新型双亲结构特殊功能性化合物分子设计、构筑与应用

章亚东

（郑州大学化工与能源学院，河南 郑州 450001）

新型双亲结构特殊功能性化合物分子设计、构筑与应用

章亚东

（郑州大学化工与能源学院，河南 郑州 450001）

众所周知，表面活性剂分子是一类含有典型亲水、亲油双亲结构的特殊功能性化合物，其应用已遍及国民经济的众多行业领域，更有“工业味精”美称。而从结构上来说，一类新的具有类似表面活性剂典型双亲结构，但并不是通常意义的表面活性剂的特殊结构物质，具有新的应用领域，其不仅扩展了表面活性剂传统应用范围，并给诸多高新技术领域带来新的强烈冲击，这一现象非常值得引起我们产学研各界高度重视，并深入开展基础理论及应用研究。

引言

表面活性剂是一类典型的有序分子聚集体体系，其分子是由亲水基和疏水基组成的双亲结构，能改变体系界面状态，从而产生润湿或反润湿、乳化或破乳、起泡或消泡以及增溶等一系列作用。

随着合成化学工业的发展，具有各种性能的表面活性剂陆续问世，使表面活性剂的应用有较为迅猛的发展。物质功能不仅依赖于构成体系基元分子的理化性质，在很大程度上还取决于分子的聚集形式，即分子以上层次的高级结构。多个分子聚集而成的有序聚集体，表现出单个分子不具备的特有性质。在生物体系、材料体系以及某些生态环境中，都有许多这种有序聚集体存在。

有序高级结构聚集体可以描述为由两个以上的相同或不同的亚基（借用蛋白质结构的表述），通过分子间的弱相互作用，形成具有有序的高级结构的不连续的分子组合体。

寻找与高科技密切相关的光、电、磁、声、催化功能以及生物功能的功能体系（聚集体），一直是国际上化学研究的热点和前沿领域。

1 有序聚集体的基本构成及形式

有序聚集体的构成组分可以是小分子（含有机、无机分子）、大环分子（含穴醚、冠醚、富勒烯等）及聚合物等，聚集体存在于固相、液相及气相中。实际上，聚集体的形成是多种弱相互作用力的协同、加合作用的总体效应的体现。其存在形式大体上可分为以下三种主要类型。

1.1 氢键体系

氢键因其方向性、选择性而成为构筑有序高级结构中最广泛的分子间相互作用，蛋白质、DNA等聚集体的结构与功能的调节及维系，很大程度上依赖于氢键的作用。氢键具有饱和性，需要选择具有合适作用位点的互补分子作为组成单元。

1.2 疏水体系

亚基主要通过疏水相互作用结合而成聚集体。主要是环糊精体系，其疏水性内腔与疏水性基团形成2∶1或1∶1计量比的聚集体，分别为有限囊状和无限堆积的管状构型。原则上，任何大于环糊精空穴尺寸的疏水性基团，如硼烷、富勒烯、卟啉等都能够诱导形成2∶1或2∶2型的环糊精： 客体聚集体，聚集状态与客体的种类、浓度有关。

1.3 配位体系

金属-配体间配位作用强且配位构型多样，有利于构筑多个亚基组成的聚集体。金属-配体间的非共价作用相对较强，得许多体系在溶液中也同样能够形成聚集体。常见体系有：两配体体系及多组分体系等，拓扑结构有三角形、四方形、笼形等。例如，三个钯原子与两个三吡啶配体在客体疏水作用诱导下，形成纳米级笼形颗粒，聚集体的产率受客体控制，要求客体同时包含疏水性基团和羧基等基团。

