文章出處：Osamu Oki, Hiroshi Yamagishi, Yasuhiro Morisaki, Ryo Inoue, Kana Ogawa, Nanami Miki, Yasuo Norikane, Hiroyasu Sato, Yohei Yamamoto. Synchronous assembly of chiral skeletal single-crystalline microvessels. Science 2022, 377, 673-678.
摘要：骨架或凹形多面體晶體出現(xiàn)在各種合成過程和自然環(huán)境中。然而，由于其高動(dòng)力學(xué)生長(zhǎng)特性，其形態(tài)、大小和取向難以控制。作者報(bào)道了一種從平面手性雙層分子中實(shí)現(xiàn)微米級(jí)骨架單晶同步、單軸和逐步生長(zhǎng)的方法。將加熱的乙醇溶液滴注在石英基底上，分子在基底的廣闊區(qū)域內(nèi)自發(fā)地單軸和同步地組裝成站立的容器形單晶，具有小尺寸的多分散性。即使分子被消耗后，晶體邊緣仍是活躍的，并隨著連續(xù)的攝食而恢復(fù)立體選擇性生長(zhǎng)。所形成的形態(tài)可以裝進(jìn)多環(huán)芳烴微結(jié)構(gòu)，并表現(xiàn)為一個(gè)微觀容器。
凹多面體晶體，通常被稱為骨架晶體，是自然和合成普遍存在的晶體形式，具有復(fù)雜的形態(tài)，具有發(fā)達(dá)的晶體邊緣和晶面，而不是體相結(jié)構(gòu)。擴(kuò)散受限生長(zhǎng)和由此產(chǎn)生的復(fù)雜形貌是傳統(tǒng)方法控制不好的，因此在晶體工程領(lǐng)域特別感興趣。此外，正如典型的雪花和鉍所顯示的那樣，骨架單晶不僅形態(tài)復(fù)雜，而且具有幾何對(duì)稱和整個(gè)晶粒均勻的分子排列，這使它們區(qū)別于多晶、半晶和非晶固體。
生長(zhǎng)骨架單晶的晶體工程技術(shù)仍然落后于它們的熱力學(xué)同行。大多數(shù)對(duì)骨架結(jié)構(gòu)雕刻的努力都集中在在熱力學(xué)條件下添加的兩親性表面活性劑。這些化學(xué)添加劑附著在特定的晶面上，調(diào)節(jié)晶體生長(zhǎng)，產(chǎn)生尖刺和凹晶。雖然這些方法是有用的，可用的形態(tài)通常不同于那些在動(dòng)力學(xué)條件下發(fā)展?？刂乒羌軉尉У纳L(zhǎng)動(dòng)力學(xué)是一項(xiàng)更加困難的任務(wù)，因?yàn)樗鼈兊暮铣蓷l件遠(yuǎn)沒有達(dá)到平衡。因此，作者探索在沒有化學(xué)添加劑的情況下，骨架晶體的動(dòng)力學(xué)生長(zhǎng)的精細(xì)調(diào)制是否可行。
作者報(bào)道了在幾十秒內(nèi)以同步、單軸和逐步的方式生長(zhǎng)的骨架單晶(圖1A和圖1B)。骨架晶體是由一個(gè)S平面-手性芳香分子[2.2]附加四個(gè)(甲氧基苯基)乙炔基臂[(S)-CP4]，以及它的對(duì)映體[(R)-CP4]生長(zhǎng)而來的(圖1C)。將加熱的(S)-CP4溶液(0.10 mg在100 ml的乙醇中，80 oC)在室溫下輕輕澆注在清潔的非晶石英基底上，并用玻璃盤覆蓋。在澆注后，乙醇溶液立即被基底和周圍氣氛冷卻并達(dá)到過飽和，導(dǎo)致基底上形成微米級(jí)顆粒。
掃描電子顯微鏡(SEM)和熒光顯微鏡(FM)圖像顯示，顆粒形成了一個(gè)容器狀的凹形態(tài)(圖1D)。容器基部形成六邊形板，平均邊長(zhǎng)0.8 μm，平均邊高0.3 μm。平面?zhèn)缺谙蛲馍L(zhǎng)，在相對(duì)于基底的二面角為60o的六角形底板上呈六角形對(duì)稱，在刻面內(nèi)部形成六角形錐體空洞。側(cè)壁的厚度(0.5-0.6 μm)從下到上幾乎是恒定的。
