新型超分子的合成及在医药学和材料科学中的应用*

陈 瑜

（陕西中医药大学基础医学院，陕西咸阳 712046 ）

分子化学主要研究原子之间通过共价键或离子键形成的分子实体的结构与功能；而超分子化学则研究两个或两个以上分子通过分子间作用力结合而成的化学实体的结构与功能。还在1978 年，法国J. M. Lehn( 诺贝尔化学奖获得者) 基于传统的植根于有机化学中的主- 客体系研究，提出了“超分子化学”的完整概念，他指出：“基于共价键存在着分子化学领域，基于分子组装体和分子间键而存在着超分子化学”。即超分子化学是基于分子间相互作用和分子聚集体的化学。其在与四大化学、大环化学、配位化学、金属有机化学、生物学、材料科学、生命科学等其它学科的交叉融合中，超分子化学已发展成新兴的热门交叉边缘学科——超分子科学，被认为是21 世纪新思想、新概念和高科技的重要源头。由于超分子化学的应用无处不有，故为环境科学、信息科学、能源科学、纳米科学、材料科学和生命科学的发展开辟了一条崭新的道路。不仅如此，超分子化学在工业、农业、国防、医药学、航空航天科学等领域已彰显出广阔的应用前景。

1 新型超分子化合物的合成及在医药学中的应用

1.1 新型金属有机大环- 肝素钠超分子凝胶的合成及在医药学中的应用

研究表明，肝素钠主要是由糖醛酸和葡萄糖胺组成的一种高负电荷的聚阴离子，其可通过静电相互作用与多种蛋白质( 如抗凝血酶、纤维原细胞生长因子以及细胞外超氧化歧化酶) 发生相互作用从而在生理上起着非常重要的作用[1-2]。因此，研究肝素钠与带正电荷物质之间的静电相互对了解其生理作用有非常大的帮助。为此，华东师范大学的吴贵渊等人基于他们课题组之前对有关逐级自组装方面的研究基础，他们利用配位导向自组装，主客体相互作用为主题通过逐级正交自组装策略制备了一种外围接有三个准轮烷的六边形金属有机大环。由于其准轮烷上有多个烷基链，因此在高浓度下金属有机大环在二甲亚砜（DMSO）溶剂中可形成凝胶。向该凝胶中加入二异丙基乙胺(DIEA)或者四丁基溴化铵(TBABr)，它会转化为溶胶的状态，然后再向其中加入对甲苯磺酸或者六氟磷酸银又可以恢复到原来凝胶状态。有趣的是，在低浓度下金属有机大环并不能形成凝胶为溶液状态，但是向其中加入肝素钠之后，他们通过静电相互作用带正电荷的金属有机大环穿入线性肝素钠形成串珠状超分子，同时形成超分子凝胶。同样的这种凝胶可以通过酸碱或者离子刺激响应使其从凝胶到溶胶之间的相互转化[3]。该研究将在生命科学、生物学、生物化学、医药学、超分子凝胶化学等领域得到应用。

1.2 新型硼簇偶联柱芳烃超分子聚集体的合成及在医药学中的应用

研究表明，硼簇是硼中子俘获疗法（BNCT）中一类重要的硼携带试剂，其结构对称，含硼量高，具有富电子的结构，且对人体细胞的毒副作用小，因而对于癌症治疗具有非常重要的应用前景[4]。然而如何快速高效地将硼簇化合物运送到指定的肿瘤细胞始终是一个研究热点。柱芳烃作为一类新型大环主体分子，由于其独特的刚性空腔结构及可修饰的特性，在超分子自组装方面表现出天然的优势[5]。硼簇和柱芳烃偶联化合物的合成有望结合两者的优点，这种具有自组装能力的偶联产物能够使硼原子能够更加有效地聚集在癌细胞周边，从而促进其在硼中子俘获疗法中的应用。为此，武汉大学的漆斌等人首次合成了硼簇偶联的柱芳烃化合物，并对其聚集行为进行了系统地研究。他们的研究发现，硼簇偶联柱芳烃能够形成直径在500nm～1500nm 范围的纳米颗粒[6]，这种超分子聚集体对于BNCT 的作用很显著。该研究将在医药学、材料科学及纳米科学等领域得到应用。

