蓬勃发展的瓜环化学*

2011-04-11张来新赵卫星

化学工程师 2011年4期

张来新，张辉，赵卫星，杨琼

（1.宝鸡文理学院化工化学系,陕西宝鸡 721013；2.第二炮兵工程学院门诊部，陕西西安 710025）

瓜环是一类由n个苷脲单元和2n个亚甲基桥联起来的大环化合物，因其结构貌似南瓜又为环状物，故取名瓜环。近年来，随着瓜环家族成员的不断扩大和蓬勃发展，瓜环作为一类具有特定内腔的穴状化合物已成为超分子化学中备受关注的一个新领域。瓜环化学作为一门新兴的边缘学科，在分子识别、分子催化、超分子组装、超分子生物学和医药等领域均获得了广泛的应用。

由于瓜环亲水性端口具有带负电性偶极羰基氧，因而能与带正电性的无机或有机离子通过静电吸引或分子间氢键产生相互作用，而苷脲通过亚甲基桥联形成的疏水性笼状空腔，对尺寸与瓜环端口及笼状空腔相互匹配的有机分子或物质分子的有机部分起包结作用。基于其特殊的分子结构赋予其特殊的性能，瓜环化学目前已渗透到生命科学、环境科学、能源科学、材料科学及医药学等众多领域。

1 多种新型瓜环及其包结配合物的合成

1.1 改性瓜环——溴甲基取代瓜环的合成

瓜环（Q[n]）一般不溶于水及有机溶剂，仅能溶于甲酸、乙酸、盐酸等浓酸，这在很大程度上制约了其应用范围。因此,研究合成出溶解性好、溶解面宽的瓜环化合物尤为重要。考虑到溴元素是一个很活泼的基团，设计把溴引入瓜环分子中，合成出比普通瓜环溶解性更好的衍生物，对扩大瓜环的应用研究非常重要。为此渭南师院的郭陈刚等人以丁二酮为原料合成了二溴代丁二酮、溴甲基取代苷脲、二溴甲基取代苷脲二醚及4种溴甲基取代瓜环[1]（即改性瓜环）。该改性瓜环的合成，不仅获得了溶解性得到很大改善的新型瓜环，还提供了新型瓜环的合成方法和途径，并为进一步合成以瓜环为结构的纳米管以及功能高分子材料提供了途径。从而使它们在环境治理、分子催化、金属离子的选择吸附和捕集，各种药物的包结与缓释，生物医学等方面都有广阔的应用前景。

1.2 五元瓜环与CsCl配合物的合成

自从1981年Freeman确定了六元瓜环的晶体结构[2]及2000年后五元、七元、八元及十元瓜环的发现，瓜环化学得以蓬勃发展。相对于瓜环同系物而言，五元瓜环（Q[5]）的空腔较小，一般只能包结一些小分子，如甲烷、乙烯、甲醇、O2、N2、丙酮等。近年来发现五元瓜环可选择性地包结如Cl-或NO3-。不仅如此，五元瓜环端口羰基氧原子具有较强的配位能力，能与金属离子或分子以配位键或氢键等方式相互作用，形成多种结构特异的自组装实体或超分子结构。贵州省大环化学重点实验室的陈凯等人合成利用单晶χ-射线分析方法表征了的五元瓜环与铯离子形成的配合物，该配合物形成了以Q[5]为“胶囊体”，氯原子为“胶囊”芯材，铯离子为“胶囊盖”的“分子胶囊”结构[3]。该研究期望能在医药学、分子催化、材料科学、环境科学、生命科学的研究中得到应用。

