液态水是进行化学反应的最重要介质与溶剂之一,也是研究在凝聚(液)态中进行化学反应的主要对象。在不同的外界条件下(特别是极端条件下),液态水的组成、结构与性能会发生很大的变化,促使在其中进行的化学反应呈现不同的特点,因而形成了温和条件下、水热条件下(Hydrothermal condition)与超临界水热条件下(Supercritical water codition)三大类型反应的凝聚态化学。本文立足凝聚态,讨论了在温和(一般)条件下,液态水与水溶液的组成、结构与性能对发生于其中的化学反应(包括溶解与结晶反应、盐类复分解反应、酸碱反应、沉淀反应、成胶与晶化反应、水解反应、氧化-还原反应以及配位化学反应)的影响,包括对反应物存在状态与化学活性,化学反应的过程与机理,反应的中间与最后产物的组成、结构等造成的影响,以及产生的结果与规律等有关的反应化学。通过这些讨论我们提出应从凝聚态的角度看待发生于液态水溶液中的化学反应,并希望这种新视角对研究在其他类型液体(诸如有机溶剂、离子液体、分子熔体等)中进行的化学反应时有所帮助,同时能加强彼此间的交流、讨论与批判,协力为推动以液态为主要研究对象的凝聚态化学的研究与学科建设提供有益的基础。

水是一种清洁、安全、环境友好的化学反应介质,认识水介质体系中水的性质及水热化学反应对凝聚态化学的研究至关重要。水热条件下的水处于高温高压状态,其物理化学性质往往与常态下的水完全不同;因此,水热体系中可进行的化学反应范畴大为拓宽。本文介绍了水分子及其团簇的结构,水性质随条件变化的规律和特点以及水热体系中的凝聚态问题,综述了水热体系中典型的材料合成、水热有机化学反应、生物水热合成等内容,梳理了凝聚态和水热化学之间的关系,期望从凝聚态化学的角度为理解水热化学及反应体系提供一些新的思路。

离子液体是可以替代传统溶剂实现高效、低碳、清洁、循环新过程新技术的新型溶剂,在完成“双碳”目标中具有重要的应用价值。同时,离子液体是一种典型的“软凝聚态物质(软物质)”,对它的认识和应用依赖于对其内部多尺度微观结构的研究,这需要以“凝聚态化学”的思想作为未来的研究方向,即对离子液体体系的组成、结构、性质、功能及它们之间的内在关系进行多层次的研究,进而实现对实际应用体系中传递过程和反应过程的调控。在本文中,我们以“凝聚态化学”的视角简要综述了对离子液体的研究。首先介绍了离子液体的化学结构和物理性质,指出理解离子液体性质的变化必须要研究其内部的结构。然后,我们介绍了离子液体从分子层面到纳微尺度的结构,包括离子对、氢键、氢键网络、团簇、界面结构和纳米限域结构。最后,我们对离子液体“凝聚态化学”研究的未来进行了展望。

溶液中的水合离子-π作用,作为一种非共价键相互作用,对研究软凝聚态物质至关重要。本文回顾了基于水合离子-π作用得到的具有反常化学计量比的二维晶体及其奇异特性,这些晶体包括常温常压条件下的氯化二钠(Na₂Cl)、氯化三钠(Na₃Cl)和一氯化钙(CaCl)等。这些具有反常化学计量比的二维晶体有着不同于常规三维晶体中的阴阳离子比例与独特的电子结构,具有与常规三维晶体完全不同的物理化学性质,包括室温铁磁性在内的多种特殊物理性质。这类具有反常化学计量比的铁磁性物质可能为生物体系的磁效应、磁医学的研究以及低维磁性材料的设计提供全新的思路。

凝聚态化学作为一门研究化学反应中凝聚态物质的科学,最近引起了化学界的广泛关注。从手性化学角度出发,本文列举了近年来手性催化与合成中的一些凝聚态化学现象,分类介绍了不对称催化反应中不同类型的凝聚态物质,并通过列举实例分析讨论了凝聚态物质的具体组成、层次结构等因素对反应的催化活性、对映及区域选择性控制影响,以望能引起业界对凝聚态科学的关注,启发更多学者从凝聚态化学角度思考有机化学反应本质并解决相关问题,完善凝聚态科学体系。

