医学与分离科学中的新型超分子应用研究*

张晋生， 张来新

（西安交通工程学院，陕西西安710300）

1967 年佩德森（Pederson）首先发现了冠醚类化合物，这可以说是世界上第一个发现的人工合成自组装体。随后，莱恩（Lehn）在佩德森工作的启发下，最早提出了超分子化学的概念。故莱恩在1987 年诺贝尔奖获奖演说中曾为超分子化学作了如下定义：即超分子化学是研究两种或两种以上的化学物种通过分子间力相互作用缔结而成的具有特定结构和功能的聚集形分子体系的化学。研究表明，超分子化学是化学与生物学、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边缘新科学。其研究的两个方向为，超分子化学(主-客体化学)和超分子有序组装体的化学；而研究内容主要包括：分子识别，分为离子客体的受体和分子客体的受体大环化合物；生物有机体系和生物无机体系的超分子反应性及传输；固态超分子化学，分为晶体工程、二维和三维的无机网络；超分子化学中的物理方法；模板，自组装和自组织；超分子技术，分为分子器件和分子技术的应用。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，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、分子机器、分子马达、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，是21 世纪的新兴热门边缘学科，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组装合成

1.1 超分子有机框架的构筑及应用

倡导大环化学与超分子化学进一步用多学科综合交叉研究方法相结合，以缓解新时代当前人类正面临着的生态环境、资源、能源、生命、材料、信息等领域的生存危机。为此，复旦大学的黎占亭等人基于有机小分子自组装策略，利用疏水作用为驱动力，于2013 年以来首次在水中实现了均相周期性纳米孔阵列超分子有机框架（SOF）的构建[1]。作为一类正离子型可溶性纳米孔材料，SOF 具有疏水空腔，对负离子型客体和疏水性有机分子具有极强的吸收作用，并由此衍生新的功能。例如，SOF 吸收负离子杂多酸可以促进对质子还原产生氢气反应的催化，对负离子和疏水性药物的吸收可用于药物输送[2]。这一药物输送新策略省去了脂质体药物的包埋过程，作为一种低成本平台技术，值得进一步研究。另外，通过集成SOF、MOF（金属有机框架）和COF（覆晶薄膜）自组装原理，他们还组装构建了基于过渡金属络合物的杂化孔结构，为发展新的均相催化体系提供了新的平台[3]。该研究将在生命科学、材料科学、催化科学及医药学等领域得到应用。

1.2 双吡唑桥联双金属配体的杂金属多功能超分子新体系的构筑

研究表明，超分子自组装经过二十多年的发展，正在朝着功能化、复杂体系和精准可控的方向推进[4]。为此，北京工业大学的于澍燕等人在运用超金属- 金属成键导向的钯三角自组装过程催化室温水解切断二硫化碳的两个C=S 双键时发现，其在功能导向的可编程分级超分子自组装方向中取得了一些新进展。他们通过设计新型功能有机配体HnAB（其中H 为质子，n 为质子数，A、B 为配位基团），提出质子开关的可编程自组装策略[5]。结果有效地控制了不同类型金属同多功能配体的配位次序，形成了基于双吡唑桥联双金属配体的杂金属多功能超分子新体系。他们还设计了双吡唑多功能有机配体，利用该系列配体已经成功自组装得到杂金属超分子，如Pd-Pt 杂金属大环、Pd-Fe 杂金属笼、Pd-Cu 杂金属高分子、稀土- 过渡杂金属超分子等，并发现这些新体系在发光和超分子催化方面具有重要的应用价值[6]。该研究将在光化学、催化科学、材料科学及合成化学中得到应用。

