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新书访谈 | 专访大型参考书《大环超分子组装》主编刘育教授
2021-01-05  

来源:Springer

01  作者介绍


刘育 教授   南开大学


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。作为首席科学家主持了2006年和2010年两项以超分子组装体为主旨的973重大研究计划。自2004年担任多个国际学术组织的顾问委员会成员,并作为第一完成人于2010年获得了国家自然科学奖二等奖和3次天津市自然科学一等奖。多年来一直从事超分子化学和纳米超分子化学方面的研究方面,研究成果已在国内外核心刊物发表论文550多篇,科学引文他人引用15000多次,主编专著3部,参编专著7部。曾任二届国务院学位委员会学科评议组成员,现任《中国化学快报》副主编,AJOC等7种杂志编委。



陈湧 教授   南开大学

陈湧教授,1972年出生, 2001年于南开大学获博士学位。2001-2002年,中国科学院化学研究所任助理研究员。2002-2003年,法国巴黎高等师范学校博士后。2003年进入南开大学化学学院任副教授,教授。主要从事功能基修饰环糊精的分子识别与分子组装研究,研究成果已在国内外核心刊物发表SCI论文100多篇,入选教育部新世纪优秀人才计划,天津市131人才工程。获国家自然科学二等奖、天津市自然科学一等奖、二等奖等奖励。


张衡益 教授   南开大学

张衡益教授,1965年出生,安徽无为人,1994年毕业于冶金工业部鞍山热能研究院,获工学硕士学位,2000年毕业于南开大学,获理学博士学位,同年留校任教。2001年晋升为副教授,2006年晋升为教授。一直从事超分子化学方面的研究工作,已在国内外核心刊物上发表论文130多篇,参与编写《超分子化学——合成受体的分子识别与组装》和《纳米超分子化学——从合成受体到功能组装体》等专著4部。2005年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”。作为主要完成人获1次国家自然科学奖二等奖、2次天津市自然科学一等奖和1次二等奖、1次教育部提名国家科学技术奖自然科学奖二等奖。


02

关于本书


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大型参考书Handbook of Macrocyclic Supramolecular Assembly由南开大学化学学院刘育、陈湧、张衡益三位教授主编。该书旨在为教育工作者、科学家、研究生和本科生提供了一套相对完善的参考资料深入了解大环超分子化学,并向读者介绍大环超分子化学领域近些年的科研成果,亦希望以此书献礼南开大学百年诞辰和南开化学学科创建100周年。

该书分为两卷59章,1719页,55万余字,由国内外130余位学者参与。全书系统介绍了大环超分子组装的构建和结构(构建模块、构建方法、结构特征、刺激响应控制),超分子组装方法和技术(可控合成、分子识别、光谱和热力学研究、超分子界面组装、正交自组装、超分子有机框架、分子诱导聚集、理论计算和分子模拟)和超分子组装的应用(化学和生物传感、治疗工具、分子/离子通道、药物/基因传递、超分子辅助生物分子合成、超分子辅助跨膜转运,超分子辅助免疫调节、超分子药物等)等内容,其中涵盖了以大环为基础的超分子化学、生物化学、功能材料和纳米技术。

开放章节 Water-Soluble Aromatic Crown Ethers


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03、作者专访

Q:您可以讲述一下,您当初为什么选择了大环超分子化学这个研究领域并一直坚持了这么多年?

在那个特殊的年代,我初中刚毕业,就响应毛主席的号召,来到靠近小兴安岭的内蒙古锡林郭勒盟西乌旗宝日格斯台牧场,加入生产建设兵团,当了一名“牧马人”。1972年5月,牧场发生大火,我因救火受了重伤,左手留下比较严重的伤痕。后来我没有去北京接受治疗,也没有申请国家残疾证书。1974年,经过考核和推荐上了中国科学技术大学。1977年毕业后到中国科学院兰州化学物理研究所工作,从事有机化学方面的研究工作。1986年,我接到日本姬路工业大学的邀请,到那里攻读博士学位,学习大环化学。1987年诺贝尔化学奖颁奖以后不久,第十二届大环化学国际研讨会在日本广岛召开,我作为学生参加了这次盛会。当时,我对大环化学刚入门,而对超分子化学一窍不通,然而我认定这是一门潜力巨大、前途无量的新兴前沿学科,于是下定决心选择大环超分子化学这个研究领域。

