方兴未艾的超分子化学及应用*

赵 征

（西安交通工程学院，陕西 西安 710300）

我们把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的科学称为分子化学，而把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定义为超分子化学。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)有机地融为一体。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等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 新型超分子的合成及在分析分离科学 中的应用

1.1 新型三蝶烯三配位主体的拓扑结构组装体的构建及应用

研究表明，发展新型拓扑结构超分子组装体具有重要的理论价值与实际应用意义。基于三蝶烯结构基元的特殊功能[1]，中国科学院化学研究所的韩莹等人，设计合成了一个含有三个邻菲啰啉[2]片段的三配位主体分子，通过将其与三个含有两个烯烃的邻菲啰啉分子在铜离子的作用下配位，进一步通过关环复分解（RCM）反应构筑了一种新型超分子组装体，如果相邻两个邻菲啰啉之间连接长度比较长，当剥离铜离子时能够得到大环分子；但如果相邻两个邻菲啰啉之间连接长度比较短（5个碳数），即使剥离铜离子，小环也不会脱离主体，故因此可以得到一个新的拓扑结构组装体[3]。该研究可用于分析分离科学、材料科学、环境科学及生命科学等领域。

1.2 新型大环受体的构筑及分子识别

研究发现，有机大环受体由于独特的尺寸效应及预组织效应，在超分子识别领域具有重要的地位[4-5]。目前一些大环受体由于合成困难、难化学修饰及纯化等缺点限制了其应用。鉴于点击反应条件温和、选择性好、产率高等优点，故可用于高效合成有机大环受体。为此，南昌大学的曹迁永等人合成了一系列含荧光团的环三唑大环受体，并研究了其受体对不同客体分子离子，如金属离子、阴离子、富勒烯等荧光识别能力，并对其作用机制进行了详细的研究[6]。该研究将在分析分离科学、环境科学、生命科学及合成化学中得到应用。

1.3 新型阴离子配位超分子组装体的构筑及应用

研究表明，阴离子在生物化学、分析分离科学、环境科学以及材料科学等多个领域中扮演着重要的角色[7]。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，通过多个氢键与四面体含氧酸根离子，如磷酸根，呈现良好的配位性质。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的超分子体系，如双股、三股螺旋体，多元大环和多面体。他们的实验表明，这类超分子组装体表现出丰富的主客体化学特性，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）、超分子手性放大等[8]。该研究将在生物化学、分析分离科学、生命科学、环境科学以及材料科学等领域得到应用。

2 新型超分子的合成及在医药学中的应用

2.1 新型超分子卟啉组装体的合成及医药学中的应用

研究表明，利用氢键、π-π堆积作用、主客体识别、配位作用等非共价键自组装构筑独特的、复杂的超两亲体是超分子自组装领域研究的热点。与传统的两亲分子相比，这些超两亲体具有动态、可逆、可调控等优点，因而在分子识别、药物传递、分子催化等领域具有广阔的应用前景[9]。为此，杭州师范大学的李世军等人基于四个氨基都朝向同一侧的顺式-四-(2-氨基苯基)卟啉衍生物（卟啉α, α, α, α-H2TamPP）设计、合成了带有4个脲基的卟啉衍生物[10]，并发现它们对F-、Cl-、Br-、I-、NO3-、HSO4-、AcO-等阴离子具有主客体识别作用，其络合常数高达1.1×108M-1。他们还进一步设计、合成了基于α, α, α, α-H2TamPP 的含四条醚链的两亲卟啉分子，在水溶液中该两亲分子通过π-π堆积作用形成超两亲体。他们的研究发现其组装形貌可以通过加入晕苯、C60、氯离子等客体来进行调控；而两亲锌卟啉衍生物中的锌离子还可以与4,4’-bipyridine、2,4,6-tri-4-pyridinyl-1,3,5-triazine 配位分别形成不同结构的超两亲体，进而导致其组装形貌也发生了很大的变化，从而使他们发现了一种通过主客体识别调控超分子两亲体结构和形貌的可控组装新方法[11]。该研究将在药物传递、分子识别及分子催化的领域得到应用。