2有序分子聚集体体系的构筑与应用

2.1 药物制剂领域应用

后基因组时代的新药研究领域，一种新的研究模式正在形成，即从基因到蛋白，确定药物作用靶点后，利用计算机虚拟筛选技术、组合化学及高通量筛选技术快速发现新药。生物筛选的目的是得到竞争性、高亲和力、可逆结合、特异性的配体。随着分子生物学的迅猛发展，越来越多的基因被克隆和表达，大量新的药物作用的理想靶标蛋白被发现和表达纯化，基于聚集的作用机理，是很多药物分子与蛋白作用的共同特性。因此药物分子的分子形态、其与蛋白质作用的方式以及在体内的传输模式，引起人们的广泛关注。在传统药物剂型中，有序分子聚集体可用于难溶性药物的增溶、油的乳化、混悬液的分散助悬、增加药物的稳定性等。随着近几年表面活性剂的发展日趋“绿色天然”，表面活性剂的研究转向安全、温和、无毒、易生物降解等方向，具有这些特点的表面活性剂在制药工业中的应用将更为广泛。可以预见，随着表面活性剂的应用研究日益深入，它在制药工业中的应用将会受到越来越多的重视，这将推动制药工业向更深层次发展。

2.1.1微乳体系的应用

微乳液是指一种液体以粒径在10nm～100nm的珠滴形式分散在另一种不相混溶的液体中形成的外观透明或半透明分散体系。微乳液与一般乳液有明显区别，它们不仅粒子大小不同，而且微乳液是可自发形成或稍加搅拌即可形成的外观透明、黏度较低、表面活性剂用量较高的热力学稳定体系。微乳有油包水型、水包油型和双连续型。一般形成微乳液不仅需要油、水及乳化剂，还需要加入相当量的助乳化剂（通常为醇类物质） 。

微乳是一种具有发展潜力的给药系统，主要用于药物载体。药物载体是指能改变药物进入体内的方式和在体内的分布、控制药物的释放速率并将药物输送到靶向器官的体系。它可防止药物过早降解、灭活、排泄以及发生人体免疫反应。人们研究的药物载体较多，其中有胶束、微乳液、液晶和囊泡等。与胶束、液晶和囊泡相比，微乳液有其优点。微乳的稳定性较好，可以提高药物的贮存稳定性，微乳作为药物载体与细胞膜有很好的相容性，给药途径广泛，且能增加药物有效成分的溶解量从而提高药物的生物利用度，因此受到了普遍关注。

2.1.2 在药物新剂型中的应用

1）在靶向制剂中的应用。癌症是人类健康的大敌，用化疗方法治疗癌症，在产生治疗作用的同时也杀伤人体的正常细胞，副作用极大；若将药物制成靶向制剂，则药物可以选择性地达到靶器官而产生药效，从而减少药物对正常细胞的损伤。国外一些研究表明，一些非离子表面活性剂可单独使用或与其它脂质混和物形成非离子表面活性剂囊泡，其在体内非常稳定，无毒，具有生物相容性和可降解性，易大量生产，已成为磷脂的首选替代材料。

2）在缓释制剂中的应用。通过超声波法制备囊泡包封药物，作为药物缓释剂。以壳聚糖为载体制备了5-氟尿嘧啶壳聚糖微球。实验表明，微球具有很好的缓释效果，而且在酸性条件下的缓释效果更好。壳聚糖与5-氟尿嘧啶之间有比较强的分子间作用力，微球球形规整，分散性好，粒径分布在1～5µm之间。

微胶囊亦是缓释制剂的重要一种。它通过成膜物质将囊内空间与囊外空间隔离开以形成特定几何结构，其内部可以是填充的，也可以是中空的。传统微胶囊尺寸通常在微米至毫米级，壁厚在亚微米至几百微米。通过改变囊壁的结构、组成或引入功能性组分，可获得各种功能性微胶囊。

利用自沉积技术可将多种水溶性物质如蛋白、DNA、酶、多肽、维生素、纳米微粒及各种药物自发包埋在微胶囊内。例如，沉积的辣根过氧化物酶（HRP）比自由的HRP具有更好的耐温性能、耐溶剂性能和时间稳定性能山抗癌药物柔红霉素、顺铂、卡铂和阿霉素等同样能够被高效率地沉积在胶囊内，胶囊内外药物的比例可达50∶1，沉积的药物在生理条件下又能够被缓慢释放出来将沉积了药物的胶囊与癌细胞共培养发现，癌细胞可被逐渐杀死（凋亡）。