用微針采集容器狀顆粒，直接對(duì)其進(jìn)行單晶X射線結(jié)構(gòu)分析。投影到倒易晶格上的衍射點(diǎn)呈現(xiàn)出六邊形對(duì)稱圖案(圖1E)。同時(shí)，成功地解析了單個(gè)微管的晶體結(jié)構(gòu)。在晶體中，盡管具有明顯的幾何復(fù)雜性，(S)-CP4分子仍以極空間群P65高度對(duì)稱的方式排列。在單晶胞中，六個(gè)對(duì)稱等效的(S)-CP4分子堆疊在一起，沿晶體六倍螺旋軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)60圈(圖1F)。與螺旋軸正交，(S)-CP4分子形成一個(gè)單分子厚的雙層芳香片，所有六個(gè)芳香環(huán)幾乎都平行于晶體ab面，平均傾斜角度為6.94o 2.94o。
(S)-CP4分子在雙層板內(nèi)形成互補(bǔ)的π-π和C-H···O相互作用(圖1F)。雙層板層之間通過多次C-H··π和C-H···O相互作用疊加在一起，但與直覺相反，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的π-π相互作用(圖1F)。相鄰異酰環(huán)的平面到平面的距離很短(3.045 ?)，但大部分在晶體ab平面上位移，幾乎不重疊。(R)-CP4的結(jié)構(gòu)分析也同樣完成，顯示了一個(gè)空間基團(tuán)為P61的鏡像分子排列。
晶體結(jié)構(gòu)，以及同時(shí)索引的晶體晶面，揭示了晶體表面的分子排列和微容器內(nèi)的分子相互作用(圖1F)。在容器的底部，即晶體學(xué)(001)平面(S)-CP4分子的芳香環(huán)平行于石英基底。容器的側(cè)面即晶體{102}面被(S)-CP4的甲氧基完全覆蓋，這種排列有利于促進(jìn)與乙醇的親溶劑作用。在容器的上部形成凹面而不是平面(00-1)面，使得(S)-CP4分子可以將非極性芳香環(huán)與極性乙醇分子相隱藏。
圖1
在基底表面大面積均勻生長(zhǎng)為容器形晶體，尺寸分布較窄[六方內(nèi)切圓平均直徑(dhic_av)：4.3 μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)：0.41 μm] (圖2A)。生長(zhǎng)在基底上的微晶體的粉末X射線衍射(PXRD)剖面在27.5o處(d = 3.2 ?)呈現(xiàn)出一個(gè)尖銳的、明顯的衍射峰，這歸因于(0012)平面(圖1G)。X射線衍射圖中觀測(cè)到的單峰清楚地表明基底上的容器形單晶是單軸生長(zhǎng)的。
所得晶體的單分散尺寸分布表明，微管晶體以幾乎相同的速率同步生長(zhǎng)。為了解決生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)問題，利用FM對(duì)生長(zhǎng)顆粒進(jìn)行了原位可視化。過飽和乙醇溶液澆注后t = 0秒時(shí)，整個(gè)區(qū)域內(nèi)均能觀測(cè)到溶解在乙醇中的(S)-CP4的藍(lán)色發(fā)射。在t = 2.0秒時(shí)，六邊形板開始成核(圖2C)，然后繼續(xù)生長(zhǎng)，直到t = 12秒(圖2D)。在t = 12秒時(shí)，溶解在乙醇乙酸中的(S)-CP4幾乎被消耗殆盡，生長(zhǎng)停止(圖2E)。dhic_av的統(tǒng)計(jì)分析表明，σ (< 0.32 μm)和多分散性指數(shù)(PDI，< 0.02)的顆粒尺寸在整個(gè)生長(zhǎng)過程中保持相當(dāng)小(圖2B)。
在生長(zhǎng)過程中，作者通過旋轉(zhuǎn)涂機(jī)去除母溶劑，觀測(cè)生長(zhǎng)顆粒的形態(tài)。生長(zhǎng)顆粒的掃描電鏡圖像顯示，在一個(gè)薄的六角形板上有尖尖的六角形邊緣。因此，作者推測(cè)微管生長(zhǎng)是如何在分子尺度上促進(jìn)的[圖1A和3A，(ii)]。在澆注后，溶液溫度仍然很高，晶體生長(zhǎng)在偽熱力學(xué)條件下，產(chǎn)生了一個(gè)表面平行于基底的六邊形板。在進(jìn)一步冷卻后，過飽和程度急劇增加，這改變了晶體生長(zhǎng)的制度，以邊緣生長(zhǎng)。由于高動(dòng)力學(xué)邊緣生長(zhǎng)對(duì)溶解(S)-CP4的消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于冷卻引起的過飽和度的增加，在一定時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)樾∶嫔L(zhǎng)，生長(zhǎng)速度慢到足以填滿尖刺之間的間隙，但過快到完全填滿內(nèi)部空隙。
