新型超分子的合成及在醫藥學和材料科學中的應用*

陳 瑜

（陜西中醫藥大學基礎醫學院，陜西咸陽 712046 ）

分子化學主要研究原子之間通過共價鍵或離子鍵形成的分子實體的結構與功能；而超分子化學則研究兩個或兩個以上分子通過分子間作用力結合而成的化學實體的結構與功能。還在1978 年，法國J. M. Lehn( 諾貝爾化學獎獲得者) 基于傳統的植根于有機化學中的主- 客體系研究，提出了“超分子化學”的完整概念，他指出：“基于共價鍵存在著分子化學領域，基于分子組裝體和分子間鍵而存在著超分子化學”。即超分子化學是基于分子間相互作用和分子聚集體的化學。其在與四大化學、大環化學、配位化學、金屬有機化學、生物學、材料科學、生命科學等其它學科的交叉融合中，超分子化學已發展成新興的熱門交叉邊緣學科——超分子科學，被認為是21 世紀新思想、新概念和高科技的重要源頭。由于超分子化學的應用無處不有，故為環境科學、信息科學、能源科學、納米科學、材料科學和生命科學的發展開辟了一條嶄新的道路。不僅如此，超分子化學在工業、農業、國防、醫藥學、航空航天科學等領域已彰顯出廣闊的應用前景。

1 新型超分子化合物的合成及在醫藥學中的應用

1.1 新型金屬有機大環- 肝素鈉超分子凝膠的合成及在醫藥學中的應用

研究表明，肝素鈉主要是由糖醛酸和葡萄糖胺組成的一種高負電荷的聚陰離子，其可通過靜電相互作用與多種蛋白質( 如抗凝血酶、纖維原細胞生長因子以及細胞外超氧化歧化酶) 發生相互作用從而在生理上起著非常重要的作用[1-2]。因此，研究肝素鈉與帶正電荷物質之間的靜電相互對了解其生理作用有非常大的幫助。為此，華東師范大學的吳貴淵等人基于他們課題組之前對有關逐級自組裝方面的研究基礎，他們利用配位導向自組裝，主客體相互作用為主題通過逐級正交自組裝策略制備了一種外圍接有三個準輪烷的六邊形金屬有機大環。由于其準輪烷上有多個烷基鏈，因此在高濃度下金屬有機大環在二甲亞砜（DMSO）溶劑中可形成凝膠。向該凝膠中加入二異丙基乙胺(DIEA)或者四丁基溴化銨(TBABr)，它會轉化為溶膠的狀態，然后再向其中加入對甲苯磺酸或者六氟磷酸銀又可以恢復到原來凝膠狀態。有趣的是，在低濃度下金屬有機大環并不能形成凝膠為溶液狀態，但是向其中加入肝素鈉之后，他們通過靜電相互作用帶正電荷的金屬有機大環穿入線性肝素鈉形成串珠狀超分子，同時形成超分子凝膠。同樣的這種凝膠可以通過酸堿或者離子刺激響應使其從凝膠到溶膠之間的相互轉化[3]。該研究將在生命科學、生物學、生物化學、醫藥學、超分子凝膠化學等領域得到應用。

1.2 新型硼簇偶聯柱芳烴超分子聚集體的合成及在醫藥學中的應用

研究表明，硼簇是硼中子俘獲療法（BNCT）中一類重要的硼攜帶試劑，其結構對稱，含硼量高，具有富電子的結構，且對人體細胞的毒副作用小，因而對于癌癥治療具有非常重要的應用前景[4]。然而如何快速高效地將硼簇化合物運送到指定的腫瘤細胞始終是一個研究熱點。柱芳烴作為一類新型大環主體分子，由于其獨特的剛性空腔結構及可修飾的特性，在超分子自組裝方面表現出天然的優勢[5]。硼簇和柱芳烴偶聯化合物的合成有望結合兩者的優點，這種具有自組裝能力的偶聯產物能夠使硼原子能夠更加有效地聚集在癌細胞周邊，從而促進其在硼中子俘獲療法中的應用。為此，武漢大學的漆斌等人首次合成了硼簇偶聯的柱芳烴化合物，并對其聚集行為進行了系統地研究。他們的研究發現，硼簇偶聯柱芳烴能夠形成直徑在500nm～1500nm 范圍的納米顆粒[6]，這種超分子聚集體對于BNCT 的作用很顯著。該研究將在醫藥學、材料科學及納米科學等領域得到應用。