3）在中药制剂中的应用。丹参酮是丹参脂溶性成分中最主要的成分。丹参的各种制剂已广泛应用于治疗心血管、肝炎、皮肤病和溃疡等。

2.2 有序介孔材料的制备

有序介孔材料是指以表面活性剂为模板剂（结构导向剂），利用溶胶-凝胶、乳化或微乳等化学反应，通过有机物和无机物之间的界面作用，组装生成的一类孔径在2～50nm之间，孔径分布窄且具有规则孔道结构的无机多孔材料。这对于沸石分子筛难以完成的大分子催化、吸附与分离等过程是十分有意义的。同时有序介孔材料具有的规则、有序、可调的纳米级孔道结构，使其可作为纳米微粒的“微反应器”，为人们从微观角度研究纳米材料“客体”在介孔材料“主体”中组装可能具有的小尺寸效应、界面效应、量子效应等提供了重要的物质基础。

有序介孔材料作为一种新型的纳米结构材料，在催化、分离、纳米技术、智能材料等领域有着广阔的应用前景，已成为国际上化学、物理、材料、生物及信息等领域的研究热点。

介孔材料的合成一般需要无机物种（形成介孔材料骨架元素的物质源）、表面活性剂（形成介孔材料的结构导向剂）、溶剂（通常为水，非水体系中也有报道）。有时为了掺杂和组装还需加入其它物质源等。

尽管合成的路线多种多样，但其共同点是表面活性剂与无机物种之间的界面组装作用力。改变两相界面作用力的类型（静电、氢键、配位键），或调节界面作用力、表面活性剂间作用力、无机物种间作用力的相对大小，就使合成的路线多样化，从而适合合成不同结构、组成和性质介孔材料的需要。

2.3 肥料缓释/控释技术

据统计，化肥对我国农作物增产的作用占30%～40%，仅杀虫剂和除草剂的使用也能避免30%～40%的粮食损失。但是，在农用化学品长期使用过程中，最突出的问题就是利用率低，在肥料上表现为高耗能和高污染，在农药上则是长期残留和安全性低。环境意识、资源保护、使用成本及人类自身安全都促使人们去研制高效、安全、环保的技术。

缓释/控释技术是指在一个特定体系内，采取某些措施来减慢某种活性制剂的释放速度，从而在某段时间内，体系活性制剂可以维持有效浓度。通过一定加工工艺和应用特定缓释/控释材料等手段，可以使活性制剂缓慢或受控制释放，提高利用效率。

一般来说，农作物在一个生长期中需肥动态大致呈S型，即开始较慢，随后加快，再逐渐变慢。如果某种肥料能够按照作物的需肥规律供给养分，那么肥料的损失将降到最小，且利用率提高。这也是缓释/控释肥料的最终目标。

目前还很难严格区分缓释和控释肥料，美国植物养分稽查协会（AAPFCO）认为这两种名称可以通用，按照习惯将对土壤较敏感、不易控制、能为微生物分解的含氮化合物如脲醛类称为缓释肥料，而将那些养分释放速率能与作物需肥规律相匹配的肥料如包裹或包膜肥料称为控释肥料，即缓释肥料的高级形式。缓释/控释肥料主要技术有：

1）包膜主要是无机物和有机聚合物包膜两类。在肥料的表面通过涂覆惰性的包膜物质来控制养分的释放，成膜后可以减少肥料与外界的直接接触、改善肥料的理化性能。

2）载体吸附固定将肥料均匀地分散、吸附于控释材料中，形成多孔网络体系，随着控释材料的解吸、溶蚀、降解而释放出来。应用控释材料主要有高表面活性矿物质，如包括层状结构的蒙脱石等、层链状结构的海泡石等和架状结构的沸石硅藻土等，其他的还有橡胶、石蜡、沥青、凝胶体及聚合体等。

2.4 农药缓释/控释技术

农药主要以喷施为主，实际应用中，因光解（尤其是紫外线）、水解、生物降解、挥发、流失等造成农药的利用率低，持效期缩短。缓释/控释农药主要是根据病虫害发生规律、特点及环境条件，通过农药加工手段，使农药按照需要剂量、特定时间持续稳定地释放，以达到最经济、安全、有效地控制病虫害的目的。

