文章出处：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：骨架或凹形多面体晶体出现在各种合成过程和自然环境中。然而，由于其高动力学生长特性，其形态、大小和取向难以控制。作者报道了一种从平面手性双层分子中实现微米级骨架单晶同步、单轴和逐步生长的方法。将加热的乙醇溶液滴注在石英基底上，分子在基底的广阔区域内自发地单轴和同步地组装成站立的容器形单晶，具有小尺寸的多分散性。即使分子被消耗后，晶体边缘仍是活跃的，并随着连续的摄食而恢复立体选择性生长。所形成的形态可以装进多环芳烃微结构，并表现为一个微观容器。
凹多面体晶体，通常被称为骨架晶体，是自然和合成普遍存在的晶体形式，具有复杂的形态，具有发达的晶体边缘和晶面，而不是体相结构。扩散受限生长和由此产生的复杂形貌是传统方法控制不好的，因此在晶体工程领域特别感兴趣。此外，正如典型的雪花和铋所显示的那样，骨架单晶不仅形态复杂，而且具有几何对称和整个晶粒均匀的分子排列，这使它们区别于多晶、半晶和非晶固体。
生长骨架单晶的晶体工程技术仍然落后于它们的热力学同行。大多数对骨架结构雕刻的努力都集中在在热力学条件下添加的两亲性表面活性剂。这些化学添加剂附着在特定的晶面上，调节晶体生长，产生尖刺和凹晶。虽然这些方法是有用的，可用的形态通常不同于那些在动力学条件下发展。控制骨架单晶的生长动力学是一项更加困难的任务，因为它们的合成条件远没有达到平衡。因此，作者探索在没有化学添加剂的情况下，骨架晶体的动力学生长的精细调制是否可行。
作者报道了在几十秒内以同步、单轴和逐步的方式生长的骨架单晶(图1A和图1B)。骨架晶体是由一个S平面-手性芳香分子[2.2]附加四个(甲氧基苯基)乙炔基臂[(S)-CP4]，以及它的对映体[(R)-CP4]生长而来的(图1C)。将加热的(S)-CP4溶液(0.10 mg在100 ml的乙醇中，80 oC)在室温下轻轻浇注在清洁的非晶石英基底上，并用玻璃盘覆盖。在浇注后，乙醇溶液立即被基底和周围气氛冷却并达到过饱和，导致基底上形成微米级颗粒。
扫描电子显微镜(SEM)和荧光显微镜(FM)图像显示，颗粒形成了一个容器状的凹形态(图1D)。容器基部形成六边形板，平均边长0.8 μm，平均边高0.3 μm。平面侧壁向外生长，在相对于基底的二面角为60o的六角形底板上呈六角形对称，在刻面内部形成六角形锥体空洞。侧壁的厚度(0.5-0.6 μm)从下到上几乎是恒定的。
用微针采集容器状颗粒，直接对其进行单晶X射线结构分析。投影到倒易晶格上的衍射点呈现出六边形对称图案(图1E)。同时，成功地解析了单个微管的晶体结构。在晶体中，尽管具有明显的几何复杂性，(S)-CP4分子仍以极空间群P65高度对称的方式排列。在单晶胞中，六个对称等效的(S)-CP4分子堆叠在一起，沿晶体六倍螺旋轴逆时针旋转60圈(图1F)。与螺旋轴正交，(S)-CP4分子形成一个单分子厚的双层芳香片，所有六个芳香环几乎都平行于晶体ab面，平均倾斜角度为6.94o 2.94o。
(S)-CP4分子在双层板内形成互补的π-π和C-H···O相互作用(图1F)。双层板层之间通过多次C-H··π和C-H···O相互作用叠加在一起，但与直觉相反，没有发现明显的π-π相互作用(图1F)。相邻异酰环的平面到平面的距离很短(3.045 Å)，但大部分在晶体ab平面上位移，几乎不重叠。(R)-CP4的结构分析也同样完成，显示了一个空间基团为P61的镜像分子排列。
