世界著名化学家

世界著名化学家-唐本忠

本文作者 Mengxiang

唐本忠(1957年-),中国著名化学家,高分子化学家,香港科技大学讲座教授,中国科学院院士,英国皇家化学会会士。唐本忠教授累计发表学术论文约1200篇,引用58000余次,h-指数为127,并于2014-2017年连续入选化学和材料双领域高被引用科学家。

 

经历

  • 1982年 华南理工大学高分子科学与工程系 工学学士
  • 1985年 日本京都大学高分子化学系 硕士
  • 1988年 日本京都大学高分子化学系 博士
  • 1989年 加拿大多伦多大学化学与药学系 博士后
  • 1994年7月〜(至今)历任香港科技大学化学系助理教授、副教授、教授、讲座教授

 

获奖经历

  • 2017 国家自然科学一等奖
  • 2017 何梁何利科学与技术进步奖
  • 2014 第27届夸瑞兹密国际科学奖
  • 2014 当选英国皇家化学会会士
  • 2012美国化学会高分子学术报告奖
  • 2009当选中国科学院院士。
  • 2007国家自然科学二等奖
  • 2007裘槎高级研究成就奖
  • 2007中国化学会高分子基础研究王葆仁奖
  • 2007爱思唯尔出版社冯新德聚合物奖

 

研究概要

聚集诱导发光(Aggregation-Induced Emission, AIE)

图1. ACQ和AIE对比

 

发现

传统的荧光生色团在高浓度下荧光会减弱甚至不发光,这种现象被称作“浓度猝灭”(如图1A)效应。浓度猝灭的主要原因跟聚集体的形成有关,故浓度猝灭效应通常也被叫做“聚集导致荧光猝灭(aggregation-caused quenching, ACQ)”。

2001年,唐本忠教授课题组发现了一个奇特的现象:一些噻咯分子在溶液中几乎不发光,而在聚集状态或固体薄膜下发光大大增强(如图1B)。因为此发光增强是由聚集所导致的,故形象地将此现象定义为“聚集诱导发光(aggregation-induced emission, AIE)”。

 

机理阐明

HPS(六苯基噻咯,如图1B)是一个典型的AIE荧光分子。在溶液状态下,HPS分子外围的苯环可以通过单键绕中心的噻咯自由旋转,这个过程以非辐射的形式消耗了激发态的能量,导致荧光减弱甚至不发光。在聚集状态下,HPS分子的“螺旋桨”式的构型可以防止π-π堆积,抑制荧光猝灭;同时由于空间限制,HPS分子内旋转受到了很大阻碍,这种分子内旋转受限抑制了激发态的非辐射衰变渠道,打开了辐射衰变渠道,从而使荧光增强。

因此,唐本忠课题组认为“分子内旋转受限(restriction of intramolecular rotations, RIR)”是AIE现象产生的主要原因。为了验证这个假设,他们通过改变外部环境(降低温度、增大黏度和施加压力等),或者修饰内在分子结构(利用共价键等作用锁住外围的转子),使分子内旋转不容易进行。结果显示,在这些条件下,AIE分子同样表现出荧光增强的特性,证明了分子内旋转受限的确是导致荧光增强的原因,即RIR是AIE现象产生的主要机理。

 

技术应用

化学传感器(Chemo-sensors)

唐本忠院士课题组利用AIE分子检测并定量分析二氧化碳气体。在该方法中,将HPS溶解于胺类溶剂(例如二丙胺,DPA)中,得到无荧光发射的溶液。当二氧化碳气体鼓入该溶液中时,与其中的二丙胺反应生成氨基甲酸酯的离子液体(CIL;见图2B)。离子液体的高粘度和高极性抑制了HPS中外围苯环的自由旋转。由于分子内旋转受限(RIR)过程被引发,故HPS分子开始发射荧光。当更多的二氧化碳气体鼓入到溶液中时,更多的离子液体生成,荧光强度的值因此反映了二氧化碳的含量(见图2C)。该方法为我们提供了一种廉价的可视化的二氧化碳定量分析方法,可用于诸多领域如预测火山喷发和环境中的危险信号。(J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 13951)。

图 2. 二氧化碳检测的示意图

 

生物传感器(Bio-sensors)

唐本忠院士课题组发明了一种全新概念的“点亮”式生物传感器,用于高选择性地检测水相中的D-葡萄糖。当与D-葡萄糖分子形成寡聚物时,以TPE为核心的二硼酸分子(见图3)的发光可以极大地增强,这是由于寡聚物的形成导致了TPE的芳环的分子内旋转受限。而当探针与D-果糖,D-半乳糖,D-甘露糖相混合时,几乎没有观察到荧光的增强,这是由于这些糖类不能与该荧光团形成寡聚物。(J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 660)