1991年2月我获得日本姬路工业大学应用化学系工学博士学位,同年回国在中国科学院兰州化学物理研究所博士后流动站从事研究工作。1992年底博士后出站,次年来到南开大学化学系进入陈荣悌院士的课题组,并从那时开始独立从事大环超分子化学的研究一直到现在,也算得上“不忘初心”了。在将近30年的研究工作中,我们发现以分子组装为核心的大环超分子化学可以从根本上解决国民经济和科技发展的许多重要领域中对新材料不断小型化和高性能的重大需求。随着国民经济和科学技术的迅速发展,我国经济、社会、国家安全和科学技术自身发展的许多领域都对材料提出了小型化的要求,而传统技术一般采用的“从大到小”的方法已经越来越难以满足这一需求。兼具“从上到下”和“从小到大”两种方法优点的分子组装技术则可以从根本上解决这一难题。分子组装技术建立在分子识别的基础上,通过分子间弱相互作用,构筑高度组织和结构化的新型材料。另一方面,使用分子组装技术构筑功能组装体,可以将各个构筑单元的功能进行有效的组合和放大。从结构新颖的构筑单元出发构筑的组装体有望具备特殊功能,并且通过对组装方法的微调,可以实现对组装体的结构、尺寸、形貌有效的控制,从而解决国民经济和科技发展中对材料高性能的需求。可以说,对大环超分子化学的浓厚兴趣和解决国家需求的强烈愿望是我一直坚持从事大环超分子化学研究的主要动力。同时,这些年我先后承担了几十个科研项目,培养了150多名研究生,也在科研上取得了一点成绩。每一个项目完成、每一点科研成果的获得、每一名学生的顺利毕业,都让我更有信心和勇气在大环超分子化学研究领域继续前行。


2、近些年,大环超分子化学领域取得了很多显著的研究成果。目前,国内外的研究现状如何?

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,成为二十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。超分子化学主要研究分子识别现象、分子间相互作用的过程与规律,分子聚集体的形成、结构及功能等。分子识别是超分子化学的基础。长期以来,超分子化学家致力于发展不同的大环主体分子,研究它们对不同客体的键合行为,以揭示控制选择性识别的非共价键作用力的本质与规律。超分子化学的核心是分子组装,即构筑单元自发地形成有序结构的过程。分子组装体是高度组织、高级有序、结构化、功能化和信息化的复杂系统。通过分子组装形成的新物质的优势在于它既兼具了组装体中各个结构单元的优点,但又不是各单元性能的简单叠加,使得科学家能够在分子水平上创建新物质,从而促进信息、能源、材料、环境、医疗卫生和生物等领域的技术革命。分子组装的实现依赖于分子间的非共价相互作用,包括氢键、范德华力、疏水相互作用等。这些非共价相互作用往往呈现加合性与协同性,并具有一定的方向性和选择性,其总的结合力不亚于化学键,因此分子组装构筑的新物质具有很高的稳定性。另一方面,组装体在特定条件下可以解离为最初的结构单元,这就使得分子组装构筑的新物质具有可拆卸、易降解、对环境危害低的特点。自1998年以来,《Chem. Rev.》、《Structure & Bonding》、《Science》、《PNAS》、《Angew. Chem.》、《Chem. Soc. Rev.》、《Acc. Chem. Res.》等杂志相继出版了关于超分子化学的专刊。《Science》杂志在“21世纪的科学问题专辑”中以“我们能推动自组装走多远(How Far Can We Push Chemical Self Assembly)”为题将自组装列为21世纪的重要科学问题之一。

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。国际上一些著名超分子化学研究组已经开展了具有环状结构的功能化的超分子体系方面的研究工作,取得了重要的研究进展。