2 新型超分子化合物的合成及在材料科學中的應用

2.1 新型超分子凝膠的合成及在材料科學中的應用

研究表明，超分子凝膠作為一種新型“軟材料”是當前超分子化學和材料科學的研究熱點之一[7]。在超分子凝膠形成過程中，氫鍵、范德華力、π-π 堆積及疏溶劑作用等分子間弱相互作用發揮著重要作用[8]。為此，河北師范大學的揣晶等人利用具有氫鍵給受體能力的酒石酸為原料經過簡單、成熟的化學反應設計合成了兩種凝膠因子。隨后的凝膠性能測試表明這兩種凝膠因子具有較低的臨界凝膠化濃度和較高的相轉變溫度。更有趣的是，所制備的凝膠因子通過簡單的震蕩即可高效、選擇性地凝膠化水中硝基苯和苯肼。他們的工作將為水中苯肼、硝基苯的去除提供一種新的方法[9]。該研究將在凝膠化學、材料科學及分析分離科學中得到應用。

2.2 新型雙重刺激-響應的聚集誘導發光超分子聚合物的合成及應用

研究表明，超分子聚合物是指單體通過分子間可逆的非共價鍵作用自組裝形成的高分子體系。與傳統基于共價鍵的高分子聚合物相比較，超分子聚合物體系中非共價鍵的存在賦予超分子聚合物諸如結構動態可調、對外界環境具有刺激- 響應性、且具有自修復性能及優異的材料加工性能等諸多優異性質[10-11]。為此，華東師范大學的張昌偉等人通過逐級自組裝策略成功構筑了具有雙重刺激響應聚集誘導發光性質的交聯超分子聚合物。首先他們通過合理設計，將氰基單元和吡啶單元引入四苯乙烯骨架，得到吡啶給體（A）；隨后他們通過配位驅動自組裝，得到菱形大環（B）。B 與含有兩個柱芳烴單元的主體分子在溶液中通過主客體作用形成兩種交聯超分子聚合物。由于形成的超分子聚合物使得四苯乙烯基元分子內運動受限，因此展現出聚集誘導發光行為。由于配位鍵和主客體作用的動態可逆性，得到的兩種超分子聚合物在競爭客體、鹵素離子的刺激下展現出熒光轉換響應性質[12]。該研究將在材料科學、分析分離科學及主客體化學的領域得到應用。

2.3 新型超分子金屬有機大環化合物的合成及在熒光材料上的應用

熒光分析表明，光可調的熒光分子通常是由光致變色基元和熒光基元構建，初始熒光基元發射熒光，紫外光照射后熒光基元與光致變色基元發生能量轉移或電子轉移淬滅熒光，實現對熒光的調節，這種從有熒光到無熒光的過程可以用于光學材料存儲器[13-14]。然而超分辨熒光成像初始需要暗的即無熒光的背景，因而通常的光致變色熒光分子不能用于超分辨熒光成像。另一方面，超分子金屬有機大環由于金屬與配體之間的相互作用通常是無熒光的或者弱熒光的，這極大了限制了它們在材料、生命等領域的應用。為此，華東師范大學的秦毅等人基于他們課題組關于功能化自組裝體系的研究，設計合成了一類二噻吩乙烯為骨架的光致變色金屬有機大環，初始大環沒有熒光，紫外光照射后，二噻吩乙烯發生光環化反應變成閉環狀態同時大環發射出強烈的熒光，熒光量子產率較高（ΦF = 0.5 左右），因此其在超分辨熒光成像、熒光材料等領域具有潛在的應用前景[15]。該研究將在熒光材料、熒光分析及金屬有機化學的研究中得到應用。

2.4 新型超分子智能窗材料的合成及應用

實驗表明，智能窗能夠給人們提供舒適的室內環境,在智能窗的制備過程中，功能材料起著至關重要的作用[16]。傳統的智能窗材料往往局限于單功能化，僅能用于調節太陽輻射能量的進入，但對冷/ 暖色調的調控研究卻很少涉及。鑒于不同色調能夠對人們的情緒產很很大的影響，因此，開發一類理想的冷/ 暖色調可轉換的溫致變色智能窗材料，既能保留傳統材料對太陽輻射能的調控功能又能改善人們的情緒，故具有非常重要的潛在應用和開發前景[17]。為此，南京大學的王賽等人報告并提出一種不同性質的正交一體化策略，即他們將乙二醇修飾的柱[6]芳烴（EGP6）的熱響應性與氧化還原誘導的二茂鐵/ 二茂鐵鎓離子基團之間暖色與冷色之間可逆轉換的性質正交一體化于一個體系中，制備了冷/ 暖色調可轉換的溫致變色材料。基于EGP6 與二茂鐵的主- 客體作用，他們將二茂鐵側鏈修飾的聚丙烯酰胺聚合物凝膠（Fc-gel）浸泡在EGP6 水溶液中，得到了顯著溶脹且高度透明的水凝膠（Fc-gel?EGP6）。該水凝膠中，因二茂鐵基團在氧化還原刺激下能夠在橘色和綠色之間可逆轉換，使其具有冷/ 暖色調轉換的性能，因此，由該水凝膠制備的智能窗具有改善人們情緒的功能。這種冷/暖色調可轉換的溫致變色智能窗材料成功地為不同性質的正交一體化策略首先提供了應用實例，同時該策略也為新型功能化材料的開發提供了新的思路[18]。該研究將在材料科學、環境科學及主客體化學的研究中得到應用。