晶体结构，以及同时索引的晶体晶面，揭示了晶体表面的分子排列和微容器内的分子相互作用(图1F)。在容器的底部，即晶体学(001)平面(S)-CP4分子的芳香环平行于石英基底。容器的侧面即晶体{102}面被(S)-CP4的甲氧基完全覆盖，这种排列有利于促进与乙醇的亲溶剂作用。在容器的上部形成凹面而不是平面(00-1)面，使得(S)-CP4分子可以将非极性芳香环与极性乙醇分子相隐藏。
图1
在基底表面大面积均匀生长为容器形晶体，尺寸分布较窄[六方内切圆平均直径(dhic_av)：4.3 μm，标准偏差(σ)：0.41 μm] (图2A)。生长在基底上的微晶体的粉末X射线衍射(PXRD)剖面在27.5o处(d = 3.2 Å)呈现出一个尖锐的、明显的衍射峰，这归因于(0012)平面(图1G)。X射线衍射图中观测到的单峰清楚地表明基底上的容器形单晶是单轴生长的。
所得晶体的单分散尺寸分布表明，微管晶体以几乎相同的速率同步生长。为了解决生长动力学问题，利用FM对生长颗粒进行了原位可视化。过饱和乙醇溶液浇注后t = 0秒时，整个区域内均能观测到溶解在乙醇中的(S)-CP4的蓝色发射。在t = 2.0秒时，六边形板开始成核(图2C)，然后继续生长，直到t = 12秒(图2D)。在t = 12秒时，溶解在乙醇乙酸中的(S)-CP4几乎被消耗殆尽，生长停止(图2E)。dhic_av的统计分析表明，σ (< 0.32 μm)和多分散性指数(PDI，< 0.02)的颗粒尺寸在整个生长过程中保持相当小(图2B)。
在生长过程中，作者通过旋转涂机去除母溶剂，观测生长颗粒的形态。生长颗粒的扫描电镜图像显示，在一个薄的六角形板上有尖尖的六角形边缘。因此，作者推测微管生长是如何在分子尺度上促进的[图1A和3A，(ii)]。在浇注后，溶液温度仍然很高，晶体生长在伪热力学条件下，产生了一个表面平行于基底的六边形板。在进一步冷却后，过饱和程度急剧增加，这改变了晶体生长的制度，以边缘生长。由于高动力学边缘生长对溶解(S)-CP4的消耗远远快于冷却引起的过饱和度的增加，在一定时间内转变为小面生长，生长速度慢到足以填满尖刺之间的间隙，但过快到完全填满内部空隙。
晶体生长状态的转变得到了原位FM观测的进一步支持(图2C-2E)。在快照中，背景中的蓝色发射物逐渐褪色，最后随着晶体的长大而变暗，这代表焦平面(S)-CP4浓度的下降。因此，在晶体生长过程中，(S)-CP4的浓度在乙醇溶液中被评估。初始浓度由于乙醇的蒸发而增加，在t = 0.88秒时达到峰值，此时发生成核。此后，随着六边形板的生长，浓度的下降速度相对较慢。在t = 2.8秒时，浓度发生快速下降的转变，这是由于晶体生长模式从体生长到边缘和小面生长的变化(图1A)。
图2
这一发现非常有用，因为从边缘生长到小面生长的转变发生在实验可用的浓度范围内。相应地，将原料乙醇溶液中的(S)-CP4初始浓度提高到2.0 mg·ml-1，并将溶液浇注在石英基底上。干燥后，基底被结晶颗粒覆盖，呈向外方向C6对称的花状六足枝[图3A，(i)]。另一方面，当(S)-CP4溶液稀释至0.4 mg·ml-1浓度时，所得到的晶体呈宝石状凸多边形形态[图3A，(iii)]，表明通过改变初始浓度，可以全面控制小面生长到边缘生长和体相生长的生长状态。
传统的核壳型晶体是通过组分分子的连续进料合成的。受此技术的启发，作者进行了连续添加新鲜溶液，以探索容器晶体是否同样递增增长。将(S)-CP4的第一次进料溶液(7.0 ml，1.0 mg·ml-1)浇注到基底上15秒后，在相同的体积、浓度和温度(80 oC)下，轻轻地加入二次进料溶液。尽管合成晶体的外部形貌仍然是六边形的容器形状，具有光滑的晶面，内部形成阶梯状晶面，dhic_av从7.0 μm增加到11 μm，表明顶部的晶体边缘具有活性[图3B，(i)]。这种连续的晶体生长至少可以重复五次，以产生五层的容器形微晶体。同时，单晶结构分析证明，微容器的单晶性保持完整，没有晶格错配。通过FM观测到的微血管dhic_av值随着进料的重复几乎呈线性增加。一致地，PXRD谱线表现出从(0012)面得到的峰强度线性增加。这些结果表明，即使在连续生长过程中，生长速度也是同步的。作者还发现，通过向容器晶体中添加稀释溶液(0.4 mg·ml-1)，可以部分填充容器内部的空隙。
