南开化学百年贡献：大环超分子体系的分子识别与组装研究

超分子化学主要研究以非共价键弱相互作用力形成的超分子体系的分子识别和分子组装，处于化学、物理和生物等学科前沿。分子识别是主体（受体）对客体（或底物）的选择性结合，是分子组装及组装体功能的基础，是超分子化学的核心概念。分子识别可分为对离子客体的识别和对分子客体的识别。对超分子体系分子识别的研究，可以使我们从分子水平上去理解特殊的酶-底物相互作用等一些生命过程。基于分子识别而产生的分子或超分子器件，不仅在生命科学中具有重要的理论意义和应用价值，而且开拓了超分子化学在信息科学、材料科学等领域的广阔应用前景。另外，超分子自组装技术建立在人们对分子识别认识的基础上，运用各种有机、无机或生物小分子组分作为基本建筑块，通过适当的分子间相互作用，可以将多个小分子组分构筑成高度组织和结构化的纳米超分子体系。而以冠醚、环糊精、杯芳烃、葫芦脲等合成受体为基体构筑的超分子体系，虽然已显示了一些令人鼓舞的可与天然体系相媲美的功能，有的已在生命、材料、信息等领域展示了重要的应用前景，但总体看来尚处于发展阶段，任重而道远。因此，新的分子识别和自组装基元的设计一直是超分子化学研究的中心内容。根据国内外超分子化学的发展趋势，基于分子识别的超分子组装及其驱动力是目前亟待解决的科学问题。如构筑新的超分子识别体系，通过引入功能修饰基、靶向单元或刺激响应基团将组装基元进行功能化，通过创新设计思路建立新的自组装方法，从而建立新型的超分子自组装体系，特别是通过分子识别来达到结构可控的分子组装体构筑，实现超分子组装体系的高效传感、靶向传递、人工通道等功能，实现对组装基元功能的组合和放大。通过对组装机理和控制因素的研究，阐明多种分子间非共价相互作用的协同效果对分子组装的贡献，为超分子体系的功能化研究打开新的突破口，从而推动超分子化学和材料化学及化学生物学的交叉结合，为超分子技术在材料、生物和医药领域的应用建立新的原理和方法，从而推动超分子化学的进一步发展。

刘育，教授，1954年生于内蒙古呼和浩特，1977年毕业于中国科学技术大学，1991年获日本姬路工业大学博士学位，同年回国后在中国科学院兰州化学物理研究所从事博士后研究工作。1993年进入南开大学任教授，1994年教育部跨世纪人才，1996年获国家杰出青年科学基金资助，2000年教育部“长江学者奖励计划”特聘教授，并入选人事部“百千万人才工程”，2003年获宝钢优秀教师特等奖，2006年和2011年两次任国家重大研究计划项目首席科学家。

1987年和2016年，超分子化学家两次获得Nobel化学奖，标志着超分子化学已成为化学科学中最重要的研究领域之一。作为分子以上层次的化学，超分子化学已远远超越了原来的主—客体化学的范畴，并由分子识别逐渐向高级有序的复杂结构构筑发展。经过30多年的快速发展，超分子化学已经与生命、信息、材料等学科的发展相互交叉渗透，成为20世纪末发展最快的学科之一，也是21世纪化学科学知识创新的一个重要生长点。在主-客体化学和超分子化学所涉及的众多体系中，具有环状结构的超分子体系一直受到超分子化学家的重视，主要原因是其环状结构能够汇聚多个非共价键相互作用力位点，通过结合位点的预组织特征，能够实现分子间结合的高稳定性和选择性。近年来，大环超分子体系在许多领域展现出新的用途，其中在材料、生物和药物研究中的发展尤为引人注目。

分子识别在化学过程中的作用犹如酶的专一性在生命过程的作用一样重要。通过分子识别实现的高选择性可以解决生命科学、材料科学和分离科学等重要领域中的许多关键问题。刘育教授测定了4000多个超分子体系的热力学参数，阐述了识别机理、驱动力以及热力学起源，发现各识别位点的协同贡献——分子多重识别是控制分子识别过程的核心。团队从环糊精出发，合成了20多类共300多个分子受体，系统深入地研究了其分子识别行为。提出环糊精的分子识别主要取决于尺寸适合和外部增加的键合位点的协同贡献——分子多重识别。其中有机硒修饰环糊精分子识别的创新性成果被评价为“有机硒修饰环糊精在超分子化学领域正在成为一个引人注目的研究方向，其分子识别的研究导致了含硒人工酶的发展”。进而发展了一类新兴的高性能分子受体——桥式环糊精，显示出类似于生物体系的多点识别行为，开创了由简单分子获得复杂体系功能的新途径。由于在这一领域的突出贡献，刘育被邀请在Acc.Chem.Res.上发文介绍桥联环糊精的研究工作和撰写美国出版的《超分子化学百科全书》中“诱导契合”一章。(www.xing528.com)

分子组装是超分子化学的核心目标，是使简单体系获得优异功能的最有效的途径之一。刘育通过设计合成的具有结构特色的组装基元，构筑了多个系列纳米尺度的有序高级结构，揭示了超分子体系分子组装的调控因素，从而阐明了合成受体如何通过非共价键的协同效应组装成稳定的有序高级结构，开创了以简单分子构筑功能纳米体系的一些新方法，而且该类组装体在生命科学和材料科学诸多领域具有重要的应用前景。例如，以含芳香功能基的环糊精为单元，利用高分子穿插的超分子组装方法构筑了一维纳米线，并将环糊精修饰壳聚糖缠绕在碳纳米管表面，均显示出较强的DNA凝聚能力。工作被国内外同行评价为“概念性的原始创新方法”和“基因表达和传递中的灵敏DNA分析工具”，并被Nature Asia作为基因传递的亮点加以重点介绍；利用大环主体的分子识别行为，将自组装策略和高效的合成方法相结合，成功地应用于结构新颖的双子索烃和双轴杂轮烷的合成，这些工作被国外同行在Chem.Rev.等综述中重点介绍。进而，创新性地构筑了可双重控制的准轮烷光控稀土开关。该工作不仅为多级驱动的分子机器和逻辑门提供了一种新的方法，而且在智能材料、光学存储器件和光电子学等方面具有潜在的应用前景。该研究成果被选为JACS的封面论文和Image Challenge，同时还作了JACS Spotlight的专题介绍，并被国外同行在Chem.Rev.等综述中重点介绍。

刘育团队在大环超分子体系的分子识别与组装研究方面做了大量的工作，研究成果已在国内外核心刊物发表论文500多篇，科学引文他人引用15000多次，主编专著4部。项目在1998年获教育部科技进步二等奖，2002年获教育部提名国家科学技术奖自然科学奖二等奖，2000年、2005年和2015年三次获天津市自然科学奖一等奖，2010年获国家自然科学奖二等奖。