1.3 十二甲基六元瓜环包结1,4-二噁烷的合成

自从2000年六元瓜环的同系物五、七、八、十元瓜环（Q[5]、Q[7]、Q[8]、Q[10]）面世以来，建立在以瓜环为主体的分子识别功能以及自组装超分子构件基础上的瓜环化学研究受到国内外越来越多研究者的关注。然而，这些普通瓜环（Q[n]s）的溶解性都不好，因而制约了瓜环的广泛研究，影响了其应用范围。为此，改善其溶解性，进行瓜环的改性和修饰成为近年来瓜环研究的热点。贵州省大环化学重点实验室的肖昕等人合成了全甲基取代六元瓜环（Me12Q[6]）与1,4-二噁烷的包结配合物并生长了晶体，通过单晶χ-射线衍射方法表征，该配合物形成了以Me12Q[6]为“胶囊体”、1,4- 二噁烷为“胶囊”芯材、水分子为“胶囊盖”的“分子胶囊”结构，“分子胶囊”通过氢键自组装形成一维超分子链，而一维的超分子链通过Me12Q[6]端口的羰基氧原子与水分子之间的氢键作用横竖交错组成二维具有空洞结构的分子网[4]。该研究将在医药的包结与释放、缓释、在分子催化、材料科学、环境科学、生命科学中得到应用。

1.4 六元瓜环与磺基水杨酸主客体配合物的合成

磺基水杨酸（HSSA）是一种良好的分光光度显色剂和指示剂，同时也是一种常见的多齿配体化学试剂，它的3个配位基-OH、-COOH和-SO3H能和多种金属形成多维配合物，六元瓜环（Q[6]）2个端口“镶嵌”着一圈带负电性的羰基氧原子，可与带正电荷或缺电子的离子或缺电子离子基团发生离子-偶极作用。随着聚合度不同的各类普通瓜环和取代瓜环的合成，使得它们既能包容各种有机分子、又能与无机金属离子形成自组装实体或超分子结构、分子胶囊等。贵州大学的卢季红等人合成了六元瓜环与磺基水杨酸主客体配合物,并考察了它们之间的相互作用情况[5]，期望能在催化、环境化学、光化学分析等方面得到应用。

1.5 瓜环与2-氨基苯丙噻唑的主客体作用

基于瓜环空腔的疏水性和端口的亲水性，使其在超分子化学和主客体化学领域的研究中受到各国学者越来越多的关注。噻唑类衍生物是一类用途广泛的精细化工中间体，也是重要的农药和医药中间体，随着这类化合物在染料和农药等行业的广泛应用，其进入水环境的途径也日益增多，以致严重污染地面水环境。贵州大学的刘华等人利用自己合成的Q[7]化合物与2-氨基苯丙噻唑反应合成了物质量比为1∶1的包结配合物；用Q[8]与客体形成了物质量比为1∶2的包结配合物[6]。该研究期望能在环境科学、分析分离科学、医药学等研究领域得到应用。

1.6 吡啶季铵盐的合成及与八元瓜环形成配合物

近年来，一个主体分子与两个以上的客体分子形成的包结配合物引起了人们极大的兴趣，因为其有助于人们在微环境中进行立体异构、双分子反应、分子识别等方面的研究。瓜环因其具有疏水的空腔和亲水的端口，可以在溶液中选择性地结合多种有机、无机及生物分子，形成主客体包结配合物或自组装超分子实体。贵州大学的李显美等人合成了系列水溶性双吡啶季铵盐分子[7]，并考察了它们与八元瓜环之间形成的主客体配合物，期望能在生命科学的研究中得到应用。

1.7 八元瓜环与-1-苄基-3-羟基吡啶的自组装研究

近年来，建立在瓜环分子识别功能及自组装超分子构件特质基础上的瓜环化学研究日新月异。由于环和空腔较大的瓜环，如 Q[7]、Q[8]、Q[10]的出现，以瓜环与客体分子为构件，可通过化学、物理或电化学方法控制，并使得具有分子器件、分子开关功能的自组装结构或超分子实体的研究也取得了新进展。Q[8]因其具有较大的端口口径和内腔，通常可同时容纳2个有机客体分子，且位于Q[8]空腔的客体分子能够形成多种构型，利用这一特点，贵州省大环与超分子化学重点实验室的肖昕等人选用1-苄基-3-羟基吡啶为客体，考察了其与Q[8]形成的主客体包结配合物的作用模式[8]，期望能在材料科学、生命科学、环境科学及医药学的研究中得到应用。