1.3 以逐级自组装法构筑功能化超分子组装新体系

研究表明，超分子自组装一直是超分子化学研究的核心和前沿领域之一。在一个多组分的复杂体系中，如何利用多重非共价键作用力的协同作用，通过多级次、可控自组装构筑复杂有序的超分子组装体系，一直是超分子自组装领域中一个重要的课题。为此，华东师范大学的杨海波等人充分利用配位键键能较强且与其他弱相互作用力彼此不干涉的性质[7]，开创了以配位键为核心推动力的逐级自组装策略，并成功地构筑了一系列具有刺激- 响应性质的功能化金属有机超分子组装体系[8]；此外，他们还将该策略成功拓展到复杂超分子拓扑结构的构筑中，并在国际上首次实现了高代数、以轮烷作为重复单元的金属有机轮烷树枝状分子的高效构筑；最近又成功实现了限域空间的精准组装[9]。该研究将在超分子化学、材料科学及有机合成化学中得到应用。

1.4 一种新型阴离子配位超分子组装

研究表明，阴离子在生物化学、环境科学以及材料科学等多个领域中扮演了重要的角色[10]。然而，因阴离子特有的性质和与受体（配体）之间的弱作用力使其化学发展相对缓慢。人们发现阴离子与过渡金属离子表现相似的配位化学特性，如每一类离子具有独特的配位几何与配位数。虽然这种规律还远没有过渡金属配位化学那么成熟，但这些初步的结论能为人们设计阴离子配体以及研究阴离子配位化合物性质提供有效的指导[11]。为此，西北大学的吴彪等人设计合成了一系列带有邻苯桥联的多脲配体，他们通过多个氢键与四面体含氧酸根离子，如磷酸根呈现出的良好配位性质，发现其磷酸根配合物和过渡金属联吡啶配合物具有高度的相似性。他们以此为配位基元，组装出了多类以阴离子配位中心组成的超分子体系，如双股、三股螺旋体、多元大环和多面体。这类超分子组装体表现出丰富的主客体化学特征，如稳定活泼物种（P4、As4 等）、识别生物相关客体（区分胆碱及其衍生物）、超分子手性传递等[12]。该研究将在主客体化学、环境科学、生物科学、材料科学及医药学领域得到应用。

2 新型超分子化合物的构筑及在催化与分离科学中的应用

2.1 新型超分子聚轮烷骨架的构筑及在分析分离科学中的应用

研究发现，利用无机簇的多阴离子性质，可以实现多组分杂化组装，从而获得复合组装体，实现结构调控和组装体的功能化[13]。为此，吉林大学的张国华等人通过选用阳离子柱芳烃与多阴离子簇进行静电结合，获得表面为柱芳烃的离子复合物。随后他们将获得的柱芳烃- 多金属氧簇复合物再与双头客体有机分子结合，获得了一类A4B2 型主客体结合的聚轮烷网络结构。在持续超声条件下，这种多重主客体结合得到优化并形成超分子凝胶。对凝胶的结构进行表征发现为纤维组装体，而纤维组装结构则是由多金属氧簇为结点、柱芳烃包结体为连接桥的骨架结构。这一凝胶结构带来有价值的作用。骨架结构纤维可以大大稳定小分子凝胶纤维，使之具有类似高分子纤维的稳定性，故可以用于铺展纤维膜。此外，他们还发现纤维内部形成的骨架结构可以容纳溶剂分子，从而可以用来控制纤维膜表面的亲疏水性。以此为基础，他们发现了一种可以进行油水分离的小分子凝胶纤维膜。与此同时，他们通过油水互溶的溶剂调节，可以实现分离油和分离水的可逆转换。实验结果表面，这类交联的小分子聚轮烷体系可以扩展到更多的应用领域，如药物负载、输运与释放，催化与自动分离等[14]。该研究将在分析分离科学、环境科学、材料科学、医药学及催化科学中得到应用。

