新型雙親結(jié)構(gòu)特殊功能性化合物分子設(shè)計(jì)、構(gòu)筑與應(yīng)用

章亞東

（鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001）

新型雙親結(jié)構(gòu)特殊功能性化合物分子設(shè)計(jì)、構(gòu)筑與應(yīng)用

章亞東

（鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001）

眾所周知，表面活性劑分子是一類含有典型親水、親油雙親結(jié)構(gòu)的特殊功能性化合物，其應(yīng)用已遍及國民經(jīng)濟(jì)的眾多行業(yè)領(lǐng)域，更有“工業(yè)味精”美稱。而從結(jié)構(gòu)上來說，一類新的具有類似表面活性劑典型雙親結(jié)構(gòu)，但并不是通常意義的表面活性劑的特殊結(jié)構(gòu)物質(zhì)，具有新的應(yīng)用領(lǐng)域，其不僅擴(kuò)展了表面活性劑傳統(tǒng)應(yīng)用范圍，并給諸多高新技術(shù)領(lǐng)域帶來新的強(qiáng)烈沖擊，這一現(xiàn)象非常值得引起我們產(chǎn)學(xué)研各界高度重視，并深入開展基礎(chǔ)理論及應(yīng)用研究。

引言

表面活性劑是一類典型的有序分子聚集體體系，其分子是由親水基和疏水基組成的雙親結(jié)構(gòu)，能改變體系界面狀態(tài)，從而產(chǎn)生潤濕或反潤濕、乳化或破乳、起泡或消泡以及增溶等一系列作用。

隨著合成化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，具有各種性能的表面活性劑陸續(xù)問世，使表面活性劑的應(yīng)用有較為迅猛的發(fā)展。物質(zhì)功能不僅依賴于構(gòu)成體系基元分子的理化性質(zhì)，在很大程度上還取決于分子的聚集形式，即分子以上層次的高級(jí)結(jié)構(gòu)。多個(gè)分子聚集而成的有序聚集體，表現(xiàn)出單個(gè)分子不具備的特有性質(zhì)。在生物體系、材料體系以及某些生態(tài)環(huán)境中，都有許多這種有序聚集體存在。

有序高級(jí)結(jié)構(gòu)聚集體可以描述為由兩個(gè)以上的相同或不同的亞基（借用蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的表述），通過分子間的弱相互作用，形成具有有序的高級(jí)結(jié)構(gòu)的不連續(xù)的分子組合體。

尋找與高科技密切相關(guān)的光、電、磁、聲、催化功能以及生物功能的功能體系（聚集體），一直是國際上化學(xué)研究的熱點(diǎn)和前沿領(lǐng)域。

1 有序聚集體的基本構(gòu)成及形式

有序聚集體的構(gòu)成組分可以是小分子（含有機(jī)、無機(jī)分子）、大環(huán)分子（含穴醚、冠醚、富勒烯等）及聚合物等，聚集體存在于固相、液相及氣相中。實(shí)際上，聚集體的形成是多種弱相互作用力的協(xié)同、加合作用的總體效應(yīng)的體現(xiàn)。其存在形式大體上可分為以下三種主要類型。

1.1 氫鍵體系

氫鍵因其方向性、選擇性而成為構(gòu)筑有序高級(jí)結(jié)構(gòu)中最廣泛的分子間相互作用，蛋白質(zhì)、DNA等聚集體的結(jié)構(gòu)與功能的調(diào)節(jié)及維系，很大程度上依賴于氫鍵的作用。氫鍵具有飽和性，需要選擇具有合適作用位點(diǎn)的互補(bǔ)分子作為組成單元。

1.2 疏水體系

亞基主要通過疏水相互作用結(jié)合而成聚集體。主要是環(huán)糊精體系，其疏水性內(nèi)腔與疏水性基團(tuán)形成2∶1或1∶1計(jì)量比的聚集體，分別為有限囊狀和無限堆積的管狀構(gòu)型。原則上，任何大于環(huán)糊精空穴尺寸的疏水性基團(tuán)，如硼烷、富勒烯、卟啉等都能夠誘導(dǎo)形成2∶1或2∶2型的環(huán)糊精： 客體聚集體，聚集狀態(tài)與客體的種類、濃度有關(guān)。

1.3 配位體系

金屬-配體間配位作用強(qiáng)且配位構(gòu)型多樣，有利于構(gòu)筑多個(gè)亞基組成的聚集體。金屬-配體間的非共價(jià)作用相對(duì)較強(qiáng)，得許多體系在溶液中也同樣能夠形成聚集體。常見體系有：兩配體體系及多組分體系等，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三角形、四方形、籠形等。例如，三個(gè)鈀原子與兩個(gè)三吡啶配體在客體疏水作用誘導(dǎo)下，形成納米級(jí)籠形顆粒，聚集體的產(chǎn)率受客體控制，要求客體同時(shí)包含疏水性基團(tuán)和羧基等基團(tuán)。

