植根深远的超分子化学及应用*

胡省利，张来新

（西安交通工程学院，陕西西安710300）

分子化学主要研究原子间通过共价键或离子键形成的分子实体的结构与功能，而超分子化学是研究基于分子间的非共价键相互作用而形成的分子聚集体的化学。超分子化学的概念最早是由超分子化学之父，法国科学家莱恩（J.M Lehn）于1987年提出的，它是化学与生物学、物理学、材料科学、信息科学和环境科学等多门学科交叉构成的新兴热门边缘科学。从某种意义上讲，超分子化学淡化了有机化学、无机化学、生物化学和材料化学之间的界限，着重强调了具有特定结构和功能的超分子体系，并将四大基础化学(有机化学、无机化学、分析化学和物理化学)有机地融合为一个整体，从而为分子器件、材料科学和生命科学的发展开辟了一条崭新的道路，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21世纪的热门领域如环境科学、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 新兴超分子的合成及在催化科学中的应用

1.1 新型3d-4f金属多核功能超分子配合物的合成及催 化性能研究

研究表明，模仿自然现象是最好的设计新型催化剂的策略。螺旋结构作为自然界中最重要的形态，为仿生科学提供了很好的模板[1-2]。为此，兰州大学的汪力等人以仿生螺旋结构稀土配合物为对象，构筑了不同螺旋结构稀土配合物及过渡-稀土杂金属螺旋结构超分子配合物，并研究了其在绿色催化领域，如催化环氧化合物与二氧化碳环加成反应中的应用。他们通过合理的配体设计，得到了一系列新颖的稀土及杂金属多核螺旋结构，这与传统的双核双螺旋结构相比，取得了更为结构丰富而复杂的螺旋体系。即从单一金属拓展到杂金属螺旋，从双螺旋拓展到罕见的六重螺旋，从线性螺旋结构拓展到了环状螺旋，并结合分子笼的特性，得到特殊的笼状螺旋结构。结合当今温室效应及能源问题，CO2资源转化及利用显得尤为重要。他们将该系列螺旋结构稀土配合物用于催化转化CO2为环碳酸酯，并取得了很好的效果。此外，该系列螺旋结构稀土配合物在其它绿色催化反应中的研究也在进行。模拟生物体的复杂性是人们一直以来关注的热点也是超分子化学家研究的终极目标，这在复杂多样化螺旋结构的构筑、新型仿生体系的构筑及酶催化的模拟等方面有着重要的研究意义，它必将推动稀土螺旋结构的超分子化学在发光、催化等多学科领域取得更大的发展[3]。该研究将在合成化学、生物化学、催化科学及仿生科学中得到应用。

1.2 新型超分子多酶组装体的构筑及生物级联催化作用

研究表明，生物体内化合物的生物合成通常需要很长的级联反应。这些级联反应涉及到多种酶。而在这过程中，中间体的局部浓度和运输都至关重要[4-5]。为此，香港中文大学的夏江等人采用了两对蛋白支架，一对是SpyCatcher和SpyTag，另一对是与之相似但是正交的SnoopCatcher和SnoopTag。他们将这种人造蛋白支架应用到细菌体内番茄红素和虾青素的生物合成中。这两种类胡萝卜素具有非常重要的功能和药学意义。通过运用蛋白支架形成超分子复合物，番茄红素和虾青素的产量分别提高了五倍和两倍，从而证实了这个方法的普适性。与此同时他们还发现，这种体内组装的超分子复合物呈现了非常有趣的空心球结构，其直径大约25nm。由此可见，这项工作是利用位点特异性共价蛋白反应组装了多酶超分子复合物。通过模拟天然丙酮酸脱氢酶复合物，他们首次构建了在体内具有出色催化功能的蛋白纳米结构[6]。该研究将在催化科学、生命科学、仿生学及生物化学的研究中得到应用。