2.2 新型大环超分子化合物的合成及在识别与催化中的应用

超分子化学的诞生起源于大环化合物的问世。超分子化学的研究内涵特别是大环效应、协同互补原理决定了其可能成为提升催化反应效率和选择性的重要手段，超分子化学与催化的结合——超分子催化，有望成为发展全新一代催化体系的重要途径[15]。为此，中国科学院化学研究所的王其强等人通过在大环和笼状分子骨架上嵌入识别位点和催化基团，营造内表面修饰的功能化空腔，从而发挥了受限空间内各个功能位点间的有效协同，构建出了高效高选择性超分子识别- 催化体系。近两年来，他们研发了一种通过大环对抗衡阴离子的捕获以提高催化效率的超分子催化新策略，有望为提升一系列经由阳离子中间体的催化反应效率提供一种超分子途径[16]。 同时经“锚合- 箍”策略高效构筑了具有独特空腔结构的功能化 “分子桶”，研究表明其能提供孤对电子-π 作用显著增强二氧化碳键合，为该类功能分子的催化转化奠定了基础[17]。该研究将在催化科学、材料科学及分析分离科学中得到应用。

3 新型超分子化合物的合成及在医药学中的应用

3.1 新型超分子有机体的合成及在医学中的应用

研究表明，程序化的有机分子的自组装可以通过不同的超分子化学手段，如疏水相互作用、静电相互作用、π-π 相互作用和氢键相互作用等来实现。为此，中国科学院长春应用化学研究所的谢志刚等人探索了多种有机染料和抗肿瘤药物等小分子的自组装，所形成的纳米材料，可以应于活细胞的荧光成像以及对肿瘤细胞的杀伤。基于有机分子的组装基元，通过多层次组装方法，可以获得具有特殊功能与应用前景的组装体[18-19]。他们首先在BODIPY（氟硼二吡咯）和紫杉醇分子间引入含二硒的分子连接基团，进而得到了它们的二聚体，二聚体在水溶性中可以自组装形成稳定性的纳米颗粒，由于二硒键的还原敏感特性，所形成的紫杉醇纳米前药显示了对肿瘤细胞的选择性杀伤效果，而BODIPY 纳米材料可以用于细胞的成像。如何将两种具有相似结构的分子共组装，可以得到混合纳米材料，同时具有生物成像和肿瘤杀伤功能[20]。该研究将在医药学、材料科学及纳米科学中得到应用。

3.2 新型超分子磺酰基桥连杯[4]芳烃金属配合物的合成及在医学中的应用

研究发现，具有特定空腔结构的分子笼化合物可以选择性束缚或包含具有特定的客体化合物，从而实现封装不稳定的化合物促进化学转化、储存及传输小分子化合物、分子催化以及药物传输等目的，而这些一直受到科学研究工作者的广泛关注[21-22]。为此，中国科学院福建物质结构研究所的戴枫荣等人以具有空穴结构的有机大环分子磺酰基桥连杯[4] 芳烃为构筑单元，与金属离子以及合适的有机桥联配体进行超分子组装，获得了具有独特纳米空腔结构的金属配合物或配位超分子笼化合物。而这些新颖的磺酰基桥连杯[4] 芳烃金属配合物表现出良好的化学和热稳定性以及显著的主客体包容等特征。同时通过对桥联有机羧酸配体的结构功能修饰，可以进一步实现这类超分子配合物的结构功能调控。他们通过溶液的主客体化学行为研究，从而实现了其在向异性正向协同主客体效应、酸碱调控荧光开关、客体识别、致癌物质的体外检测等方面的应用。这种超分子容器的功能化策略为设计和构筑多功能化的配位超分子容器提供了一种新的思路[23]。该研究将在材料科学、催化科学及医学中得到应用。

综上所述，超分子化学所涉及的领域极其广泛，它不仅包括了传统的化学( 如无机化学、有机化学、物理化学、分析化学等)，而且还涉及到21 世纪的众多热点学科如材料科学、能源科学、纳米科学、环境科学、信息科学和生命科学等。超分子化学的兴起与发展促进了许多相关学科的发展，也为它们提供了新的机遇。基于超分子化学中的分子识别，通过分子组装等方法构筑的有序超分子体系已展示了电子转移、能量传递、物质传输、化学转换以及光、电、磁和机械运动等多种新颖特征。超分子功能材料及智能器件、分子器件与机器、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，将逐一成为现实。科学界有人预言，随着超分子化学的发展，使得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，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。我们坚信，超分子科学将成为21 世纪新思想、新概念和高新技术的重要源头。