2 瓜环对金属离子的识别作用

2.1 环己基取代六元瓜环与Rb离子构筑的一维超分子化合物

由于瓜环在碱性、中性、弱酸性的环境下完全不溶或溶解度不大，且均不溶于有机溶剂，因而制约了对瓜环进行广泛深入研究，且影响其应用范围。为此，改善瓜环的溶解性，进行瓜环的改性和修饰成为近年来瓜环研究的重要课题。2001年韩国的Kim研究组报道了能溶于醇水体系的环己基全取代五元及六元瓜环，从而改变了其溶解性。为此，贵州省大环与超分子化学重点实验室的秦晓等人合成了溶解性良好的全取代环己基六元瓜环，并以全取代环己基六元瓜环为单元合成了RbCl-环己基六元瓜环一维超分子化合物。该研究所得结构为金属离子直接与瓜环的端口羰基氧原子形成配位键所构筑的一超分子链，它为今后用于功能性材料方面的研究会有重要意义[9]。

2.2 间位六甲基六元瓜环与铯离子超分子链构筑的管状结构

由于普通瓜环的水溶性不好，以改善其溶解性为主要目的的改性瓜环的研究越来越多。贵州省大环与超分子化学重点实验室的陈文建等人合成了溶解性良好的间位六甲基六元瓜环物（HMeQ[6]），并将其与Cs+作用，形成了一种新型的蜂窝状通道的管状超分子自组装体系[10]，该成果期望能在环境科学、材料科学和生命科学的研究中得到应用。

2.3 六元瓜环对铅离子的捕集性能研究

随着超分子化学的创立及迅猛发展，促进了人们对瓜环主客体化学的研究兴趣。因此，瓜环受到主客体化学、自组装超分子化学、环境化学、催化、材料化学、生物化学等国内外研究者的广泛关注。随着世界对环境保护的重视，治理环境污染势在必行。为此，贵州大学的卢小军等人为了消除铅污染，利用原子吸收光谱法研究了六元瓜环（Q[6]）对Pb2+离子的捕捉性能。研究表明，六元瓜环在静态下对含铅废水中Pb2+的捕捉率达到了98.4%[11]。由此可见Q[6]作为一种新型材料处理含铅废水很有价值。由此可推测，不同大小环的瓜环对提取回收贵金属、稀土金属都是可行的。

2.4 十甲基五元瓜环与几种金属离子配合物的形成

由于六元瓜环的溶解性差，制约了瓜环化学的广泛研究和应用范围，为此，贵州大学的肖昕等人设计合成了十甲基五元瓜环（Me10Q[5]），虽然其溶解性没有得到明显的改善，但对金属离子的识别与选择性有明显提高。肖昕等人用合成的3个十甲基五元瓜环分别与铷离子、铈离子水合物相互作用形成的配合物以及四氯锌根离子存在下形成了单晶体，并测定了它们的晶体结构。3个配合物均形成以Me10Q[5]为“胶囊体”，水分子为“胶囊”芯材、金属离子或水分子为“胶囊盖”的“分子胶囊”结构，并通过配位键或氢键组装成一维超分子链结构实体[12]。该研究将在生命科学、材料科学、环境科学、分析分离科学及贵重金属提取回收中得到应用。

3 瓜环化学在医药学上的应用

近年来，探求瓜环与药物分子间的相互作用是瓜环应用研究的方向之一。Wheate等人研究发现，七元瓜环与阿替洛尔、格列苯脲、美金胺和扑热息痛等4种药物相互作用形成包结物后稳定性有所增加，此性质可用于药物加工、储存及运输等方面。此外他们还研究了七、八元瓜环与多核铂复合物的作用模式，发现经主客体相互作用形成的分子胶囊具有药物缓释、稳定、提高生物利用度以及降低药物抗性和毒副作用的性能。

