手性聚苯胺的合成及其手性识别研究*

2022-12-07常柄权张聪聪沈报春

云南化工 2022年7期

舒纹，常柄权，张聪聪，沈报春

(昆明医科大学药学院暨云南省天然药物药理重点实验室，云南昆明 650500)

手性是生命系统的基本属性之一，无论是宏观世界，还是微观世界都普遍存在手性现象[1-4]。震惊全世界的“沙利度胺”事件中[5]，沙利度胺是由呈现实物与镜像关系且各占50%的两种化合物组成，不良反应是由于其中的S-构型及其代谢物具有致畸作用。该事件使药物中的手性得到了重视。不同构型的对映体所发挥的效应可能截然不同[5-6]。手性药物对映体进入生物体内，在药效学、药动学和毒理学方面可能存在立体选择性差异，因而产生不同的药理作用和不良反应。

据不完全统计，《中华人民共和国药典》2020版第二部收录的1000余种原料药中，具有手性的药物近600种，但绝大部分以外消旋体供临床使用；对药物有明确手性构型要求的仅159种，占全部药物的16.0%[7]。因此，为了保证手性药物使用过程中的安全、高效，建立手性药物中两种对映体的分离、分析方法，对高效、低毒、专一药物的研发、评价和临床使用，起着重要作用。

手性高聚物[8-9]是指，聚合物由于本身或构象不对称因素具有旋光性的高分子,引起不对称性或含有手性原子基团而具有构型上的特异性，能够形成相对稳定的单向螺旋链。手性高聚物多应用于导电材料、微波吸收材料和电磁波等领域，由于其具有很强的光学活性，因此在手性领域有着极高的研究价值。

聚苯胺(polyaniline,PANI)由于具有亲水性、低毒性、良好的环境稳定性和纳米结构形态等优点成为聚合物中的研究热点[10-11]。手性聚苯胺具有规整的二级结构，其手性来源于单方向空间螺旋结构。

目前，合成手性聚苯胺的方法有：化学氧化法、电化学法、二次掺杂法、模板法、自组装法、低聚物辅助法、界面聚合法等7种方法[12-13]，不同种方法可制备出相同、相近形貌的手性聚苯胺。

2008年,黄艳等[14]对手性聚苯胺的制备方法进行了简单综述，本文对手性聚苯胺的制备方法、形貌以及在手性识别领域的应用进行论述。

1 手性聚苯胺的制备方法

1.1模板法

模板法是指，苯胺单体通过酸-基底相互作用，优先在分子模板上进行排列聚合，通过静电作用形成质子化聚苯胺链，与阴离子聚合电解质模板分子链相互缠绕，最后形成分子复合物。例如，Zou F等[15]在AOT的帮助下，AOT既是模板剂又是分散剂，以HRP为催化剂和手性诱导剂，一步合成了手性、导电和水溶性聚苯胺；Devendra K等[16]通过聚苯胺与氨基酸之间的静电相互作用和氢键作用，以天然手性氨基酸为软模板，合成了聚苯胺新型超结构形态；Guo H等[17]提出了一种合成手性导电聚苯胺的绿色新方法，采用模板辅助聚合法合成了蛋白质诱导的手性聚苯胺；Chen J等[18]首次对修饰血红蛋白(Hb)诱导合成手性聚苯胺进行了深入研究；等等。

1.2 化学氧化法

化学氧化法是指，把氧化剂直接加入到手性酸的苯胺溶液中，进行氧化聚合得到手性聚苯胺。该方法操作简便，可实现聚苯胺的大量制备。例如，Caramyshev A V等[19]研究了十二烷基苯磺酸(DBSA)存在下胶束过氧化物酶催化手性聚苯胺的合成；Naar N等[20]以二苯甲酰酒石酸(DBTA)为掺杂剂，通过手性苯胺单体重复单元氧化聚合成手性聚苯胺；Zhou C等[21]与袁干印等[22]在HCl/异丙醇/水酸性水体系中中，通过化学氧化苯胺制备了手性纳米结构的聚苯胺；等等。

