近年来,基于电荷转移(CT)相互作用驱动的超分子功能材料研究受到了广泛关注[[1], [2], [3], [4]]。CT效应赋予这些材料独特的光电、响应性[5]、识别性能[6,7]、光学器件[[8], [9], [10]]、检测与传感[11,12]以及仿生材料[13]功能。然而,仅依靠单一CT相互作用构建功能材料存在若干挑战:(i) 在没有辅助作用(如π-π相互作用)的情况下,CT相互作用较弱,导致溶液中的组装体容易解离,以及由于溶剂和温度效应导致固体结构崩塌[14,15]。(ii) 仅由CT相互作用驱动的超分子功能材料无法实现多刺激响应,因为它们缺乏其他非共价相互作用的协同作用[16]。
大环化合物提供了多个非共价相互作用位点,被广泛用于构建超分子功能材料以克服这些缺点[[17], [18], [19], [20]]。大环超分子功能材料的腔体限制效应、多位点非共价相互作用的协同作用以及组装体的动态可逆性是它们区别于普通有机分子的核心结构优势[[21], [22], [23], [24]]。几种辅助的弱相互作用,如π-π相互作用、氢键和主客体相互作用,与结合腔体的限制作用共同作用,策略性地稳定了CT相互作用[[25], [26], [27], [28], [29], [30], [31]]。对大环辅助CT组装体的探索可以追溯到21世纪初。2001年,Kim及其同事首次报道了由主客体稳定的分子间供体-受体(D-A)系统,在这种系统中,CT相互作用与π-π相互作用在葫芦[8]uril的腔体内共同限制时,其协同效应得到了显著增强[32]。自那时起,基于大环的CT超分子功能材料已在包括光电器件、晶体材料、传感器、分子开关和纳米机器在内的多个领域得到广泛应用[[33], [34], [35], [36]]。这些进展表明,以CT为核心相互作用、其他非共价相互作用为支撑构建基于大环的超分子功能材料对于推动该领域的发展具有重要意义。因此,设计结合CT和其他非共价相互作用的大环超分子功能材料具有重要的研究价值。
本综述重点介绍了基于大环的CT驱动超分子功能材料的最新重要进展和启发性成果。为了阐明CT与其他非共价相互作用之间的协同作用,研究根据所涉及的辅助相互作用类型进行了分类(图1)。特别关注了它们的多样相互作用和应用,并解释了超分子系统中的CT机制。最后,本综述提出了未来发展方向,并讨论了这一快速发展的领域中的关键挑战,旨在为推进基于大环的CT超分子材料的设计和应用提供见解。