fù)合材料學(xué)會礦物復(fù)合材料專委會副主任;《Tungsten》雜志副主編、《無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)》《高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào)》《Chemical Research in Chinese Universities》《結(jié)構(gòu)化學(xué)》及《Fundamental Research》等期刊編委等。長期從事氧合團(tuán)簇化學(xué)研究,在氧合團(tuán)簇的設(shè)計(jì)合成、組裝及性能等方面取得了系列成果,在Chem. Rev. 、Chem. Soc. Rev. 、Acc. Chem. Res. 、Coord. Chem. Rev. 、Angew. Chem. Int. Ed. 及J. Am. Chem. Soc.等期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文540余篇、獲國家授權(quán)發(fā)明專利9項(xiàng)、主編《氧基簇合物化學(xué)》專著1部、撰寫專章多篇。主持國家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金重大研究專項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目及面上項(xiàng)目等。
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