2 新型超分子化合物的合成及在材料科学中的应用

2.1 新型超分子凝胶的合成及在材料科学中的应用

研究表明，超分子凝胶作为一种新型“软材料”是当前超分子化学和材料科学的研究热点之一[7]。在超分子凝胶形成过程中，氢键、范德华力、π-π 堆积及疏溶剂作用等分子间弱相互作用发挥着重要作用[8]。为此，河北师范大学的揣晶等人利用具有氢键给受体能力的酒石酸为原料经过简单、成熟的化学反应设计合成了两种凝胶因子。随后的凝胶性能测试表明这两种凝胶因子具有较低的临界凝胶化浓度和较高的相转变温度。更有趣的是，所制备的凝胶因子通过简单的震荡即可高效、选择性地凝胶化水中硝基苯和苯肼。他们的工作将为水中苯肼、硝基苯的去除提供一种新的方法[9]。该研究将在凝胶化学、材料科学及分析分离科学中得到应用。

2.2 新型双重刺激-响应的聚集诱导发光超分子聚合物的合成及应用

研究表明，超分子聚合物是指单体通过分子间可逆的非共价键作用自组装形成的高分子体系。与传统基于共价键的高分子聚合物相比较，超分子聚合物体系中非共价键的存在赋予超分子聚合物诸如结构动态可调、对外界环境具有刺激- 响应性、且具有自修复性能及优异的材料加工性能等诸多优异性质[10-11]。为此，华东师范大学的张昌伟等人通过逐级自组装策略成功构筑了具有双重刺激响应聚集诱导发光性质的交联超分子聚合物。首先他们通过合理设计，将氰基单元和吡啶单元引入四苯乙烯骨架，得到吡啶给体（A）；随后他们通过配位驱动自组装，得到菱形大环（B）。B 与含有两个柱芳烃单元的主体分子在溶液中通过主客体作用形成两种交联超分子聚合物。由于形成的超分子聚合物使得四苯乙烯基元分子内运动受限，因此展现出聚集诱导发光行为。由于配位键和主客体作用的动态可逆性，得到的两种超分子聚合物在竞争客体、卤素离子的刺激下展现出荧光转换响应性质[12]。该研究将在材料科学、分析分离科学及主客体化学的领域得到应用。

2.3 新型超分子金属有机大环化合物的合成及在荧光材料上的应用

荧光分析表明，光可调的荧光分子通常是由光致变色基元和荧光基元构建，初始荧光基元发射荧光，紫外光照射后荧光基元与光致变色基元发生能量转移或电子转移淬灭荧光，实现对荧光的调节，这种从有荧光到无荧光的过程可以用于光学材料存储器[13-14]。然而超分辨荧光成像初始需要暗的即无荧光的背景，因而通常的光致变色荧光分子不能用于超分辨荧光成像。另一方面，超分子金属有机大环由于金属与配体之间的相互作用通常是无荧光的或者弱荧光的，这极大了限制了它们在材料、生命等领域的应用。为此，华东师范大学的秦毅等人基于他们课题组关于功能化自组装体系的研究，设计合成了一类二噻吩乙烯为骨架的光致变色金属有机大环，初始大环没有荧光，紫外光照射后，二噻吩乙烯发生光环化反应变成闭环状态同时大环发射出强烈的荧光，荧光量子产率较高（ΦF = 0.5 左右），因此其在超分辨荧光成像、荧光材料等领域具有潜在的应用前景[15]。该研究将在荧光材料、荧光分析及金属有机化学的研究中得到应用。

2.4 新型超分子智能窗材料的合成及应用

实验表明，智能窗能够给人们提供舒适的室内环境,在智能窗的制备过程中，功能材料起着至关重要的作用[16]。传统的智能窗材料往往局限于单功能化，仅能用于调节太阳辐射能量的进入，但对冷/ 暖色调的调控研究却很少涉及。鉴于不同色调能够对人们的情绪产很很大的影响，因此，开发一类理想的冷/ 暖色调可转换的温致变色智能窗材料，既能保留传统材料对太阳辐射能的调控功能又能改善人们的情绪，故具有非常重要的潜在应用和开发前景[17]。为此，南京大学的王赛等人报告并提出一种不同性质的正交一体化策略，即他们将乙二醇修饰的柱[6]芳烃（EGP6）的热响应性与氧化还原诱导的二茂铁/ 二茂铁鎓离子基团之间暖色与冷色之间可逆转换的性质正交一体化于一个体系中，制备了冷/ 暖色调可转换的温致变色材料。基于EGP6 与二茂铁的主- 客体作用，他们将二茂铁侧链修饰的聚丙烯酰胺聚合物凝胶（Fc-gel）浸泡在EGP6 水溶液中，得到了显著溶胀且高度透明的水凝胶（Fc-gel∙EGP6）。该水凝胶中，因二茂铁基团在氧化还原刺激下能够在橘色和绿色之间可逆转换，使其具有冷/ 暖色调转换的性能，因此，由该水凝胶制备的智能窗具有改善人们情绪的功能。这种冷/暖色调可转换的温致变色智能窗材料成功地为不同性质的正交一体化策略首先提供了应用实例，同时该策略也为新型功能化材料的开发提供了新的思路[18]。该研究将在材料科学、环境科学及主客体化学的研究中得到应用。