1.3 电化学法

电化学法是利用电极形成的电位差作为聚合反应的引发力和驱动力，在一定的电化学条件下，苯胺在阳极上发生氧化聚合反应，最后得到粘附在电极表面的薄膜或者沉积在电极表面的聚苯胺。例如，Barisci J N等[23]研究苯胺的聚合，在D/L-CSA溶液中，以聚乙烯氧化物为稳定剂，通过恒电位在流体力学条件下在电化学流池中进行电合成，用圆二色光谱法表征到聚苯胺的光学活性；Aboutanos V等[24]以直径20nm的细二氧化硅为分散剂，在D/L-CSA存在的情况下，苯胺通过电流体动力聚合，可制备出稳定的、具有光学活性的聚苯胺；Li W等[25]通过电化学方法在氧化铟锡(ITO)衬底上聚合苯胺，制备了具有高光学活性的聚苯胺；Kim E等[26]采用动态电位沉积的方法制备了二元掺杂剂D-CSA/HCL的手性聚苯胺；等等。

1.4 二次掺杂法

二次掺杂法是指，直接利用EB进行二次掺杂，将EB溶于大分子手性酸溶剂中，手性酸作为掺杂剂进入分子链内，同时进行静电和氢键键合，由于手性诱导而优先以单一螺旋构型进行重排，最终获得具有单一的螺旋构型的手性聚苯胺。例如，杨倩等[27]采用手性掺杂酸直接对本征态聚苯胺进行二次掺杂得到手性聚苯胺。

1.5 自组装法

自组装法是指，将手性酸和苯胺单体先混合形成一种手性盐的络合物，作为后续聚合过程中的类模板，同时还能起到自催化作用，最后生成手性聚苯胺。例如，Zhang L等[28]采用无外模板自组装法合成了掺杂手性D/L-CSA的手性聚苯胺纳米管；Li X等[29]以手性酸为掺杂剂，采用自组装技术，通过原位聚合成功合成了超螺旋手性聚苯胺；Yang Y[30]等通过化学自组装将分子手性转移到纳米和微尺度上的超分子手性制备手性聚苯胺；等等。

1.6 低聚物辅助法

低聚物辅助法是将少量苯胺低聚物加入反应体系中，与其他合成法相比，该法在手性掺杂酸浓度较高时作用明显。由于苯胺低聚物的氧化电位低于苯胺单体，所以在聚合的初始反应阶段，首先被氧化的是苯胺低聚物，从而加快聚合反应速率并可作为种子来诱导手性聚苯胺的链增长。例如，Li W等[31]和Wang Y等[32]使用苯胺低聚物加速聚合反应，并向单体溶液中添加氧化剂，合成手性聚苯胺纳米纤维；Li W等[33]认为生产高手性纳米纤维的关键是CSA与生长中的聚合物链的最大相互作用，以及使用低聚物分子作为催化聚合的“种子”；等等。

1.7 界面聚合法

界面聚合反应是在两种不混溶的液体界面上进行，生成的聚苯胺由于链上掺杂剂分子的存在而具有一定的亲水性，一经生成立即就扩散到水相，远离反应界面，一方面阻止了产物的进一步生长，另一方面避免团聚现象的发生，又使界面处产物的浓度降低，这样反应就会在界面处持续进行，可合成出大量手性聚苯胺。例如，Lee K P等[34]和王芳等[35]以手性试剂D/L-CSA为掺杂剂和构象诱导剂，通过简单的界面聚合制备了手性聚苯胺；杜咪咪等[36]在合成锂锌铁氧体(LZFO)并用硅烷偶联剂(APTS)对其改性的基础上，采用界面聚合法制备了手性PANI复合吸波材料；等等。

1.8 小结

手性聚苯胺的制备方法主要有以上7种，目前制备手性聚苯胺大多采用化学氧化法、电化学法、模板法、自组装法。制备出的聚苯胺均采用圆二色谱表征其手性，但多数研究并未对产物形貌进行表征，因此本文将对手性聚苯胺形貌以及制备方法与产物形貌的联系进行讨论。

2 手性聚苯胺的形貌结构

2.1 纳米纤维

Yan Y等[37]采用自组装法，以手性掺杂剂诱导聚苯胺形成了主要的螺旋状构象，并进一步形成螺旋状纳米纤维；Zhang X等[38]采用化学氧化法，在手性诱导剂存在下，将苯胺与氧化剂PTC和APS聚合，合成了手性聚苯胺纳米纤维；Weng S等[39]采用电化学法，以D/L-CSA为掺杂剂，采用不含模板的直接电聚合方法制备了两种手性螺旋聚苯胺纳米纤维；Li R等[40]采用自组装法，通过胺封端低聚苯胺的自组装过程，可以显著增强聚苯胺超分子结构的手性，获得了摩尔度高的聚苯胺纳米纤维。

