新型大环超分子化合物的合成及其应用新进展*

冀世保，张来新

（1 西安交通工程学院，陕西 西安 710300；2 宝鸡文理学院化学化工学院，陕西 宝鸡 721013）

早在1978年，法国化学家Jean-Mamie Lehn(让-马里·莱恩)基于传统的有机化学中的主-客体体系研究，首先提出了“超分子化学”的完整概念，由于他创立了超分子化学，于1987年获得诺贝尔化学奖。还在1978年，让-马里·莱恩就指出：“基于分子内的共价键或离子键存在着分子化学，基于分子组装体和分子间键存在着超分子化学”。即超分子是由两个或两个以上分子通过分子间相互作用力结合而形成的化学实体的物种。而超分子化学是研究基于分子间相互作用和分子聚集体物种的合成、应用及相互转化的化学。其在与传统的四大化学、大环化学、主客体化学、配位化学、纳米化学、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，已发展成为一门新兴的热门交叉边缘学科——超分子科学。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 新型超分子化合物的合成及在医药学中的应用

1.1 有机超分子组装体-的合成及在医药学中的应用

有机超分子化学在化学生物学、环境科学、纳米科学、医药化学、材料科学等领域有着广阔的应用前景[1-2]。然而，通过多层次组装的方法可以构筑一系列具有多功能性能的组装体，这些组装体已成为当今超分子化学研究的热点。为此，南开大学的刘育等人已在超分子化学的多层次组装方面开展了一系列卓有成效的研究工作。他们研究了环糊精、葫芦脲等大环分子对不同客体分子的键合、包合作用；与此同时，他们还构筑了多种具有生物功能的有机超分子组装体，如分子胶囊、纳米粒子、纳米管等纳米组装体，并研究了它们在药物负载、荧（磷）光传感、细胞成像、传递释放以及癌症治疗等方面的应用。由此我们不难看出，他们的工作对于超分子化学在药物化学方面的应用和发展具有重要的科学价值，同时也为超分子化学在化学生物学和医药化学领域的进一步研究奠定了基础[3]。该研究将在化学生物学、环境科学、纳米科学、医药化学、材料科学等领域将得到广泛应用。

1.2 超分子笼化学在医药学等方面的应用

当今的研究表明，金属-有机笼状化合物（Metal-Organic Cages, MOCs）自组装是当前配位超分子化学领域研究的一个热点，其被认为在主客体化学、分子容器和反应器、分子器件和机器等方面有着广阔的应用前景[4-5]。为此，中山大学的苏成勇等人在金属-有机分子笼自组装方面做了大量的研究工作，他们不但研究了如何组装功能化的“活性分子笼”作为纳米分子容器与反应器，同时还研究了微纳限域空间的配位超分子化学。如通过预设计具有手性、光电、催化、氧化还原等活性的功能中心，实现了功能化微纳配位空间的构筑，研究限域空间配位分子笼在客体识别和保护、手性识别与分离、立体选择性光催化与有机反应、药物输送以及分子器件方面的应用[6]。该研究将在主客体化学、分子容器和反应器、分子器件和机器手性识别与分离、立体选择性光催化与有机反应、氧化还原、药物输送以及分子器件方面等方面有着广阔的应用前景。

1.3 超分子柔性有机骨架的合成及其在医药学中的应用

研究表明，超分子和柔性有机骨架在医药学理疗中有着广阔的应用前景。为此，复旦大学的黎占亭等人利用葫芦[8]脲（CB[8]）对芳香堆积二聚体的包结，构建了水溶性超分子有机骨架（Supramolecular Organic Frameworks, SOFs）结构体系，并揭示了其原位负载和输送抗肿瘤药物和核酸的功能[7-8]。他们还利用高密度正离子四臂单体的光诱导[2+2]环加成反应，制备了水溶性共价有机骨架（water-soluble Covalent Organic Frameworks, wsCOFs）和有机多孔聚合物（water soluble porous organic polymers, wsPOPs）。他们又利用水相腙键的室温定量形成，从简单的多臂单体出发，构建了高水溶性柔性有机骨架（Flexible Organic Frameworks,FOFs），研究了不同类型的孔道结构基于吸收的新的药物拮抗、中和和内毒素隔离功能，探讨了孔道型结构作为生物和药物活性结构的应用前景和医药学上将要解决的难题[9]。该研究将在生物化学、医药学、生命科学、环境科学及材料科学等研究中得到应用。

2 新型超分子化合物的合成及在催化科学中的应用

2.1 大环-阴离子复合体在催化科学中的应用

研究表明，超分子催化作为超分子化学与催化的交融科学，彰显了超分子体系功能化研究的重要方向，并为发展全新一代催化体系提供重要的途径。大环化合物具有仿酶受限空腔和高效特异选择性结合能力，故其在发展高效超分子催化体系方面必然凸显出巨大潜力。受阴离子超分子化学的启发，中国科学院化学研究所的王其强等人以阴离子识别为导向，利用阴离子种类繁多、多几何形状和多作用位点，建立了受限空间内多重弱相互作用的有效协同与调控方法，以实现高选择性的识别-催化转化。为此，王其强团队依据上述思路进行了精心研究，其成果包括：其一，创立和发展了大环抗阴离子捕获超分子催化策略，通过大环-阴离子复合诱导的酸性增强和仿酶催化口袋的形成，实现了反应的巨大加速与精准手性控制[10-11]；其二，受酶催化诱导-契合机制的启发，以阴离子促进的大环二聚组装体为原型，发生了底物诱导组装协同催化作用，实现了动态的仿酶协同不对称催化；其三，发展了一种有效的超分子π-催化剂，利用受限的缺电性分子笼孔腔促进协同的阴离子-π活化，实现了高效、高选择性的催化转化[12]。该研究将在有机合成化学、超分子化学、分析分离科学及催化科学等领域得到广泛应用。