3.1 瓜环[n]（n=6-8）与盐酸丁咯地尔的相互作用

基于上述瓜环与药物分子的主客体作用效能，郑州大学的杨晓娜等人将自己合成的瓜环[6]、瓜环[7]、瓜环[8]3种瓜环与盐酸丁咯地尔相互作用，其主客体配合物的作用模式随着瓜环大小不同而各异，其中瓜环[6]与盐酸丁咯地尔相互作用非常弱，而瓜环[7]和瓜环[8]都将盐酸丁咯地尔分子中的吡咯环及其相邻的2个碳全部包结进去，形成了包结比为1∶1的对称包结配合物。从而说明七、八元瓜环可以作为潜在的盐酸丁咯地尔的缓释剂[13]。

3.2 八元瓜环与氧氟沙星、氟罗沙星、加替沙星及司帕沙星的相互作用

研究大环化合物瓜环与药物分子的相互作用，在药物改性、药物制剂的研究领域中具有非常重要的应用价值。贵州省大环与超分子化学重点实验室的佟玲等人用荧光光谱和紫外吸收光谱研究了瓜环[8]与氧氟沙星、氟罗沙星、加替沙星及司帕沙星的包结作用体系的性质及影响因素的作用，测定了超分子作用体系的组成和作用的稳定性常数。结果表明：瓜环[8]分别与氧氟沙星、氟罗沙星、加替沙星形成1∶1、与司帕沙星形成2∶1的稳定的主客体包合物。这对于瓜环对药物的包结和缓释作用具有应用价值[14]。还用荧光和紫外方法测试了各种体系的分析性能参数，可作为一种新颖、灵敏的分析方法检测四种喹诺酮类药物的方法。

3.3 对称四甲基取代六元瓜环对醋酸地塞米松的增溶作用

醋酸地塞米松为肾上腺皮质激素类药物，但由于醋酸地塞米松的溶解度较差导致生物利用度较低，其临床应用受到很大的限制，因此，研究增加醋酸地塞米松从水溶性栓剂基质中释放、提高该药物的溶解度、稳定性和利用度具有及其重要的意义。漳州师院的李国平等人用自己合成的溶解度较好的对称四甲基取代六元瓜环（TMeQ[6]）作为主体，利用微孔滤膜分离方法研究其对醋酸地塞米松的增溶作用，并利用差热分析法（DTA）分析TMeQ[6]和醋酸地塞米松的包结物。结果表明，TMeQ[6]和醋酸地塞米松有一定的增溶作用，并成正比[15]。故该包合物的形成并应用在医药方面，能提高其药物的稳定性、减缓药物的释放、降低药物的负面作用，从而提高药物的疗效。

3.4 利用八元瓜环Q[8]的荧光增敏作用测定药品中盐酸小檗碱的含量

小檗碱（BER）是黄连和黄柏中含量最多的生物碱，现代研究表明其具有杀菌、局部麻醉、抗心律失常、治疗原发性高血压、抗肿瘤等广泛的药理作用。盐酸小檗碱的测定方法有多种，但因盐酸小檗碱的荧光强度很低，当含量很小时，给含量测定带来困难。而瓜环与盐酸小檗碱作用形成包合物可增强小檗碱的荧光强度。贵州大学的赵安婷等人利用八元瓜环Q[8]对盐酸小檗碱的荧光有较好的增敏作用，用来测定复方黄连素片和盐酸小檗碱片中盐酸小檗碱（C20H18CNO4）的含量[16]，从而开辟了测定微量盐酸小檗碱含量的新方法。

近年来，随着超分子化学研究的日新月异，其新成员瓜环化学的研究也蓬勃发展。目前瓜环化学已成为超分子科学研究的一个新的分支。因之，瓜环化学作为一门植根深远的新兴边缘学科，在超分子催化、超分子组装、分子识别、分子通道、纳米科学、超分子药物及超分子生物学等领域彰显出广阔的应用前景。同时其应用也渗透到生命科学、环境科学、材料科学、能源科学、医药学等二十一世纪的热点领域。

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