3 新型超分子化合物的合成及在催化中的应用

3.1 新型脱氧核糖核酸酶Ⅰ响应的杯吡啶-DNA 超分子组装体的合成及应用

众所周知，DNA 是一种具有特殊性质的生物聚阴离子，它可与带正电的离子形成稳定的超分子络合物[19]。刺激响应组装体因其在化学、材料和生物医药等多个领域具有广阔的应用前景，因而近年来受到广泛关注。在多种刺激响应信号中酶响应信号更为重要，因为酶在大多数生化过程中扮演着重要的角色。此外，酶表达水平上的畸变与许多疾病有关[20]。为此，天津师范大学的任晓伟等人在该实验中成功地构筑了脱氧核糖核酸酶I 响应的杯吡啶-DNA 二元超分子组装体。向一定浓度的杯吡啶溶液中滴加DNA 溶液，350nm 处的透光率先逐渐下降而后趋于稳定，这说明主客体间形成了二元超分子组装体。他们将脱氧核糖核酸酶I 加入到杯吡啶-DNA超分子组装体溶液中，发现其在350nm 处的透光率随时间逐渐上升，这揭示脱氧核糖核酸酶I 对杯吡啶-DNA超分子组装体有显著的解聚作用[21]。该研究在材料科学、催化科学、生物医药及疾病诊断中有着广阔的应用前景。

3.2 新型功能超分子大环化合物的合成及应用

研究表明，配位超分子大环或多面体型分子容器在重要小分子/ 离子的识别与传感、仿生催化、靶向药物传输等方面拥有广泛的应用前景。得益于配位导向自组装合成策略的发展，该类配合物具有定量制备、严格单分散、易于调控和修饰等诸多明显区别于金属有机骨架（MOF）或胶束材料的优点。基于过渡金属导向的分子容器设计，中国科学院福建物质结构研究所结构化学国家重点实验室的孙庆福等人在纳米管材料的可控制备与高效催化[22]、诱导匹配的阴离子识别[23]、基于主客体化学的超分子催化等研究方面取得系列进展。同时，鉴于过渡金属超分子组装体系中仅作为连接基元的金属离子自身功能性的缺失，他们将具有优异光电磁性能的稀土离子引入到配位自组装的结构设计中，运用立体选择性的手性自分类组装、自下而上逐级自组装、金属置换自组装等手段，成功合成了一系列具有绝对立体构型的多核稀土发光分子容器，并对它们的溶液自组装机理、发光调控规律、药物传输、仿生催化、传感与分离等功能化应用进行了深入研究[24]。该研究将在分析分离科学、传感器科学、仿生催化科学及医药学等领域得到应用。

4 结语

目前对超分子化学的研究主要集中于：（1）基础理论研究: 主要是超分子结构及其谱学的研究，包括分子间弱相互作用与分子识别、超分子静态与动态结构、理论计算模拟、超分子的组装方法及自组装过程、超分子体系的谱学研究等；（2）与物理以及材料科学的交叉：通过组装形成的超分子化合物材料具有结构多样性，在催化、分子识别、化学吸附、分子磁体、非线性光学、药物合成等领域有着广阔的应用潜力，因此它的研究成为当前超分子化学研究的热点之一。超分子化学在纳米材料制备、纳米团簇的超分子化学组装、层状三维结构与器件、插层材料及功能化、表面图案与功能化，其光电信息材料及器件等领域已取得重大进展；（3）与化学及生物学的交叉中，超分子化学为化学学科提供了新颖的轮廓和观点，其基础概念已经贯穿了主要的化学领域，与无机化学、大环化学、配位化学、金属有机化学的结合呈现出强大的生命力；在分子识别与人工酶、酶的功能、短肽及环核酸的组装体及其功能等领域凸显出广泛的应用价值。随着人们对超分子化学研究的不断深入，我们相信超分子功能材料及智能器件、分子器件与机器、分子马达、DNA 芯片、导向及程控药物释放与催化抗体、高选择催化剂等，将会逐一成为现实。由于超分子化学的发展，会使得分子计算机和生物计算机的实现指日可待。在信息科学方面，超分子材料正向传统材料挑战，一旦突破，将带动信息及相关领域的产业技术革命，会对世界经济产生深远的影响。