第三代超分子主体化合物杯芳烃的研究新进展

张来新，朱海云

（宝鸡文理学院化学化工学院，陕西 宝鸡721013）

杯芳烃作为第三代超分子主体化合物，在大环化学和超分子化学研究中扮演着重要的角色，由于其易于衍生化和多功能性，被誉为“有机化学中的圣杯”。迄今报道的绝大多数工作中只是利用了杯芳烃的骨架结构，而其空腔没有得到充分利用。故开发杯芳烃空腔性能是该领域亟待解决的一个根本性科学问题。

1 杯芳烃超分子化合物的组装与聚集

1．1 磺化杯芳烃的诱导聚集

磺化杯芳烃是迄今为止呈现芳烃空腔价值的最杰出代表，它不仅具有制备简单、水溶性好、包结性能广泛等特点，还具有良好的生物兼容性、抗病毒和抗血栓等生物医药活性。

郭东升等［1］研究发现：磺化杯芳烃不仅能1∶1键合客体分子，还能够与特定客体分子形成1∶n络合物，进而形成高级有序聚集结构，并将其可辨识性特色称之为“杯芳烃诱导聚集”。借助该模型，他们构筑了系列超分子组装体，基于主客体相互作用动态可逆性，通过外界刺激手段可以便捷调控该类超分子体系的组装／解组装，在药物靶向控释方面有着潜在的应用价值。

1．2 磷酸酶响应的杯芳烃－ATP二元超分子组装体

近年来，刺激响应的药物传输体系由于其在特定位点可控高效释放的优势而备受关注。常见刺激信号有温度、光、磁、离子强度和pH值等。生物刺激信号，例如酶，具有生物兼容、反应温和、高度专一等特点，在药物控释方面展现出其特有的优势。此外许多疾病都与酶的异常表达有关，例如，可以催化降解脂质体的磷酸酶在多种癌细胞中过量表达。鉴于此，王以轩等［2］设计构筑了磷酸酶刺激响应的组装体，并用于药物靶向传输和癌症治疗，利用正电荷两亲性杯［4］芳烃和ATP构筑了生物相容的二元超分子纳米粒子，并通过磷酸酶对ATP的水解实现了酶控的组装体快速解聚，并研究了有关药物控释，在医药领域得到了应用。

1．3 杯芳烃－环糊精－胆碱三元动态聚轮烷

主客体识别以其特有的键合强度和选择性已成为典型的组装构筑超分子聚合物方法，组装体系所具有的刺激响应性质及自修复功能正发展成为嫁接超分子和聚合物化学两大领域的重要研究方向之一。张天行等［3］通过磺化杯［4］芳烃双位点胆碱的主客体相互作用构筑了水溶性二元超分子聚合物，进而引入α－环糊精（α－CD）作为媒介，构筑了一类新型三元超分子聚合物，首先胆碱的疏水链部分穿插进入α－CD空腔形成二元准轮烷，BisSC4A进一步包结准轮烷两端的季铵盐部分，形成高级组装结构，称之为“动态聚轮烷”。与传统二元超分子聚合物相比，基于准轮烷构筑的超分子聚合物更易于进行结构、形貌以及功能的调控。

2 新型杯芳烃大环分子的合成及结构性能

2．1 三碟烯衍生的类杯芳烃大环分子

三碟烯及其衍生物是具有独特三维刚性结构和高度对称性的一类化合物，在分子机器、材料科学以及超分子化学等领域得到了广泛应用。谢涛等［4］将三碟烯衍生物片段与2－甲基间苯二酚片段结合，通过“一锅煮”和“多步合成”两种方法构建了一对具有固定构象的类杯芳烃结构的大环分子，其中顺式大环分子为船式构象、反式大环分子为椅式构象；这类大环分子在固态下能够组装形成二聚体胶囊或纳米管结构。