作者进一步发现，微观的活性边缘可以在二次生长过程中区分立体异构体。当(R)-CP4溶液作为(S)-CP4容器晶体的二次进料溶液时，容器边缘出现不规则的粒状晶体[图3B，(ii)]。当使用(S)-CP4和(R)-CP4的外消旋混合物时，连续生长是无效的，导致容器顶部边缘析出不明确的固体[图3B，(iii)]。
图3
迄今报道的骨架和树突晶体在形态上是不同的。然而，它们通常是多分散的大小和悬浮在溶剂中。相比之下，本文报道的容器形晶体大小均匀，固定在基底上，其打开的窗口朝上。作者设想，这样一个站立的容器可以用作一个微小的容器，容纳少量的液体。作为一个概念的证明，一小块固体4,4-二己氧基-3-甲基噻唑苯(AZO)晶体被放置在一个容器内。在紫外光照射下，AZO光异构化反应后立即液化(图4A)。如光学和扫描电镜图像所示，即使在过渡到液相后，AZO仍然保持在容器内。材料范围成功扩展到两种加热融化的聚合物颗粒[聚(9,9-双((S)-3,7-二甲基辛基)-2,7-芴-alt-苯并噻唑)(PFBT)]和水合[掺酸红52的聚乙烯醇(PVA)] (图4B和4C)。
微管的生长是同步和单轴的，但它们的位置在原则上似乎是随机的。尽管如此，作者偶尔会发现熔融的六边形容器，这让人联想到多环芳烃(PAHs)的几何形状。即使位置是完全随机的，二合一和三合一在统计上也是可行的[图4D，(i)-(vi)]。观测到更大的融合多烯类物体，如四烯和己烯[图4D，(vii)-(viii)]。作者假设基底上轻微的线性划痕或化学异质性有助于晶体的成核，从而形成有序的微管。
最后，作者回顾了骨架晶体的一般问题，即如何组装具有相同大小和几何形状的骨架单晶。首先，结晶核应该在整个结晶过程中固定在基底上。给定一定的面积，温度和浓度的时间过程分布保持均匀，导致同步增长速度和制度。当某一晶面优先位于基底上时，可同时实现单轴性。这与悬浮系统形成了鲜明的对比，悬浮系统中，晶体在具有一定浓度和温度梯度的溶液中漂移。第二，分子的结晶速度应该比蒸发和冷却引起的再过饱和快。否则，在晶体生长过程中可能会发生长时间的成核，从而破坏同步生长。
图4
为了验证这一策略，作者将相同的结晶过程应用于单层芳香族分子(M1)，该分子在一个苯环上有四个(甲氧基苯基)乙基臂。在浇注过程中，M1以同步和单轴的方式形成晶体，以生成单峰尺寸分布的血小板晶体，其晶体(100)面向下面对基底，展示了上述策略第一部分的一般性。其次，抑制长时间成核也很重要，通过(S)-CPx (x = 3、2、1)的结晶显示，这是(S)-CP4类似物，具有x个(甲氧基苯基)乙基臂和4 – x个苯乙基臂。(S)-CP3在浇注过程中形成具有C6对称突出边缘的单轴定向骨架晶体。值得注意的是，(S)-CP3的成核持续时间(20秒)远长于(S)-CP4的成核时间(2.0秒)，导致了多分散尺寸分布。
作者还发现，单轴性可以通过化学修饰基底表面来改变。在甲基化石英基底上，(S)-CP4结晶为容器晶体的缺面栾晶，其c轴平行于基底，同时保持尺寸均匀性。
总之，作者发现了由平面手性旁环素分子产生的骨架晶体的同步和单轴生长。晶体生长在基底表面的一大片区域上同步进行。颗粒为单晶，粒径分布均匀，表面形貌呈容器状，面片发达，内部呈凹形。该方法适用于具有复杂特征的芳香分子的结晶，可以在几十秒内产生。
