科学网—AMR Account|天津师范大学王魁教授课题组：十年深耕，去质子化策略驱动基于水溶性大环杯吡啶盐的功能超分子材料-材料研究述评（英文）的博文
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2026-9-28 09:30
| 个人分类: AMR Account | 系统分类: 论文交流
近日，天津师范大学王魁教授课题组的 AMR 述评文章“Supramolecular Materials Based on Methylene-Linked Water-Soluble Macrocyclic Calixpyridinium and Pillarpyridinium”在线发表。文章系统梳理了课题组近十年来在基于水溶性大环杯吡啶盐功能超分子材料领域的研究进展，构建了从多因素控制的主客体键合规律到多元功能材料应用的完整理论体系。该评述重点阐释了“去质子化策略”这一核心理念在基于水溶性大环杯吡啶盐的功能超分子材料革新上的进展，并对该类水溶性功能超分子材料的未来发展与关键挑战进行了前瞻性展望。
关键词： 水溶性大环；超分子材料；刺激响应材料；杯吡啶盐；去质子化
原文提要：“The deprotonation-driven design strategy serves as the central blueprint for our materials innovation, playing an indispensable role in elevating the overall performance of calixpyridinium-based supramolecular materials.”
尽管将超分子材料引入水相环境对于其在生物和环境领域的应用至关重要，但设计兼具易合成、固有水溶性及可视化动态响应性的大环主体仍是一项艰巨的挑战。由联吡啶阳离子或π电子共轭基团连接的吡啶阳离子构筑的水溶性大环是极具代表性的主体分子。然而，作为该领域的开创性分子，“蓝盒子（Blue Box）”的主要局限在于其在碱性介质中易发生不可逆的骨架分解，严重限制了其应用范围。为了突破这一局限，在过去十年中，一类独特的非π电子共轭亚甲基连接的吡啶阳离子大环——杯吡啶盐（Calixpyridinium）和柱吡啶盐（Pillarpyridinium）受到了广泛而系统的探索。这两种固有水溶性大环均可通过简单的一步合成获得。更重要的是，杯吡啶盐对碱性条件表现出优异的可视化响应性，且不会发生骨架分解。
本述评主要系统回顾了我们课题组近十年来将简单的杯吡啶盐构筑基元转化为复杂且具备多重刺激响应性的功能超分子材料的历程。我们首先阐明了主客体键合的基础规律。除了客体的几何构型、电荷数和尺寸等常规因素外，我们重点揭示了一项额外发现：客体的π电子共轭程度也是影响主客体键合的关键因素。这一发现极大地拓宽了设计基于杯吡啶盐超分子材料的客体选择范围。
尽管这些非共价主客体相互作用促成了多种超分子组装体的构建，但我们研究中的核心突破在于发现了一种独特的非破坏性结构转化：在碱性条件或254 nm紫外光照射下，杯吡啶盐的酸性亚甲基会发生特异性的去质子化。这一去质子化过程引发了一系列显著的性质演变。具体包括：（1）生成的碳负离子与相邻的吡啶阳离子发生共轭，形成不饱和双键，这不仅增强了骨架的光活性，还促进了超分子组装形貌的动态调控。（2）去质子化后的骨架能够作为动态质子受体，使其成为构建远离平衡态的仿生耗散途径的绝佳构筑基元。（3）去质子化导致的正电荷减少削弱了主体对阴离子客体的亲和力，利用这一特性可开发用于按需释放的智能纳米载体。（4）大环从无色、无荧光状态向高度π电子共轭、色彩鲜明且具荧光发射状态的转变，提供了双重视觉信号，从而促进了可视化超分子传感器和智能光学材料的构建。