2．2 上沿全芳基取代三碟烯衍生杯［5］芳烃

三碟烯衍生化的杯芳烃克服了经典杯芳烃构象不稳定的缺点。由于三碟烯分子的引入使得杯芳烃不需要在下沿引入大位阻的基团就能保持构象，但此时三碟烯分子上沿引入其它基团就比较困难，故限制了此类杯芳烃的衍生化。夏宇祥等［5］设计合成了一种新型三碟烯衍生化的杯［5］芳烃，在上沿2个位点同时进行衍生化，从而得到了更深空腔的大环分子。这样既保留了传统杯芳烃易修饰的特点，又克服了传统杯芳烃构象不稳定的缺点，且主体能分别和C60、C70形成1∶1复合物。

2．3 磺化杯芳烃－四苯乙烯超分子

磺化杯芳烃由于其对阳离子客体的强键合能力和自身具有的优良结构特点，被广泛用作超分子组装体的工作模块。蒋邦平等［6］利用磺化杯芳烃衍生物可以诱导两亲性物质或共轭分子形成纳米超分子组装体、进而和四苯乙烯衍生物在聚集条件下能够产生荧光的特性，通过自组装的方法构筑得到了2种基于单磺化杯［4］芳烃（SC4A）、桥联磺化杯［4］芳烃（BisSC4A）与四苯乙烯季铵盐（TPE）的磺化杯芳烃－四苯乙烯荧光纳米超分子组装体，并将其作为荧光传感材料，实现了对2，4，6－三硝基苯酚（PA）的灵敏检测。

3 新型杯芳烃的合成组装及选择性识别作用

3．1 点击合成荧光杯芳烃智能界面及其对色氨酸的识别能力

荧光杯芳烃作为对有机分子有着优异识别性能并拥有灵敏输出信号的主体分子，将其偶联于智能材料的表面，实现了对吲哚衍生物的浸润性识别，在新型传感器及检测芯片等方面具有潜在的应用价值。冯凝眉等［7］利用叔丁基杯四合成了新的下沿为蒽的荧光杯［4］芳烃，将其原位点击于偶联有硅烷叠氮的粗糙基底表面，得到超疏水的界面材料。然后利用接触角的方法研究了其对色氨酸的识别性能，并获得了具有良好可逆性的分子开关。

3．2 深穴杯芳烃修饰的功能化界面的构建及其浸润性开关性能

深穴杯芳烃能有效地包结氨基酸等有机小分子，可将其修饰到智能材料表面，利用某些金属离子与氨基酸的强烈相互作用，实现对金属离子的浸润性识别，在医药、化学、生物工程等领域具有重要的应用。章小艳等［8］利用去叔丁基杯四合成了哌啶偶联的深穴杯芳烃［L］，通过点击反应将其偶联到硅表面，采用接触角的方法研究了L修饰的功能化硅界面的银离子的浸润性开关，从而获得了具有良好可逆性的分子开关。

3．3 点击功能化的醛基杯［4］芳烃仿生纳米通道的构建及对精氨酸的选择性识别

近年来，仿生纳米通道技术引起了研究者的广泛关注，修饰有特定功能分子的人造纳米通道，在单分子识别领域展现出重要的应用价值。杯芳烃作为对有机小分子具有优异识别性能的主体分子，将其偶联到纳米通道表面，成功地实现了杯芳烃的水相检测，从而大大扩展了杯芳烃的应用范围。宋苗苗等［9］以单离子轰击的聚对苯二甲酸乙二醇酯膜为基材，通过不对称化学蚀刻的方法制备锥形纳米通道，其表面含有大量的羟基官能团，设计合成了醛基杯［4］芳烃，通过简单的缩合反应和点击反应将其修饰到纳米通道表面，成功实现了对精氨酸的选择性识别。

3．4 深穴杯［4］芳烃的合成及对硝基苯酚异构体的选择性识别

空间异构体分子量相同、性质差异小，因此对空间异构体的选择性识别难度大。杯芳烃对有机小分子的识别有较强的尺寸匹配性，对杯芳烃进行适当修饰有可能实现对空间异构体的选择性识别。田德美等［10］通过Sonogashria反应设计合成了含萘基的深穴杯［4］芳烃，并用荧光光谱法研究了其与硝基苯酚异构体的相互作用，结果表明，该主体分子对硝基苯酚异构体的结合常数不同，故可实现对硝基苯酚异构体的选择性识别。

