若干功能体系的定向设计与构筑

项目名称：若干功能体系的定向设计与构筑首席科学家：于吉红 吉林大学

起止年限：2011.1至2015.8

依托部门：教育部 中国科学院

二、预期目标

项目的总体目标：

本项目的研究目标是揭示若干功能体系定向设计与构筑中的一些基本规律及原理，进一步发展定向设计与构筑的一些新理论、新方法、新路线。在此基础上，解决功能体系定向设计与构筑的关键科学问题。通过项目的实施，提升我国化学学科前沿科学研究水平和国际地位，培养一批高层次的研究人才，形成在国际上有重要影响的研究群体和基地，为促进化学以及信息、环境、能源、材料、农业及生命等领域的迅速发展提供相关科学基础。

五年预期目标:

I．揭示功能体定向设计与构筑的一些基本规律和原理：

（1）分子在表界面的自组装规律和基本原理

（2）表界面结构与电子性质的构效基本规律

（3）多孔结构选择性构筑及合成反应规律

（4）金属价态、基元构型、边臂协助的功能作用规律

（5）共价键选择性构建规律

II．发展功能体系定向设计与构筑的一些新理论、新方法、新路线：（1）功能分子表界面有序结构调控的新方法

（2）光电与催化功能体系化学调控的新方法

（3）特定孔道结构设计与定向构筑的理论方法

（4）高选择性构建共价键的理论和新方法

III．构筑一些新型功能材料：

（1）基于微纳多级有序结构光电极和新型有机光电功能材料的太阳能电池和光电传感功能材料

（2）性能优良的光电磁功能配合物材料

（3）性能优良的生物质转化催化剂

(4）具有高效催化与吸附分离功能的多孔材料

（5）具有高效催化功能的金属有机化合物材料

通过本项目的实施，形成在国际上有重要影响的研究群体和基地，培养一批高层次研究人才，其中包括5-10 名国家杰出青年基金获得者或长江特聘教授，取得诸多具有国际先进水平的标志性研究成果，发表影响因子3.0 以上的SCI 检索论文300 篇左右。

三、研究方案

学术思路：

本项目以“分子工程学”为指导思想，以若干功能体系为研究对象，探索分子自组装、表界面及能级结构的调控，多孔空间结构的设计构筑与合成规律，金属价态、基元构型、边臂协助的作用机制，化学键的可控断裂与形成等关键科学问题，揭示相关规律和原理，进一步发展功能体系定向设计与构筑的新理论、新方法、新路线，为促进化学以及信息、环境、能源、材料、农业和生命等领域的迅速发展提供相关科学基础。

技术途径：

发挥我们在单分子表面自组装研究方面的经验积累和研究特长，通过研究分子基底相互作用和分子间相互作用对于表面自组装过程的影响，建立发展利用表面自组装过程实现分子纳米结构定向构筑的方法。在此基础上，设计构筑功能分子的图案化纳米结构，并研究图案化分子聚集体的新奇物理化学性质。利用分子和纳米层次的表界面表征技术，研究功能体系中表界面物理化学过程，探索功能调控的化学基础，为设计、构筑具有新颖结构和更高性能的分子基功能体系提供基础技术支持和理论思路。

利用我们在催化及光电功能体系研制与利用高真空、低温STM 研究表界面结构与电子性质方面的优势，系统开展相关功能体系的设计、定向合成与组装研究，研究表界面结构、能级结构及局域电子态密度对分子选择性活化与能量转化过程的影响规律；利用金属及多金属胶体簇、微纳结构半导体及表面功能化碳材料，发展生物质催化转化和燃料电池催化剂；研制新型微纳多级有序结构光电极和有机光电功能材料，以此为基础发展性能优良的新型太阳能电池等光电功能体系。

在多孔催化与吸附分离体系的研究中，以我们在国际上率先建立的多孔材料合成反应数据库和结构数据库为基础，将实验合成与理论模拟相结合，开展功能导向的多孔材料结构设计与定向合成的理论研究；利用各种先进的原位表征技术（如SAXS、HRTEM、UV-Raman、NMR 等）揭示多孔功能材料晶化过程中选择性构筑及形成机制；建立功能-结构-合成之间的关系与规律；在此基础上，实现多孔功能体系的功能调控，设计构筑一批具有优异催化与吸附分离性质的多孔功能材料。

在创建光电功能配合物体系方面，基于分子工程学思想，针对功能的需求，利用量子计算化学和分子力学等方法设计合适的无机（金属）

和有机（配体）构筑单元，探索基块间识别与自组装规律，构筑具有特定光电功能的零维分子或团簇、一维链、二维层、三维骨架以及类四级结构配合物。根据能量最小原则，充分利用基块的结构构型、基块之间的共价、配位、氢键以及弱的范德华作用，调制基块间电子传递、能量转移和自旋转换等作用，认识调制体系物理化学光电功能的微观机理，改进和发展实现配合物功能体系分子设计的施工方法。

在创建活性金属有机化合物催化功能体系中，针对本方向的关键科学问题，将应用金属有机化学中相关概念和原理，如软硬酸碱性匹配原理、抓氢作用、金属阳离子-π 体系弱相互作用、金属d 轨道与π 体系共轭离域稳定化作用、次级配位环境调节等，设计合成具有特定金属构型、低氧化态以及拥有多活性位点的金属有机化合物体系，如低氧化态卡宾-3d 金属化合物、低配位碳二宾-铁系金属化合物、官能团化的金属杂环化合物、丁二烯基双金属化合物、硼杂苯-稀土化合物等，通过各种谱学手段了解其几何及电子结构，探索这些活性金属有机化合物对各类化学键的反应机制，调控金属有机化合物的反应活性及选择性，发展从活性金属有机化合物出发的有机功能分子及聚合物材料合成新方法。

在共价键形成中选择性控制、高选择性形成共价键反应的设计、功能分子构建的研究中，通过研究过渡金属催化下碳碳重键、碳杂重键、联烯的选择性断裂、形成过程，研究过渡金属催化下构建碳碳键、碳氟键的选择性，揭示催化体系中配体的配位原子，配体结构、骨架的变化与催化体系中金属中心的变化，以及底物活性的变化等因素对共价键构建中选择性的影响。利用现代分析手段，通过产物结构、反应中间体以及反应跟踪等研究反应过程，了解催化体系、底物活性等与选择性关系，并由此设计、发展若干新型选择性构建共价键的方法。

创新点与特色：

本项目以功能为导向开展定向设计与构筑研究，在分子水平上基于不同结构层次(共价键、分子结构、表界面和电子结构、金属-有机配位结构、多孔空间结构)揭示贯穿功能-结构-合成三者之间的基本规律以及原理；将理论计算模拟引入化学理论建设和科学问题研究中，为功能体系的创制提供理论基础。主要创新点如下：

（1）基于分子工程学的思想设计与调控表界面纳米结构，为研制催化与光电功能材料提供科学基础；

（2）根据多孔催化与吸附分离功能的化学基础，设计孔道结构，开发定向设计合成的新路线；