2.2 纳米管

Yang Y等[41]采用自组装法，首次以(S)-(-)-2-吡咯烷酮-5-羧酸(S)- pca或(R)-(+)-2-吡咯烷酮-5-羧酸(R)- pca为掺杂剂，采用无模板法成功合成了聚苯胺的手性纳米管；Zhang L等[42]采用自组装法，合成了手性D/L-CSA掺杂的手性聚苯胺纳米管；Li G等[43]采用化学氧化法，以十二烷基苯磺酸钠为原料，制备了形貌可控的聚苯胺管。

2.3 其他纳米形貌

Li Y等[44]采用模板法，在饱和L-苯丙氨酸溶液中，调节L-苯丙氨酸与苯胺的物质的量比从0.25到40，合成了片状、球形、海胆状的手性聚苯胺；Movahedifar F等[45]采用化学氧化法，以过硫酸铵(APS)和氯化铁(FeCl3·6H2O)为氧化剂，采用无模板法快速混合，以单体(±)-2-仲丁基苯胺为原料，制备了手性聚苯胺的纳米微球。

2.4 小结

制备出的手性聚苯胺均在纳米范围内，目前采用自组装法、化学氧化法、电化学法、模板法可制备得到特定形貌的手性聚苯胺，不同种方法可制备出相同、相近形貌的手性聚苯胺，可根据不同的应用需求选取制备方法。

从手性识别领域角度出发，电化学法和化学氧化法制备出的手性聚苯胺在手性识别领域具有更高的研究价值，对多种手性物质表现出手性识别能力；其他方法制备出的手性聚苯胺主要用于催化剂、微波吸收材料、军事隐身和电磁波屏蔽等领域。下文将对手性聚苯胺在手性识别领域的应用进行论述。

3 手性聚苯胺在手性识别领域中的应用

Zhou C等[46]采用化学氧化法，在HCl/异丙醇/水的酸性水体系中对苯胺进行化学氧化，制备具有复杂结构的手性聚苯胺空心纳米纤维。在早期反应阶段的OANI(低聚苯胺)扭曲纳米带已被确定为诱导手性聚苯胺空心纳米扭曲生长的反应模板。通过调节体系中异丙醇含量可控的制备单手性聚苯胺，对色氨酸等4种手性外消旋混合物表现出优异的对映选择性分离。

He S等[47]采用化学氧化法，以樟脑磺酸为原料，通过化学氧化法合成了手性聚苯胺，形成了特殊扭曲纳米带。利用手性聚苯胺构建了用于色氨酸异构体(D/L-Trp)识别的电化学手性传感器。开发了一种新型的电化学手性传感器，将手性聚苯胺修饰在GCE上用于D/L-色氨酸的识别。结合S-PANI/D-Trp和R-PANI/L-Trp的结合常数，证明S-PANI对手性氨基酸的识别效果优于R-PANI。

张峰等[48]采用电化学法，进行了手性聚苯胺对小分子外消旋氨基酸的手性识别研究。通过测试了手性聚苯胺在丙氨酸(D/L-Ala)电解液中电化学性能的差异，表明手性聚苯胺对外消旋氨基酸具有一定的的手性识别能力，从而确定氨基酸的构型。

Saksena K等[49]采用电化学法，以L-抗坏血酸为模板，通过电生成分子印迹聚合物超薄膜，研制了手性电化学传感器，并对其生物学性能进行了分析。将电化学阻抗谱技术应用于分子印迹电极，定量测定L-抗坏血酸，检测限为 1 μmol/L。最后，该传感器在生物医学领域为血清样品中抗坏血酸的简单、快速和经济有效的手性定量提供了良好的前景。

Pandey I等[50]采用电化学法，提出了一种简单、新颖的手性分离人脑脊液和血浆中L-抗坏血酸和D-抗坏血酸的方法。通过电聚合分子印迹聚苯胺二茂铁磺酸c点修饰铅笔石墨电极可以对水和一些生物样品中D/L-抗坏血酸进行分离和定量分析。与D-抗坏血酸相比，L-抗坏血酸选择性传感器对L-抗坏血酸表现出优异的选择性，反之亦然。该传感器用于药物和人体血浆样品(孕妇和非孕妇)的L-抗坏血酸的手性检测，具有良好的选择性和灵敏度。

杨倩等[27]采用二次掺杂法、自组装法制备手性聚苯胺，再通过 Stöber 法以 PANI 为核，正硅酸乙酯水解在其表面包覆SiO2制备PANI@SiO2。将制备得到的D-PANI和D-PANI@SiO2分别用于丙氨酸对映体选择性结晶,L-丙氨酸均优先结晶,且D-PANI@SiO2手性识别能力更强。