3．5 乙二胺杯［4］芳烃组装的仿生纳米通道对ATP的选择性识别

目前，仿生纳米通道已成为一种成熟的单分子检测技术。孙忠月等［11］以聚乙烯对苯二甲酸乙二醇酯（PET）膜为基底材料，通过不对称化学蚀刻方法得到一个单锥形纳米通道，孔道表面带有大量的羧基；随后将超分子化合物乙二胺杯［4］芳烃通过点击反应组装到纳米孔道表面，实现了对ATP的高选择性识别，该体系对于组装构建特定响应的仿生通道模型具有重大意义。

4 结语

杯芳烃化学作为第三代超分子主体化合物，目前已渗透到材料科学、生命科学、能源科学、环境科学、通讯科学、医药学、工业、农业、国防科学等众多领域，随着人们对杯芳烃化学研究的不断深入，必将结出丰硕成果。

［1］郭东升，刘育．杯芳烃诱导聚集［A］．全国第十六届大环化学暨第八届超分子化学学术讨论会论文集［C］．江苏：扬州大学，2012：2－3．

［2］王以轩，郭东升，曹钰，等．磷酸酯响应的杯芳烃－ATP二元超分子组装体［A］．全国第十六届大环化学暨第八届超分子化学学术讨论会论文集［C］．江苏：扬州大学，2012：6－7．

［3］张天行，郭东升，刘育．杯芳烃－环糊精－胆碱三元动态聚轮烷［A］．全国第十六届大环化学暨第八届超分子化学学术讨论会论文集［C］．江苏：扬州大学，2012：8－9．

［4］谢涛，陈传峰．三碟烯衍生的类杯芳烃大环分子的合成及结构研究［A］．全国第十六届大环化学暨第八届超分子化学学术讨论会论文集［C］．江苏：扬州大学，2012：25－26．

［5］夏宇祥，陈传峰．上沿全芳基取代三碟烯衍生杯［5］芳烃的合成与性质［A］．全国第十六届大环化学暨第八届超分子化学学术讨论会论文集［C］．江苏：扬州大学，2012：27－28．

［6］蒋邦平，郭东升，刘妍岑，等．磺化杯芳烃－四苯乙烯超分子构筑及荧光传感［A］．全国第十六届大环化学暨第八届超分子化学学术讨论会论文集［C］．江苏：扬州大学，2012：169－170．

［7］冯凝眉，邹志龙，田德美，等．点击合成荧光杯芳烃智能界面及其色氨酸的识别能力［A］．全国第十六届大环化学暨第八届超分子化学学术讨论会论文集［C］．江苏：扬州大学，2012：81－82．

［8］章小艳，赵海洋，田德美，等．深穴杯芳烃修饰的功能化界面的构建及其浸润性开关性能［A］．全国第十六届大环化学暨第八届超分子化学学术讨论会论文集［C］．江苏：扬州大学，2012：79－80．

［9］宋苗苗，缪发君，田德美，等．点击功能化的醛基杯［4］芳烃仿生纳米通道的构建及其对精氨酸的选择性识别［A］．全国第十六届大环化学暨第八届超分子化学学术讨论会论文集［C］．江苏：扬州大学，2012：83－84．

［10］田德美，廖发君，李海宾．深穴杯［4］芳烃的合成及对硝基苯酚异构体的选择性识别［A］．全国第十六届大环化学暨第八届超分子化学学术讨论会论文集［C］．江苏：扬州大学，2012：84－85．

［11］孙忠月，田德美，李海宾．乙二胺杯［4］芳烃组装的仿生纳米通道对ATP的选择性识别［A］．全国第十六届大环化学暨第八届超分子化学学术讨论会论文集［C］．江苏：扬州大学，2012：85－86．