晶體生長(zhǎng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變得到了原位FM觀測(cè)的進(jìn)一步支持(圖2C-2E)。在快照中，背景中的藍(lán)色發(fā)射物逐漸褪色，最后隨著晶體的長(zhǎng)大而變暗，這代表焦平面(S)-CP4濃度的下降。因此，在晶體生長(zhǎng)過程中，(S)-CP4的濃度在乙醇溶液中被評(píng)估。初始濃度由于乙醇的蒸發(fā)而增加，在t = 0.88秒時(shí)達(dá)到峰值，此時(shí)發(fā)生成核。此后，隨著六邊形板的生長(zhǎng)，濃度的下降速度相對(duì)較慢。在t = 2.8秒時(shí)，濃度發(fā)生快速下降的轉(zhuǎn)變，這是由于晶體生長(zhǎng)模式從體生長(zhǎng)到邊緣和小面生長(zhǎng)的變化(圖1A)。
圖2
這一發(fā)現(xiàn)非常有用，因?yàn)閺倪吘壣L(zhǎng)到小面生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變發(fā)生在實(shí)驗(yàn)可用的濃度范圍內(nèi)。相應(yīng)地，將原料乙醇溶液中的(S)-CP4初始濃度提高到2.0 mg·ml-1，并將溶液澆注在石英基底上。干燥后，基底被結(jié)晶顆粒覆蓋，呈向外方向C6對(duì)稱的花狀六足枝[圖3A，(i)]。另一方面，當(dāng)(S)-CP4溶液稀釋至0.4 mg·ml-1濃度時(shí)，所得到的晶體呈寶石狀凸多邊形形態(tài)[圖3A，(iii)]，表明通過改變初始濃度，可以全面控制小面生長(zhǎng)到邊緣生長(zhǎng)和體相生長(zhǎng)的生長(zhǎng)狀態(tài)。
傳統(tǒng)的核殼型晶體是通過組分分子的連續(xù)進(jìn)料合成的。受此技術(shù)的啟發(fā)，作者進(jìn)行了連續(xù)添加新鮮溶液，以探索容器晶體是否同樣遞增增長(zhǎng)。將(S)-CP4的第一次進(jìn)料溶液(7.0 ml，1.0 mg·ml-1)澆注到基底上15秒后，在相同的體積、濃度和溫度(80 oC)下，輕輕地加入二次進(jìn)料溶液。盡管合成晶體的外部形貌仍然是六邊形的容器形狀，具有光滑的晶面，內(nèi)部形成階梯狀晶面，dhic_av從7.0 μm增加到11 μm，表明頂部的晶體邊緣具有活性[圖3B，(i)]。這種連續(xù)的晶體生長(zhǎng)至少可以重復(fù)五次，以產(chǎn)生五層的容器形微晶體。同時(shí)，單晶結(jié)構(gòu)分析證明，微容器的單晶性保持完整，沒有晶格錯(cuò)配。通過FM觀測(cè)到的微血管dhic_av值隨著進(jìn)料的重復(fù)幾乎呈線性增加。一致地，PXRD譜線表現(xiàn)出從(0012)面得到的峰強(qiáng)度線性增加。這些結(jié)果表明，即使在連續(xù)生長(zhǎng)過程中，生長(zhǎng)速度也是同步的。作者還發(fā)現(xiàn)，通過向容器晶體中添加稀釋溶液(0.4 mg·ml-1)，可以部分填充容器內(nèi)部的空隙。
作者進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，微觀的活性邊緣可以在二次生長(zhǎng)過程中區(qū)分立體異構(gòu)體。當(dāng)(R)-CP4溶液作為(S)-CP4容器晶體的二次進(jìn)料溶液時(shí)，容器邊緣出現(xiàn)不規(guī)則的粒狀晶體[圖3B，(ii)]。當(dāng)使用(S)-CP4和(R)-CP4的外消旋混合物時(shí)，連續(xù)生長(zhǎng)是無效的，導(dǎo)致容器頂部邊緣析出不明確的固體[圖3B，(iii)]。