1）物理型缓释/控释农药。(i)开放式系统：空心纤维（如醋酸纤维素等）、吸附性载体（如硅藻土）等多孔制品没有控制膜包裹，称为开放式系统。其普遍特点是不与有效成分发生化学反应，而且能全部将药液释放出来。(ii)控制膜系统：利用包裹、掩蔽、吸附等原理，将原药贮存于聚合物中的不均一体系如微胶囊剂、包结化合物或多层制品等有外层膜保护的，称为控制膜系统。包结化合物亦称为分子胶囊，即某种化合物通过氢键、范德华力、极化与偶极矩感应等作用与另外的化合物形成不同空间结构的新分子化合物。多层制品由富集农药的多孔纤维或高分子化合物的贮药层和决定药剂扩散的膜层构成。

2）化学型缓释/控释农药。按照聚合物与农药的主要联结方式，化学型农药缓释剂主要分为两类：(i)原药与高分子化合物直接结合；(ii)通过交（桥）联剂与高分子化合物结合。

2.5 新型无机-有机杂化材料的构筑

通过配位键或氢键的形成而从简单小分子配体和金属离子构筑具有高级有序结构分子聚集体，已成为当前配位化学、超分子化学及材料和生命科学等领域中的主流和热点之一，并呈现出突飞猛进、方兴未艾的发展趋势。可以预期，对这些新型体系结构和性能的研究不仅能开拓化学发展的新局面并会促进相关学科的交叉融合，并将进一步拓展其在医药、电子、光学、电化学、催化等诸多高技术领域中的广阔应用前景。

近年来人们借助刚性小分子配体与金属离子的配位自组装获得了各式各样、精彩纷呈的零维、一维、二维和三维网络结构的功能配合物。这类刚性配体在配位过程中，配体配位齿间的间距和夹角不发生明显变化，使得它们在配合物形成过程中具有最少的不确定因素。而以柔性配体构筑高级有序结构配合物的研究还很少。由于σ键可以自由旋转，这类配体可以根据配位环境的变化采取多种构型，这样的连接基团在配位时具有较大的变形能力，从而使配位齿间距离、夹角及连接基团的形状都能进行调整以适应配位环境的改变，从而更易形成独特结构。此外，配体的这种变形能力使所形成的结构具有一定的弹性，可能容纳体积不同的客体分子或离子，使得客体基团的吸附、释放、交换更容易进行。

前述构成的配合物可具有结构多样性、空穴大小的可调性以及其它刚性配体配合物所不具备的特殊性质和功能等。另外，从非手性配体构筑手性高级结构配合物也是富有挑战性和重要意义的工作。分子手性和手性分子一直是化学和生命及材料科学研究中的热点和前沿领域，而有限多核手性配合物或分子聚集体的构筑和探索则是目前这一领域中最具挑战性和最引人注目的热点和难点之一。它们在非线性光学材料、磁性和超导材料、催化及生物活性等方面可能有良好的应用前景。

3结语

有序分子聚集体体系家族，已从简单的液体构筑向固体层面迅速扩大，尤其是来自天然或无毒、易合成或易表面修饰的有机或无机高分子材料表面有序分子的聚集体体系所表现的奇异性质，以及在高技术领域的应用，正在迅速改变人们的知识视野。因此，在分子以上层次研究分子聚集体高级结构的形成、结构和功能的关系是十分必要和迫切的。

高级结构的有序性在决定分子聚集体的功能上起重要作用。具有有序高级结构的分子聚集体往往表现出单个分子所不具有的性质与功能。我们需要进一步探讨分子聚集体内和分子聚集体之间的弱相互作用的本质；阐明分子间如何相互识别、寻找结合位点以及分子间如何通过协同效应组装形成稳定的有序高级结构；弄清分子结构与分子聚集体高级结构之间的关系和聚集体结构与性质的关系；揭示新现象，发展新理论，开拓新技术，就成为分子以上层次化学的核心和基础。同时，这一领域的研究也将对生命、材料、信息、能源和环境科学在介观尺度上的问题提供科学支撑和认识上的飞跃。