2有序分子聚集體體系的構(gòu)筑與應(yīng)用

2.1 藥物制劑領(lǐng)域應(yīng)用

后基因組時(shí)代的新藥研究領(lǐng)域，一種新的研究模式正在形成，即從基因到蛋白，確定藥物作用靶點(diǎn)后，利用計(jì)算機(jī)虛擬篩選技術(shù)、組合化學(xué)及高通量篩選技術(shù)快速發(fā)現(xiàn)新藥。生物篩選的目的是得到競(jìng)爭(zhēng)性、高親和力、可逆結(jié)合、特異性的配體。隨著分子生物學(xué)的迅猛發(fā)展，越來越多的基因被克隆和表達(dá)，大量新的藥物作用的理想靶標(biāo)蛋白被發(fā)現(xiàn)和表達(dá)純化，基于聚集的作用機(jī)理，是很多藥物分子與蛋白作用的共同特性。因此藥物分子的分子形態(tài)、其與蛋白質(zhì)作用的方式以及在體內(nèi)的傳輸模式，引起人們的廣泛關(guān)注。在傳統(tǒng)藥物劑型中，有序分子聚集體可用于難溶性藥物的增溶、油的乳化、混懸液的分散助懸、增加藥物的穩(wěn)定性等。隨著近幾年表面活性劑的發(fā)展日趨“綠色天然”，表面活性劑的研究轉(zhuǎn)向安全、溫和、無毒、易生物降解等方向，具有這些特點(diǎn)的表面活性劑在制藥工業(yè)中的應(yīng)用將更為廣泛?？梢灶A(yù)見，隨著表面活性劑的應(yīng)用研究日益深入，它在制藥工業(yè)中的應(yīng)用將會(huì)受到越來越多的重視，這將推動(dòng)制藥工業(yè)向更深層次發(fā)展。

2.1.1微乳體系的應(yīng)用

微乳液是指一種液體以粒徑在10nm～100nm的珠滴形式分散在另一種不相混溶的液體中形成的外觀透明或半透明分散體系。微乳液與一般乳液有明顯區(qū)別，它們不僅粒子大小不同，而且微乳液是可自發(fā)形成或稍加攪拌即可形成的外觀透明、黏度較低、表面活性劑用量較高的熱力學(xué)穩(wěn)定體系。微乳有油包水型、水包油型和雙連續(xù)型。一般形成微乳液不僅需要油、水及乳化劑，還需要加入相當(dāng)量的助乳化劑（通常為醇類物質(zhì)） 。

微乳是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ慕o藥系統(tǒng)，主要用于藥物載體。藥物載體是指能改變藥物進(jìn)入體內(nèi)的方式和在體內(nèi)的分布、控制藥物的釋放速率并將藥物輸送到靶向器官的體系。它可防止藥物過早降解、滅活、排泄以及發(fā)生人體免疫反應(yīng)。人們研究的藥物載體較多，其中有膠束、微乳液、液晶和囊泡等。與膠束、液晶和囊泡相比，微乳液有其優(yōu)點(diǎn)。微乳的穩(wěn)定性較好，可以提高藥物的貯存穩(wěn)定性，微乳作為藥物載體與細(xì)胞膜有很好的相容性，給藥途徑廣泛，且能增加藥物有效成分的溶解量從而提高藥物的生物利用度，因此受到了普遍關(guān)注。

2.1.2 在藥物新劑型中的應(yīng)用

1）在靶向制劑中的應(yīng)用。癌癥是人類健康的大敵，用化療方法治療癌癥，在產(chǎn)生治療作用的同時(shí)也殺傷人體的正常細(xì)胞，副作用極大；若將藥物制成靶向制劑，則藥物可以選擇性地達(dá)到靶器官而產(chǎn)生藥效，從而減少藥物對(duì)正常細(xì)胞的損傷。國外一些研究表明，一些非離子表面活性劑可單獨(dú)使用或與其它脂質(zhì)混和物形成非離子表面活性劑囊泡，其在體內(nèi)非常穩(wěn)定，無毒，具有生物相容性和可降解性，易大量生產(chǎn)，已成為磷脂的首選替代材料。

2）在緩釋制劑中的應(yīng)用。通過超聲波法制備囊泡包封藥物，作為藥物緩釋劑。以殼聚糖為載體制備了5-氟尿嘧啶殼聚糖微球。實(shí)驗(yàn)表明，微球具有很好的緩釋效果，而且在酸性條件下的緩釋效果更好。殼聚糖與5-氟尿嘧啶之間有比較強(qiáng)的分子間作用力，微球球形規(guī)整，分散性好，粒徑分布在1～5μm之間。