圖3
迄今報(bào)道的骨架和樹突晶體在形態(tài)上是不同的。然而，它們通常是多分散的大小和懸浮在溶劑中。相比之下，本文報(bào)道的容器形晶體大小均勻，固定在基底上，其打開的窗口朝上。作者設(shè)想，這樣一個(gè)站立的容器可以用作一個(gè)微小的容器，容納少量的液體。作為一個(gè)概念的證明，一小塊固體4,4-二己氧基-3-甲基噻唑苯(AZO)晶體被放置在一個(gè)容器內(nèi)。在紫外光照射下，AZO光異構(gòu)化反應(yīng)后立即液化(圖4A)。如光學(xué)和掃描電鏡圖像所示，即使在過渡到液相后，AZO仍然保持在容器內(nèi)。材料范圍成功擴(kuò)展到兩種加熱融化的聚合物顆粒[聚(9,9-雙((S)-3,7-二甲基辛基)-2,7-芴-alt-苯并噻唑)(PFBT)]和水合[摻酸紅52的聚乙烯醇(PVA)] (圖4B和4C)。
微管的生長(zhǎng)是同步和單軸的，但它們的位置在原則上似乎是隨機(jī)的。盡管如此，作者偶爾會(huì)發(fā)現(xiàn)熔融的六邊形容器，這讓人聯(lián)想到多環(huán)芳烴(PAHs)的幾何形狀。即使位置是完全隨機(jī)的，二合一和三合一在統(tǒng)計(jì)上也是可行的[圖4D，(i)-(vi)]。觀測(cè)到更大的融合多烯類物體，如四烯和己烯[圖4D，(vii)-(viii)]。作者假設(shè)基底上輕微的線性劃痕或化學(xué)異質(zhì)性有助于晶體的成核，從而形成有序的微管。
最后，作者回顧了骨架晶體的一般問題，即如何組裝具有相同大小和幾何形狀的骨架單晶。首先，結(jié)晶核應(yīng)該在整個(gè)結(jié)晶過程中固定在基底上。給定一定的面積，溫度和濃度的時(shí)間過程分布保持均勻，導(dǎo)致同步增長(zhǎng)速度和制度。當(dāng)某一晶面優(yōu)先位于基底上時(shí)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)單軸性。這與懸浮系統(tǒng)形成了鮮明的對(duì)比，懸浮系統(tǒng)中，晶體在具有一定濃度和溫度梯度的溶液中漂移。第二，分子的結(jié)晶速度應(yīng)該比蒸發(fā)和冷卻引起的再過飽和快。否則，在晶體生長(zhǎng)過程中可能會(huì)發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間的成核，從而破壞同步生長(zhǎng)。
圖4
為了驗(yàn)證這一策略，作者將相同的結(jié)晶過程應(yīng)用于單層芳香族分子(M1)，該分子在一個(gè)苯環(huán)上有四個(gè)(甲氧基苯基)乙基臂。在澆注過程中，M1以同步和單軸的方式形成晶體，以生成單峰尺寸分布的血小板晶體，其晶體(100)面向下面對(duì)基底，展示了上述策略第一部分的一般性。其次，抑制長(zhǎng)時(shí)間成核也很重要，通過(S)-CPx (x = 3、2、1)的結(jié)晶顯示，這是(S)-CP4類似物，具有x個(gè)(甲氧基苯基)乙基臂和4 – x個(gè)苯乙基臂。(S)-CP3在澆注過程中形成具有C6對(duì)稱突出邊緣的單軸定向骨架晶體。值得注意的是，(S)-CP3的成核持續(xù)時(shí)間(20秒)遠(yuǎn)長(zhǎng)于(S)-CP4的成核時(shí)間(2.0秒)，導(dǎo)致了多分散尺寸分布。
作者還發(fā)現(xiàn)，單軸性可以通過化學(xué)修飾基底表面來改變。在甲基化石英基底上，(S)-CP4結(jié)晶為容器晶體的缺面欒晶，其c軸平行于基底，同時(shí)保持尺寸均勻性。
總之，作者發(fā)現(xiàn)了由平面手性旁環(huán)素分子產(chǎn)生的骨架晶體的同步和單軸生長(zhǎng)。晶體生長(zhǎng)在基底表面的一大片區(qū)域上同步進(jìn)行。顆粒為單晶，粒徑分布均勻，表面形貌呈容器狀，面片發(fā)達(dá)，內(nèi)部呈凹形。該方法適用于具有復(fù)雜特征的芳香分子的結(jié)晶，可以在幾十秒內(nèi)產(chǎn)生。