2.2 V型三嵌段超分子配体催化剂的合成及其应用

研究表明，纳米尺度的介孔材料因其具有较高的比表面和孔隙率，故其是储能、分离、催化等领域的关键材料，备受各行各业的关注和喜爱。面对多孔材料在不同领域的需求，基于超分子组装和识别，中山大学化学学院的黄哲钢等人研究了系列孔表面结构的调控，并探讨了功能性多孔有序体的宏观性质[13-14]。在其研究中，他们首先从刚性配体和金属催化剂的配体结构入手，优化催化剂的表面结构，提高催化剂和反应物之间的有效碰撞，加快催化速率，提升重复利用。与此同时，他们制备了V型三嵌段超分子配体，利用超分子配体的层组装构筑三明治结构金属催化剂，从而阻止催化剂的团聚，提高了催化剂的转化次数。他们还利用超分子催化剂的动态组装特性，从而解决了非均相反应的调控难题，构建了循环性的可持续催化方法；他们又借助超分子催化剂的反应匹配性，对多重偶联实现了可控聚合。其次，他们又通过超分子嵌段分子的光敏功能化，改善催化剂的表面结构，构筑出新型多孔光敏氧化剂，通过孔道的限域效应，促进了氧化-还原反应的发生[15]。该研究将在催化科学、能源科学、纳米科学、材料科学及分析分离科学等众多领域得到应用。

2.3 超分子手性识别在不对称电化学有机合成中的应用

研究表明，在不对称电化学有机合成中，通常利用手性小分子营造手性环境，其中包括生物碱和氨基酸等[16]。目前所报道的产率和ee值都并不理想[17]。为此，贵州大学的丛航等人基于多年对大环化学和超分子化学研究的经验，提出了应用手性大环化合物进行不对称电化学有机合成的新思路，即他们运用大环主体分子的空腔结构，对底物分子进行超分子包结，从而提高了反应选择性和反应效率。其方法是他们首先利用手性大环化合物Mulifarene[3,2,1]（CMF[3,2,1]）构建了高灵敏度的、高选择性的手性电化学器。他们基于苯乙酮和手性大环化合物CMF[3,2,1]之间的超分子相互作用，在手性的微环境中实现了底物的电化学对映选择性还原，得到了70.9%的产率和63.9%的ee值。他们还通过对手性电极的重复性实验使用，其也表现出了良好的可回收性、可重复使用性和稳定性。不仅如此，他们在使用各种苯乙酮衍生物去研究已开发的用于对映选择性还原的超分子有机电合成中，也发现了高选择性和高反应性，从而为手性电化学合成提供了一条崭新的超分子催化途径[18]。该研究将在催化科学、手性合成、材料科学及电化学等众多领域得到应用。

3 新型超分子化合物的合成及在材料科学中的应用

3.1 一种新型水溶性超分子轮烷配合物的合成及在材料科学中的应用

研究表明，光控智能材料因其在光开关、智能表面、光诱导形状记忆聚合物、功能囊泡、生物纳米器件和分子机器等领域的潜在应用而备受人们关注[19-20]。为此，南开大学的林文静等人设计完成了具有实际应用价值的光刺激响应稀土发光材料的制备，即他们利用大环化合物（H）、吡啶二酸衍生物（DPA）、镧系元素（Ln）以及二芳基乙烯衍生物（DAE）通过其主客体相互作用，构筑了一种新型水溶性超分子轮烷配合物。由于H/DPA/Ln发光聚轮烷的荧光发射与二芳基乙烯分子的构象依赖性光致变色荧光共振能量的转移，二芳基乙烯单元的开环/闭环异构化导致超分子轮烷对光的可逆响应。他们还进一步将超分子轮烷配合物制成凝胶，在玻璃板上写“N”字符，利用紫外和可见光交替照射，实现了字体发光的光调控。该研究已为智能防伪材料的开发提供了一种新方法[21]。该研究还将在光开关、智能表面、光诱导形状记忆聚合物、功能囊泡、生物纳米器件和分子机器等领域得到广泛应用。

3.2 一种超分子组装体在质子转移刺激响应材料中的应用

研究表明，光诱导的质子转移刺激响应材料在众多领域得到了广泛关注和应用，然而可见光响应的可逆质子转移用于构建超分子组装体的研究方兴未艾[22-23]。为此，南开大学的张荣等人构建了基于两亲性磺化杯[4]芳烃（SC4A6）、四苯乙烯衍生物（TPE-4Py）和光酸（MEH）的光驱动超分子组装体，由于光酸MEH的存在，TPE-4Py可以实现可逆的质子化和去质子化过程，使其能够实现可逆的调控组装过程，同时伴随着不同的荧光发射。另外，罗丹明B（RhB）的引入实现了有效的荧光共振能量转移（FRET）。这种光响应的组装体由于其可变的发光行为，使该材料可应用于信息加密与防伪[24]。该研究将在信息科学、材料科学、光化学及超分子化学等领域的研究中得到广泛应用。

4 结语

近年来，植根深远、方兴未艾的超分子化学作为一门新兴的热门边缘交叉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，在今后将被逐一实现。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进行着挑战，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。故我们应该坚信，随着人们对超分子研究的不断深入，超分子化学这把“万能的钥匙”，必将启开更多的应用“锁”。显然，现今的超分子科学已成为21世纪新思想、新概念和高新技术的重要源头。