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，由于其高動力學(xué)生長特性，其形態(tài)、大小和取向難以控制。作者報道了一種從平面手性雙層分子中實(shí)現(xiàn)微米級骨架單晶同步、單軸和逐步生長的方法。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。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，而且具有幾何對稱和整個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，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力學(xué)條件下發(fā)展?？刂乒羌軉尉У纳L動力學(xué)是一項更加困難的任務(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，骨架晶體的動力學(xué)生長的精細(xì)調(diào)制是否可行。
作者報道了在幾十秒內(nèi)以同步、單軸和逐步的方式生長的骨架單晶(圖1A和圖1B)。骨架晶體是由一個S平面-手性芳香分子[2.2]附加四個(甲氧基苯基)乙炔基臂[(S)-CP4]，以及它的對映體[(R)-CP4]生長而來的(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，顆粒形成了一個容器狀的凹形態(tài)(圖1D)。容器基部形成六邊形板，平均邊長0.8 μm，平均邊高0.3 μm。平面?zhèn)缺谙蛲馍L，在相對于基底的二面角為60o的六角形底板上呈六角形對稱，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)出六邊形對稱圖案(圖1E)。同時，成功地解析了單個微管的晶體結(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高度對稱的方式排列。在單晶胞中，六個對稱等效的(S)-CP4分子堆疊在一起，沿晶體六倍螺旋軸逆時針旋轉(zhuǎn)60圈(圖1F)。與螺旋軸正交，(S)-CP4分子形成一個單分子厚的雙層芳香片，所有六個芳香環(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，顯示了一個空間基團(tuán)為P61的鏡像分子排列。
晶體結(jié)構(gòu)，以及同時索引的晶體晶面，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射線衍射圖中觀測到的單峰清楚地表明基底上的容器形單晶是單軸生長的。
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。為了解決生長動力學(xué)問題，利用FM對生長顆粒進(jìn)行了原位可視化。過飽和乙醇溶液澆注后t = 0秒時，整個區(qū)域內(nèi)均能觀測到溶解在乙醇中的(S)-CP4的藍(lán)色發(fā)射。在t = 2.0秒時，六邊形板開始成核(圖2C)，然后繼續(xù)生長，直到t = 12秒(圖2D)。在t = 12秒時，溶解在乙醇乙酸中的(S)-CP4幾乎被消耗殆盡，生長停止(圖2E)。dhic_av的統(tǒng)計分析表明，σ (< 0.32 μm)和多分散性指數(shù)(PDI，< 0.02)的顆粒尺寸在整個生長過程中保持相當(dāng)小(圖2B)。
在生長過程中，作者通過旋轉(zhuǎn)涂機(jī)去除母溶劑，觀測生長顆粒的形態(tài)。生長顆粒的掃描電鏡圖像顯示，在一個薄的六角形板上有尖尖的六角形邊緣。因此，作者推測微管生長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，晶體生長在偽熱力學(xué)條件下，產(chǎn)生了一個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，這改變了晶體生長的制度，以邊緣生長。由于高動力學(xué)邊緣生長對溶解(S)-CP4的消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于冷卻引起的過飽和度的增加，在一定時間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)樾∶嫔L，生長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。
晶體生長狀態(tài)的轉(zhuǎn)變得到了原位FM觀測的進(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，最后隨著晶體的長大而變暗，這代表焦平面(S)-CP4濃度的下降。因此，在晶體生長過程中，(S)-CP4的濃度在乙醇溶液中被評估。初始濃度由于乙醇的蒸發(fā)而增加，在t = 0.88秒時達(dá)到峰值，此時發(fā)生成核。此后，隨著六邊形板的生長，濃度的下降速度相對較慢。在t = 2.8秒時，濃度發(fā)生快速下降的轉(zhuǎn)變，這是由于晶體生長模式從體生長到邊緣和小面生長的變化(圖1A)。
圖2
這一發(fā)現(xiàn)非常有用，因?yàn)閺倪吘壣L到小面生長的轉(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，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到邊緣生長和體相生長的生長狀態(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。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)的晶體生長至少可以重復(fù)五次，以產(chǎn)生五層的容器形微晶體。同時，單晶結(jié)構(gòu)分析證明，微容器的單晶性保持完整，沒有晶格錯配。通過FM觀測到的微血管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)生長過程中，生長速度也是同步的。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，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，連續(xù)生長是無效的，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，這樣一個站立的容器可以用作一個微小的容器，容納少量的液體。作為一個概念的證明，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)計上也是可行的[圖4D，(i)-(vi)]。觀測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，溫度和濃度的時間過程分布保持均勻，導(dǎo)致同步增長速度和制度。當(dāng)某一晶面優(yōu)先位于基底上時，可同時實(shí)現(xiàn)單軸性。這與懸浮系統(tǒng)形成了鮮明的對比，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，在晶體生長過程中可能會發(fā)生長時間的成核，從而破壞同步生長。
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)，該分子在一個苯環(huán)上有四個(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)面向下面對基底，展示了上述策略第一部分的一般性。其次，抑制長時間成核也很重要，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(甲氧基苯基)乙基臂和4 – x個苯乙基臂。(S)-CP3在澆注過程中形成具有C6對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)時間(20秒)遠(yuǎn)長于(S)-CP4的成核時間(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。晶體生長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。