图 3. 基于TPE的荧光传感器对D-葡萄糖的特定检测

 

生物成像(Cell-imaging)

胺基化的噻咯衍生物74是一类非离子型的AIE荧光分子,在水相中会聚集形成纳米颗粒(见图4A)。这些纳米粒子具有良好的细胞相容性,可以通过内吞作用被细胞吸收。由于它们的AIE特性和电中性,这些荧光生色团在细胞成像时可以在高浓度情况下使用。此类纳米聚集体可以永久性地使海拉(HeLa)细胞染色,这是因为被吸收的纳米粒子很难从细胞内逃逸出来。纳米粒子在HeLa细胞中强大的滞留能力阻止了不同细胞系之间的交叉染色,也使通过荧光区分细胞成为可能(见图 4B)。这些内在化的纳米粒子可以稳定地保留在HeLa细胞内,以致于它们可以长时间的被观测到(最长达到四代),实现了可视化监测某类特殊细胞系的生长(见图 4C)

图 4. 用于长程细胞示踪的荧光生物探针

炔烃聚合物

图5. 炔烃聚合反应

唐本忠课题组致力于发展基于炔烃的新型聚合反应,并采用炔烃单体成功合成了一系列功能化的共轭炔烃聚合物

A 聚合方法研究

由于骨架上电子不饱和的重复单元之间的电子离域作用,炔烃聚合物具有π共轭的特性。这种独特的电子结构赋予了炔烃聚合物新奇的性质,而这些性质是电子饱和的烯烃聚合物以及其他缩聚难以实现。实现炔烃聚合物的这些极具吸引力的潜在性能的首要条件是发展合成这些聚合物的通用方法。唐本忠院士课题组一直以来都在探索基于炔烃的聚合反应新方法,并取得了一系列的成果。

I.  易位聚合:

以线型的多烯1为例,采用易位聚合的方法合成了一系列具有独特的电子、光子、光电以及生物特性的炔烃聚合物(图5,Route A)

II.  Glaser 偶联聚合:

采用Glaser-Hay 氧化偶联的条件,成功制备了一组可加工的超支化聚炔,这类聚合物具有非常好的应用前景和特殊性质。(图5, Route B)

III.  环三聚聚合:

采用有机碱或者有机金属化合物作为催化剂,通过炔烃的环三聚合成了超支化的聚芳烃3,该聚合物的超支化程度高达0.8。(图5, Route C)

IV.  Thiol-click 聚合:

通过过渡金属催化或者无金属催化的thio-click反应,得到了高含硫量、高折光指数、高光敏感性的聚合物4。 (图5, Route D)

V.  氯芳基化脱羰聚合:

通过铑催化的氯芳基化脱羰聚合,高效的合成了功能化的聚苯乙炔衍生物5,该反应具有非常高的区域选择性。(图5,Route E)

VI.  Azide-alkyne click聚合:

将铜催化和无金属催化的Azide-alkyne click 反应发展成为了一种高效的聚合方法,所合成的三唑聚合物可以是线性的也可以是超支化的,具有良好的加工性,同时具有非常高的位置选择性。 (图5,, Route F)

VII.  炔烃硅氢化聚合:

在铑催化下,二硅烷和二炔可以高效生成功能化的聚硅乙炔,并具有良好的区域选择性。(图5,2, Route G)

 

B.  炔烃聚合物的功能探索:

除了在聚合方法研究以外,唐本忠院士课题组还对这些聚合物的的光导电性,液晶性,发光性能,荧光传感,非线性光学,手性识别等方面做了一些相关的研究。

 

相关文献

  1. 1. Hong Y, Lam J W Y, Tang B Z. Aggregation-induced emission[J]. Chem. Soc. Rev, 2011, 40,  5361-5388. DOI: 10.1039/c1cs15113d
  2.  Hong Y, Lam J W Y, Tang B Z. Aggregation-induced emission: phenomenon, mechanism and applications[J]. Chem commun, 2009, 4332-4353. DOI: 10.1039/B904665H
  3. Liu J, Lam J W Y, Tang B Z. Acetylenic polymers: syntheses, structures, and functions[J]. Chem rev, 2009, 109, 5799-5867. DOI: 10.1021/cr900149d
  4. Häußler M, Qin A, Tang B Z. Acetylenes with multiple triple bonds: A group of versatile An-type building blocks for the construction of functional hyperbranched polymers[J]. Polymer, 2007, 48, 6181-6204. DOI: 10.1016/j.polymer.2007.08.044

封面图片

相关链接

[新闻直播间]2017年度国家自然科学一等奖 唐本忠:原创概念引领光材料发展。

 

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Peng Li

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