聚糖是自然界含量最丰富的有机高分子,是各类生命体中重要的结构支撑和能量储存物质;而且,细胞表面的聚糖在细胞识别、分化、发育、癌变和免疫等生命过程中发挥重要作用。相比于核酸和蛋白质,对于聚糖类功能的研究远远落后,这与难以获取结构明确的聚糖及缺乏在体内精确操控聚糖的手段相关。聚糖的合成化学在最近几十年里得到了飞速发展,为聚糖,特别是寡聚糖的结构和功能研究提供了强有力的工具。然而,相比于核酸和蛋白质的合成,聚糖的合成仍然效率低下,特别是对于其中一些具有特殊结构糖链的合成仍然是挑战性的课题。在聚糖的合成实验中,经常会出现意外的结果,多种因素可能影响特定糖苷键的合成效率和立体选择性。聚糖分子可以通过分子间非共价作用力形成聚集体,从而影响合成。特别是在脱除保护基的过程中,聚糖分子溶解性的巨大变化对反应历程产生决定性影响。这些由于聚集体形成而对反应性的影响尚没有深入研究;在具体合成中,仍然需要通过实验的不断试错来完成聚糖的合成。另外,生命体中的聚糖和糖缀合物也通过形成超分子结构来发挥功能。因此,研究聚糖和聚糖合成中的凝聚态化学具有重要意义。

有机光电功能材料的宏观性能不仅只依赖于基元分子自身的理化性质,还取决于其分子聚集行为和聚集态结构。在特定的聚集态结构中,分子间弱相互作用的加和与协同,可促进体系性能的拓展与质变,获得超越分子本征属性的功能。这凸显出当前化学研究逐步从关注单分子向分子聚集态科学转变,体现出分子聚集态研究的重要性。本文借助有机室温磷光性能对分子聚集态结构的高度灵敏性与响应性,系统探讨了分子聚集态结构的形成规律与核心影响因素。以此为基础,进一步拓展分子聚集态研究的应用领域,包括力致发光、有机二阶非线性光学、力致变色、有机发光二极管等,从静态调控到动态刺激响应(刺激源:力、热、光、电场等),从单一结构到多组分体系与器件,同时,确立了各种有机光功能材料的优势分子聚集形式,提出了聚集态调控的有效策略与研究思路,阐述了光电功能材料体系设计与合成的可控性与预见性。

在没有溶剂介质参与的高分子聚合反应中,高分子凝聚态的变化与化学反应之间的作用关系变得更加直接。以熔融聚合、反应挤出、固相聚合为代表的高分子树脂无溶剂生产技术是集高分子树脂合成、材料加工制备及工程一体化的新兴科学与技术,是当代材料科学领域发展的前沿领域,代表着高分子树脂生产技术发展的必然趋势。本文将上述这三种典型的树脂工业合成技术及相应机理进行了简要的介绍,并分别以聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚乳酸(PLA)的实际生产研究情况为例,展示三种生产技术之间的相互联系,揭示这三种无溶剂型高分子制备技术过程中出现的高分子凝聚态变化与化学反应之间的基本问题,为广大科研工作提供一些有价值的参考。

光合作用将太阳能储存在化学反应中,是绿色高效的能量转换途径。模拟自然光合作用系统活性中心的结构和功能,实现小分子物质(H₂O、CO₂、N₂等)中惰性化学键的活化转化,对于解决能源和环境等问题具有重要意义。本文综述了人工光合作用在水分解、二氧化碳及氮气还原领域取得的重要进展,分析了相关光化学转换体系的设计思路和工作原理,并对人工光合作用面临的挑战和未来发展方向进行讨论。