2 新型超分子的合成及在分析分离科学中 的应用

2.1 新型阴离子-π协同超分子大环超化合物的合成及应用

众所周知，非共价相互作用是超分子化学研究中的核心问题，新型非共价相互作用的发现和发展往往能推动超分子化学及相关领域的发展[7]。阴离子-π作用作为一种新近被认识的非共价相互作用力近年来受到了广泛关注，在早期的理论研究和实验证据的基础上，其在阴离子识别、超分子组装与催化方面展示出优异的应用前景[8]。为此，中国科学院化学研究所的罗建等人利用缺电子的三嗪环为基元的大环分子为探针，获得了电中性受体分子与阴离子之间经典阴离子-π作用的证据，从而揭示了其普遍性和方向性，拓展了其在阴离子识别和阴离子-π作用控制的超分子组装方面的应用。故他们基于阴离子-π作用的协同性原理设计并合成了大环超分子，并系统研究了大环超分子的结构和对离子的识别性能[9]。该研究将在分析分离科学、环境科学及催化科学中得到应用。

2.2 新型大环多胺超分子金属配合物荧光传感器对硫离 子的识别研究

研究表明，针对不同物质包括阳离子、阴离子、氨基酸等具有环境和生物意义的离子或中性分子具有灵敏选择性的荧光传感器的开发是超分子化学的重要研究方向[10-11]。作为生物和环境中重要的阴离子之一，硫化物通常作为纸张、石化和皮革工业的副产品而产生。若持续暴露于高浓度硫化物中会导致各种生理问题，如硫化物阴离子被质子化后，由于形成HS-或H2S甚至可引起窒息、神志不清和呼吸麻痹。因此，硫化物阴离子检测对于监测其毒性以及生物系统中的信号传导功能已变得非常重要。为此，湖北师范大学的王旭等人研制出一系列对硫离子有选择性响应的荧光传感器。即在DMSO（二甲亚砜）:H2O=9:1（HEPES（4-羟乙基哌嗪乙磺酸）缓冲液，0.01M，pH7.4）的配合物溶液中加入S2-可引起荧光强度的大幅度增强，故可知超分子配合物对S2-具有高度的选择性[12]，并能确定其浓度。该研究将在环境科学、分析分离科学、生命科学及生物化学中得到应用。

3 新型超分子的合成及在材料科学中的应用

3.1 新型超分子配位络合物的合成及应用

研究表明，依据金属-配体配位相互作用的方向性和可预测性，配位驱动的自组装是制备超分子体系结构的一种强有力的策略。通过控制配体的尺寸、几何形状和化学计量来合成一系列复杂的超分子配位络合物已成为可能，包括2D（物质的微观结构）多边形[13]、3D多面体[14]等。荧光材料在生物成像、化学传感、光电子等领域有着广泛的应用，由于传统的有机荧光团常在高浓度或固态下显示减弱甚至完全猝灭的发射，故开发性能优越的有机荧光团迫在眉睫。分子间的电荷转移如D-A、A-D-A、A-π-D-π-A 等，对有机荧光团的发光性能有着重要影响[15]，由于后修饰金属荧光大环改变分子间电荷转移的方式，进而改变了金属大环的荧光。为此，华东师范大学的霍桂飞等人通过多组分自组装设计合成了3种高荧光的超分子配位金属大环化合物[16]，该3种荧光材料将在生物成像、化学传感、光电子等领域有着广泛的应用前景。

3.2 新型超分子萘啶类荧光分子探针的合成及应用

研究表明，萘啶类化合物与过渡金属的络合物具有丰富的光物理性质，已经在太阳能转换，超分子组装以及金属离子探针和生物小分子探针等的研究中得到普遍应用[17-18]。由于萘啶是由两个芳香环构成的稠合杂环，每一个芳香环包含有一个N原子，组成了一个共轭平面刚性杂环，因而具有良好的荧光信号。为此，华中师范大学的任瑞等人基于尼克酰胺合成酶（NAS）识别机理，合成了以2,7-萘啶为基本分子骨架的新型荧光探针，该探针能够有效地识别苯硫酚，表现出高灵敏度、快速响应的优点。更为重要的是所合成的萘啶类荧光探针展现出的斯托克斯位移高达225nm。具有大斯托克斯位移的荧光探针，由于其分开的激发和发射带可以有效地减少自吸或自发荧光引起的干扰，故非常适用于荧光显微镜研究。因此该类荧光探针材料在生物成像方面表现出良好的应用前景[19]。该研究在材料科学、生物化学、能源科学及生命科学的领域将得到应用。