我国大环化学和超分子化学的研究起步于上世纪20世纪80年代,经过几代科学工作者30多年的努力,我国超分子化学研究在经历了最初的模仿和跟踪后,目前已发展到了自我创新的阶段。国内的许多科研组在基于大环分子的分子识别与组装研究方面取得了许多在国内外有重要影响的工作,受到国内外同行的广泛关注。基于国内化学工作者在超分子化学,尤其是大环超分子体系的分子识别与组装方面取得的可喜成果,自1981年以来先后召开了19届全国大环化学会议和11届全国超分子化学会议。香山国际学术会议也5次将会议主题定为超分子体系分子组装的研究。亚太环糊精会议、国际环糊精会议、国际杯芳烃会议、国际葫芦脲会议、国际大环和超分子化学会议等超分子和大环化学领域最重要的系列性国际会议也先后在我国召开。这些都说明我国超分子化学研究已具有深厚的研究基础和有力的研究群体,并在国际上取得了举足轻重的地位,完全有可能在这一研究领域取得重大突破。


Q:以大环超分子组装为基础,可以延伸到超分子化学、生物化学、功能材料和纳米技术等众多领域, 您认为它未来可能面对的发展机遇和挑战是什么?

尽管过去30多年里,超分子化学已经取得了巨大的进展,但还有很多重要的科学问题需要进一步阐明,如弱相互作用的协同机制和协同效率,复杂多层次结构组装的选择性等都是亟待解决的重要科学问题。而分子识别基元和模块的构筑,一直是解决超分子化学中这些重要问题的基础。例如,对冠醚、环糊精、杯芳烃、葫芦脲、柱芳烃等基元结构的研究,不断产生的新的领域前沿等,从而持续地对超分子化学的发展起到了极大的推动作用。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奠定建立新的原理和方法,从而推动超分子化学的进一步发展。


Q:您为什么计划编著并出版这本大型参考书呢?希望这本书能对从事这个研究领域的同行们有什么帮助?

在超分子化学的发展过程当中,基于大环化合物的超分子组装尤为瞩目,原因在于这些大环化合物不仅能够具备良好的分子识别能力,而且可以作为一个便捷的结构单元用来构筑纳米生物功能材料特别是生物活性材料。回首往昔,众多的科研工作者为大环超分子化学的发展付出了巨大的努力并奠定了坚实基础。值得庆幸的是,此领域中年轻一代的科研工作者已经逐渐成长起来且初露锋芒,并取得卓越的成绩。在南开大学百年校庆和南开化学百年之际,我们计划编著并出版这本大型参考书。本书内容涵盖大环超分子组装的构建和结构(构建模块、构建方法、结构特征、刺激响应控制),超分子组装方法和技术(可控合成、分子识别、光谱和热力学研究、超分子界面组装、正交自组装、超分子有机框架、分子诱导聚集、理论计算和分子模拟)和超分子组装的应用(化学和生物传感、治疗工具、分子/离子通道、药物/基因传递、超分子辅助生物分子合成、超分子辅助跨膜转运,超分子辅助免疫调节、超分子药物等)方面的内容。希望能为教育工作者,科学家,研究生和本科生提供了一套相对完善的大环超分子化学参考资料以及向读者介绍大环超分子化学领域近些年的科研成果,尤其是更好地向世界展示中国青年超分子化学工作者的研究工作,也希望能够帮助其他领域的科研工作者加深对大环超分子化学的理解,


Q:在您与来自Springer的编辑们从策划、组织、撰写、审稿、修改、校稿到出版的一系列流程中,您最大的感受是什么?            

我对Springer的编辑队伍最大的感受就是“专业和敬业”。在本书的编写过程中,Springer的编辑队伍,尤其是Ms. Haiqin Dong, Ms. Lijuan Wang和Mr. Stephen Yeung付出了极大的努力,从筹备、组稿、投稿、评审、校对到出版的各个环节,他们都为作者提供了详细而周到的技术支持。对于作者提出的问题,他们总是能及时而准确的答复。可以说这次与Springer的编辑队伍的合作是一次非常令人愉悦的经历。


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