凝聚态化学是研究利用分子间作用力构筑凝聚态物质多层次结构实现物质功能和化学反应的新研究领域。相比于固态凝聚态化学,液态凝聚态化学研究涉及多相态,如液态凝聚态如何影响分散质的存在状态和功能特性等重要课题。从凝聚态化学的角度认识分散质在其中的聚集行为不但有利于获得预期的分子存在结构状态,而且可以探索环境条件对组装结构形成的过程认识。本文在对液态凝聚态的物理化学性质,尤其是与溶质分散和聚集相关方面进行简要概述的基础上,选取典型示例分别阐述了液态凝聚态在分散质组装过程、组装与解组装以及组装体结构转变等方面的作用。在液态凝聚态对物质性质影响方面,从其对染料分子的紫外-可见吸收、电子转移、手性调控以及催化等几个方面进行了讨论。在这些过程中,作为连续相的液态凝聚态的介电常数、极性以及黏度等性质对于分散相的存在状态和性质起到了关键作用。然而,受现有仪器检测范围的限制,液态凝聚态与分散质之间的快速、多变且细微的作用力很难在时间和空间上进行准确测定,而从实验和理论两个方面进行相互拟合来说明液态凝聚态的作用是一个重要且行之有效的策略。

生物分子凝聚形成生物体内的多种无膜细胞器,其独特的物理化学性质使其具有多样的生物学功能,包括感知外界环境的变化、调节蛋白在细胞内的浓度、调控信号转导途径以及选择性富集特定蛋白质和RNA等。同时,生物分子凝聚相的错误形成与调控会导致多种人类疾病,如神经退行性疾病、癌症和病毒性疾病等。无序蛋白质在生物分子凝聚相的形成和调控中发挥了重要作用。本文通过总结分析无序蛋白在生物分子凝聚相形成中的作用以及化学小分子对生物分子凝聚相的调控,探讨了通过靶向无序蛋白进行配体设计来获得调控生物分子凝聚相化学探针及药物的可能性,并展望了揭示无序蛋白及化学分子调控生物凝聚相机制应重点关注的问题。

蛋白质和RNA通过液-液相分离组装成无膜细胞器。无膜细胞器与液滴具有相似的融合性质,当浓度超过饱和浓度时,生物大分子会形成液滴,接着向凝胶态进行转化,最终形成固态凝聚体。传染性海绵状脑病、肌萎缩侧索硬化症和阿尔茨海默病等神经退行性疾病共同的病理特征是,错误折叠的蛋白质(包括朊蛋白、TDP-43和Tau蛋白)形成有毒性的寡聚体或淀粉样纤维。大量研究表明,这些蛋白质都可以发生液-液相分离形成凝聚体。本文综述了蛋白质凝聚作用在传染性海绵状脑病、TDP-43蛋白病以及 Tau蛋白病中的作用机制,重点阐述了相分离如何诱导神经退行性疾病中错误折叠朊蛋白、TDP-43和Tau蛋白形成寡聚体和淀粉样纤维,并讨论和展望了蛋白质凝聚作用与神经退行性疾病关联研究中存在的挑战和机遇。

研究古生物学,必须从古生物变“化”之学的方向着手,深入化石骨头和细胞里面,探讨在漫长时间内、该古生物的化学组成、细微构造等起了什么变化?化成了什么?如今保留的是什么?保存这些有机残留物的化学机制 (Mechanism) 是什么?凝聚态化学在此又扮演了什么关键角色?在此我以个人所知一点点从凝聚态化学的角度,来探讨古生物领域诸多古化学相关的最基本底层奥秘,本文举三个实例说明可能的凝聚态化学反应,肯定在古生物化学中扮演了关键的基本机制,等着我们去揭发;如:一般认为化石就是古代生物变化成为石头,从有机体变成无机的矿物质,有机体不可能保存成千万上亿年;然而,我们团队却在 1.95 亿年前的禄丰龙胚胎骨头内,发现了被保存下来的原生 I 型胶原蛋白 (Native Collagen I);又在 22 亿年前化石内发现多种氨基酸,和证明为最早多细胞真核生物的甾烷;这是地球生命演化重大的发现;从这些古生物化石的实例来说,可以看出凝聚态化学绝非仅是个理论化学的旁观者,而是关键角色,它的重要性,非常值得我们投入去深入探讨,揭开从古代生物到你我手中化石无数化学反应最底层化学的奥秘。