4 新型超分子的合成及在医药学中的应用

4.1 新型主客体纳米超分子物质的合成及应用

近年来，利用共价自组装策略构筑二维共价高分子纳米胶囊已受到人们广泛的关注。为此，吉林大学的付爽等人利用横向修饰的柱芳烃成功地构筑出完美的共价高分子纳米胶囊，而这种纳米胶囊能够成功地用于药物释放[20-21]。即他们借助主客体作用力，用桥连环糊精作为联结剂，与侧位修饰香豆素的柱芳烃反应（环糊精与香豆素的主客体相互作用），通过共价自组装策略构筑了一种新的二维超分子单层纳米胶囊。由于构筑基元之间是通过超分子相互作用交联的，又由于超分子作用力的可逆以及及时修复性，这样在超分子聚合过程中形成的缺陷就可以及时得到弥补，从而使构筑出的二维超分子单层纳米胶囊结构缺陷微弱。其次，由于超分子主客体相互作用具有竞争性，再加入另一种作用力更强的客体分子之后可以把原来的客体分子竞争掉，这种新型超分子纳米胶囊可以通过主客体竞争来刺激它的解散与再形成，已构筑出一种新型的刺激响应材料，该材料能够作为超分子纳米胶囊成功地用于药物释放。该材料另一个突出的特点是由于柱芳烃的大环主客体性质，这种囊泡表面可以很容易通过非共价作用修饰出各种功能基团而赋予其各种特效功能[22]。该研究将在医药学、材料科学及纳米科学的研究中得到应用。

4.2 新型人血清白蛋白和紫杉醇二聚体的超分子组装及 生物医用功能

研究表明，紫杉醇在水中的低溶解性以及严重的毒副作用已成为临床应用的瓶颈。若用生物相容的、可降解的双亲聚合物制备紫杉醇纳米超分子药物可以改善上述问题[23]。即把紫杉醇中间用氧化还原响应的单硫键连接体连接，在正常组织中，紫杉醇不释放，在肿瘤组织中（高的氧化环境和还原环境下）紫杉醇二聚体释放出活性药物紫杉醇而发挥抗癌疗效。这样就降低了紫杉醇的系统毒性，从而提高了化疗药物的选择性。而且从本质上改善了药物突释的问题。人血清白蛋白，作为血清蛋白的重要组成成分，由于它固有的生物相容性以及富足性，故在药物输送中扮演多种多样的角色。为此，中国科学院长春应用化学研究所的裴晴等人把人的血清白蛋白和紫杉醇二聚体构筑成超分子复合物，由于两者较强的相互作用，使药物制剂的稳定性良好，并展现出其在临床应用的优势。此外，由于人血清白蛋白是内源蛋白，改善了载体免疫原性的问题，使其在体内可以长循环，为其更多的在肿瘤组织聚集提供了可能。这种把抗癌药物紫杉醇原药制备成智能响应的前药，既极大程度地改善了其载药量和载药效率低的问题，又在保证其能具有和原药相似的抗癌疗效的前提下，降低其在正常组织中的毒副作用。而且由于白蛋白的包裹，延长了纳米制剂在体内的循环时间，增加在药物在肿瘤组织的聚集。这种白蛋白紫杉醇二聚体超分子体系有望成为新一代的抗癌药物并用于临床应用[24]。

5 结语

综上所述，方兴未艾的超分子化学作为一门新兴的热门交叉边缘学科得到了迅猛发展，其应用无处不有。今天我们有理由相信，随着人们对超分子化学研究的不断深入，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、高选择催化剂等等，将被逐一实现。而分子计算机和生物计算机的实现也将指日可待。在信息科学方面，超分子材料正向传统材料挑战，这些难关一旦被突破，必将带动信息及相关领域的产业技术革命，从而对世界经济发展产生深远的影响。故我们应该确信，超分子科学已成为21世纪新思想、新概念和高新技术的重要源头。