3 新型超分子化合物的合成及在催化中的應用

3.1 新型脫氧核糖核酸酶Ⅰ響應的杯吡啶-DNA 超分子組裝體的合成及應用

眾所周知，DNA 是一種具有特殊性質的生物聚陰離子，它可與帶正電的離子形成穩定的超分子絡合物[19]。刺激響應組裝體因其在化學、材料和生物醫藥等多個領域具有廣闊的應用前景，因而近年來受到廣泛關注。在多種刺激響應信號中酶響應信號更為重要，因為酶在大多數生化過程中扮演著重要的角色。此外，酶表達水平上的畸變與許多疾病有關[20]。為此，天津師范大學的任曉偉等人在該實驗中成功地構筑了脫氧核糖核酸酶I 響應的杯吡啶-DNA 二元超分子組裝體。向一定濃度的杯吡啶溶液中滴加DNA 溶液，350nm 處的透光率先逐漸下降而后趨于穩定，這說明主客體間形成了二元超分子組裝體。他們將脫氧核糖核酸酶I 加入到杯吡啶-DNA超分子組裝體溶液中，發現其在350nm 處的透光率隨時間逐漸上升，這揭示脫氧核糖核酸酶I 對杯吡啶-DNA超分子組裝體有顯著的解聚作用[21]。該研究在材料科學、催化科學、生物醫藥及疾病診斷中有著廣闊的應用前景。

3.2 新型功能超分子大環化合物的合成及應用

研究表明，配位超分子大環或多面體型分子容器在重要小分子/ 離子的識別與傳感、仿生催化、靶向藥物傳輸等方面擁有廣泛的應用前景。得益于配位導向自組裝合成策略的發展，該類配合物具有定量制備、嚴格單分散、易于調控和修飾等諸多明顯區別于金屬有機骨架（MOF）或膠束材料的優點。基于過渡金屬導向的分子容器設計，中國科學院福建物質結構研究所結構化學國家重點實驗室的孫慶福等人在納米管材料的可控制備與高效催化[22]、誘導匹配的陰離子識別[23]、基于主客體化學的超分子催化等研究方面取得系列進展。同時，鑒于過渡金屬超分子組裝體系中僅作為連接基元的金屬離子自身功能性的缺失，他們將具有優異光電磁性能的稀土離子引入到配位自組裝的結構設計中，運用立體選擇性的手性自分類組裝、自下而上逐級自組裝、金屬置換自組裝等手段，成功合成了一系列具有絕對立體構型的多核稀土發光分子容器，并對它們的溶液自組裝機理、發光調控規律、藥物傳輸、仿生催化、傳感與分離等功能化應用進行了深入研究[24]。該研究將在分析分離科學、傳感器科學、仿生催化科學及醫藥學等領域得到應用。

4 結語

目前對超分子化學的研究主要集中于：（1）基礎理論研究: 主要是超分子結構及其譜學的研究，包括分子間弱相互作用與分子識別、超分子靜態與動態結構、理論計算模擬、超分子的組裝方法及自組裝過程、超分子體系的譜學研究等；（2）與物理以及材料科學的交叉：通過組裝形成的超分子化合物材料具有結構多樣性，在催化、分子識別、化學吸附、分子磁體、非線性光學、藥物合成等領域有著廣闊的應用潛力，因此它的研究成為當前超分子化學研究的熱點之一。超分子化學在納米材料制備、納米團簇的超分子化學組裝、層狀三維結構與器件、插層材料及功能化、表面圖案與功能化，其光電信息材料及器件等領域已取得重大進展；（3）與化學及生物學的交叉中，超分子化學為化學學科提供了新穎的輪廓和觀點，其基礎概念已經貫穿了主要的化學領域，與無機化學、大環化學、配位化學、金屬有機化學的結合呈現出強大的生命力；在分子識別與人工酶、酶的功能、短肽及環核酸的組裝體及其功能等領域凸顯出廣泛的應用價值。隨著人們對超分子化學研究的不斷深入，我們相信超分子功能材料及智能器件、分子器件與機器、分子馬達、DNA 芯片、導向及程控藥物釋放與催化抗體、高選擇催化劑等，將會逐一成為現實。由于超分子化學的發展，會使得分子計算機和生物計算機的實現指日可待。在信息科學方面，超分子材料正向傳統材料挑戰，一旦突破，將帶動信息及相關領域的產業技術革命，會對世界經濟產生深遠的影響。