2.2 新型嵌入功能的超分子管状组装体的合成及应用

研究表明，传统的抗生素和抗肿瘤药物等药物分子主要是靶向于生物大分子。由于生物大分子尺寸太小，不容易被药物分子捕获，导致药物的研发需要消耗大量的时间、人力和物力。细胞膜是细胞内最大尺寸的组成部分。因此，发展靶向细胞膜的药物分子将有可能缩短药物研发周期，为药物的开发提供新的研究思路[12]。为此，复旦大学的侯军利等人在他们前期研究单分子管状结构的基础上[13]，分别利用细菌细胞膜和哺乳动物细胞膜中磷脂分子的结构特征，通过在管状分子中引入多位点的识别基团，构筑了对细菌细胞膜和哺乳动物细胞膜具有选择性识别与嵌入功能的管状超分子。由于这类管状超分子在细胞膜内形成跨膜的离子通道，以破坏细胞内的微环境，进而分别高效地杀死细菌和肿瘤细胞，从而研发了一种构筑细胞膜活性抗生素和抗肿瘤药物的新策略[14]。该研究将在医药学、生物化学及生命科学中得到应用。

2.3 新型超分子水溶性碳纳米角-藻蓝蛋白的制备及诊 疗作用

近年的医学研究表明，肿瘤诊断和治疗是目前肿瘤学研究的热点[15]。碳纳米材料如石墨烯、碳纳米管(CNTs)、碳纳米角(CNHs)等因其独特的理化性质使其在癌症的诊疗研究领域有着巨大的应用潜力[16]。但是由于 CNTs、CNHs 等碳纳米材料自身难溶于水，严重制约了其在生物医学中的应用[17]。为此，广西师范大学的林肇星等人以水溶性藻蓝蛋白(PC)为表面修饰试剂，通过非共价作用一步法构建了单壁CNHs-PC复合材料(SWCNHs-PC)，成功地解决了CNHs 水性差的缺点，且体外细胞实验和动物模型研究证实SWCNHs-PC具有良好的近红外光热成像(TI)、光声成像(PA)及协同的近红外光热治疗(PTT)/光动力治疗(PDT)效果，由此证明该超分子纳米材料具有优异的肿瘤诊疗和应用潜力[18]。

2.4 新型超分子透明质酸-钌纳米粒子的制备及光诊疗作用

近来的研究表明，大量的无机或有机纳米材料由于其优良的理化等特性被广泛应用于癌症的诊断和治疗[19]。透明质酸(HA)作为一种酸性粘多糖具有良好的生物相容性和水溶性[20]，且可以较好地用作靶向部分癌细胞表面高表达的肿瘤干细胞表面标记物（CD44）受体。因此，利用HA对材料进行修饰不仅能够赋予超分子纳米材料良好的水溶性和生物相容性，也可以实现对癌细胞的特异性靶向。为此，广西师范大学的王文龙等人采用半胱氨酸(Cys)接枝的HA与RuCl3反应制备得到了水溶性好、稳定性高的HA修饰的超分子Ru纳米粒子(HA-Ru NPs)。其体外和体内实验结果表明，该超分子纳米粒子具有显著的近红外光诱导光热治疗(PTT)、光动力治疗(PDT)性质及X射线计算机断层扫描(CT)成像、光声(PA)成像等成像能力。此外，由于HA的修饰，HA-Ru NPs 对CD44高表达的肿瘤细胞具有特异性靶向，可以有效抑制肿瘤生长[21]。该研究将在医药学、生命科学及材料科学中得到应用。

3 新型超分子的合成及在催化科学中的应用

研究表明，β-环糊精及其衍生物作为超分子配体被广泛应用于有机合成中[22]。基于Pitchumani和Jung等人报道了2-氨基吡啶修饰的β-环糊精在 Suzuki、Heck 和 Sonogashira 偶联反应中应用[23]，云南大学的罗开秀等人设计完成了β-环糊精与吡啶酰胺、环己二胺的键合，再与二价钯配位得到两种β-cyclodextrin/Pd (II)超分子催化剂，他们将其用于对Suzuki及Sonogashira偶联反应研究，实现了环糊精/Pd(II)超分子配体催化C-C的偶联反应。实验表明，该催化反应还可在水相中进行，并表现出优良的催化活性和转化率(81%～95%)，且可多次循环使用并具有绿色环保的优点[24]。该研究将在催化科学、材料科学及大环化学等领域得到应用。

4 结语

综上所述，超分子化学作为一门植根深远的新兴热门边缘学科，其应用无处不有，如在自然科学的各个领域，如物理学、催化科学、生物学、生物化学、石油化工、航空航天、医药学、国防科学等均有广泛的应用。即超分子化学的产生和发展促进了众多学科的兴起和发展，也为它们提供了新的机遇与挑战。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出了电子转移、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。为此，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，将逐一被实现。与此同时科学家预言，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，其必将带动信息及相关领域的产业技术革命，且将对世界经济发展产生深远的影响。