通过巧妙的利用这些特性，我们大幅提升了基于杯吡啶盐的功能超分子材料的性能。这种独特的去质子化驱动设计策略，构成了我们材料革新的核心蓝图。我们期望本文所概述的原理与策略，能为致力于利用简单分子组装基元开发先进功能材料的研究人员提供极具价值的启发。
02
AMR ：您选择该领域的初心是？
作者团队：
我们选择基于水溶性大环杯吡啶盐功能超分子材料领域的初心，源于对传统水溶性大环应用瓶颈的深刻洞察。传统的大环分子往往依赖繁杂的亲水性修饰才具有水溶性，而部分固有水溶性大环骨架在特定条件刺激下又极易发生不可逆的骨架分解。因此，我们一直致力于寻找一种兼具合成简便性、固有水溶性以及可视化刺激响应性的大环主体作为构筑功能超分子材料的理想建筑块。杯吡啶盐完美契合了这一设想。
中国有句古话：“十年磨一剑”。过去十年间，我们团队始终保持着对这一大环主体的热爱与专注。我们希望通过这十年的系统探索，为化学、材料、生物医药、农业等学科的研究者们提供一种强大且通用的功能超分子材料组装基元。
03
AMR ：请和大家分享一下这个领域可能
会出现的研究机会！
作者团队：
尽管该领域已取得长足进展，但仍有诸多激动人心的研究机遇亟待探索。展望未来，我们认为以下三个方向蕴含着重要的研究潜力：
1、大环结构的拓展与功能化修饰：现有大环分子库仍具广阔的拓展空间。未来可以通过在起始原料的特定位置引入多样化官能团，或利用不同尺寸和形状的模板阴离子来引导多样化的环化过程。此外，还可以采用选择性加氢等合成后修饰策略调节骨架的构象柔性。这些结构层面的拓展将助力大环包结更加广泛的客体，从而解锁更丰富的拓扑结构与材料功能应用。
2、探索更加全面的控制主客体键合的因素：在已阐明的几何构型、电荷数、π电子共轭程度及尺寸等影响因素的基础上，未来需进一步探究离子效应、手性效应、疏水效应和溶剂效应等多重因素对主客体键合的影响，这将为功能超分子材料的“超精准”设计提供坚实的理论支持。
3、推进功能材料的实际应用与器件集成：亟需推动功能材料从实验室研究迈向现实应用。在生物医学领域，需开展严格的体内评估（如长期生物相容性、代谢清除途径以及系统毒性）。在传感与智能光学材料领域，研究重点应放在工程化与器件集成上。例如，将这些可视化传感器与智能手机图像分析、便携式光谱仪结合，或将这些刺激响应性超分子组装体嵌入便携式微流控芯片和柔性可穿戴设备中，以实现精准的现场即时应用。
总而言之，对水溶性杯吡啶盐大环的持续探索，无疑将催生材料科学领域的突破性创新。特别是未来在人工智能与机器学习的推动下，将为加速大环分子的理性设计、解码深层键合规律并高效优化目标应用提供不可估量的机遇。
作者团队简介
王魁 ，天津师范大学化学学院教授。主持国家自然科学基金和天津市自然科学基金等国家和省部级科研项目，入选天津市“131”创新型人才培养工程。主要从事基于水溶性大环的功能超分子化学和材料的研究。建立了去质子化驱动基于水溶性大环杯吡啶盐的功能超分子材料革新的策略。在 JACS 、 ACS Nano 等高水平期刊上发表论文70余篇，申请专利10余项，参编国际著作1部。
李响 ，天津师范大学化学学院硕士研究生，师从王魁教授。2025年于天津师范大学化学学院取得理学学士学位，目前研究方向主要为基于杯吡啶盐的功能超分子材料的设计与应用。
李彦熹 ，天津师范大学化学学院本科生。2023年进入天津师范大学化学学院学习，目前在王魁教授课题组从事基于杯吡啶盐的功能超分子材料的设计与应用研究。
扫码阅读王魁教授团队的精彩Account文章：
Supramolecular Materials Based on Methylene-Linked Water-Soluble Macrocyclic Calixpyridinium and Pillarpyridinium
Kui Wang* ; Xiang Li; Yan-Xi Li
原文链接：
https://doi.org/10.1021/accountsmr.6c00204
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