微膠囊亦是緩釋制劑的重要一種。它通過成膜物質(zhì)將囊內(nèi)空間與囊外空間隔離開以形成特定幾何結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部可以是填充的，也可以是中空的。傳統(tǒng)微膠囊尺寸通常在微米至毫米級(jí)，壁厚在亞微米至幾百微米。通過改變囊壁的結(jié)構(gòu)、組成或引入功能性組分，可獲得各種功能性微膠囊。

利用自沉積技術(shù)可將多種水溶性物質(zhì)如蛋白、DNA、酶、多肽、維生素、納米微粒及各種藥物自發(fā)包埋在微膠囊內(nèi)。例如，沉積的辣根過氧化物酶（HRP）比自由的HRP具有更好的耐溫性能、耐溶劑性能和時(shí)間穩(wěn)定性能山抗癌藥物柔紅霉素、順鉑、卡鉑和阿霉素等同樣能夠被高效率地沉積在膠囊內(nèi)，膠囊內(nèi)外藥物的比例可達(dá)50∶1，沉積的藥物在生理?xiàng)l件下又能夠被緩慢釋放出來將沉積了藥物的膠囊與癌細(xì)胞共培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，癌細(xì)胞可被逐漸殺死（凋亡）。

3）在中藥制劑中的應(yīng)用。丹參酮是丹參脂溶性成分中最主要的成分。丹參的各種制劑已廣泛應(yīng)用于治療心血管、肝炎、皮膚病和潰瘍等。

2.2 有序介孔材料的制備

有序介孔材料是指以表面活性劑為模板劑（結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑），利用溶膠-凝膠、乳化或微乳等化學(xué)反應(yīng)，通過有機(jī)物和無機(jī)物之間的界面作用，組裝生成的一類孔徑在2～50nm之間，孔徑分布窄且具有規(guī)則孔道結(jié)構(gòu)的無機(jī)多孔材料。這對(duì)于沸石分子篩難以完成的大分子催化、吸附與分離等過程是十分有意義的。同時(shí)有序介孔材料具有的規(guī)則、有序、可調(diào)的納米級(jí)孔道結(jié)構(gòu)，使其可作為納米微粒的“微反應(yīng)器”，為人們從微觀角度研究納米材料“客體”在介孔材料“主體”中組裝可能具有的小尺寸效應(yīng)、界面效應(yīng)、量子效應(yīng)等提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。

有序介孔材料作為一種新型的納米結(jié)構(gòu)材料，在催化、分離、納米技術(shù)、智能材料等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，已成為國際上化學(xué)、物理、材料、生物及信息等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

介孔材料的合成一般需要無機(jī)物種（形成介孔材料骨架元素的物質(zhì)源）、表面活性劑（形成介孔材料的結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑）、溶劑（通常為水，非水體系中也有報(bào)道）。有時(shí)為了摻雜和組裝還需加入其它物質(zhì)源等。

盡管合成的路線多種多樣，但其共同點(diǎn)是表面活性劑與無機(jī)物種之間的界面組裝作用力。改變兩相界面作用力的類型（靜電、氫鍵、配位鍵），或調(diào)節(jié)界面作用力、表面活性劑間作用力、無機(jī)物種間作用力的相對(duì)大小，就使合成的路線多樣化，從而適合合成不同結(jié)構(gòu)、組成和性質(zhì)介孔材料的需要。

2.3 肥料緩釋/控釋技術(shù)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，化肥對(duì)我國農(nóng)作物增產(chǎn)的作用占30%～40%，僅殺蟲劑和除草劑的使用也能避免30%～40%的糧食損失。但是，在農(nóng)用化學(xué)品長期使用過程中，最突出的問題就是利用率低，在肥料上表現(xiàn)為高耗能和高污染，在農(nóng)藥上則是長期殘留和安全性低。環(huán)境意識(shí)、資源保護(hù)、使用成本及人類自身安全都促使人們?nèi)パ兄聘咝А踩?、環(huán)保的技術(shù)。

緩釋/控釋技術(shù)是指在一個(gè)特定體系內(nèi)，采取某些措施來減慢某種活性制劑的釋放速度，從而在某段時(shí)間內(nèi)，體系活性制劑可以維持有效濃度。通過一定加工工藝和應(yīng)用特定緩釋/控釋材料等手段，可以使活性制劑緩慢或受控制釋放，提高利用效率。

一般來說，農(nóng)作物在一個(gè)生長期中需肥動(dòng)態(tài)大致呈S型，即開始較慢，隨后加快，再逐漸變慢。如果某種肥料能夠按照作物的需肥規(guī)律供給養(yǎng)分，那么肥料的損失將降到最小，且利用率提高。這也是緩釋/控釋肥料的最終目標(biāo)。

目前還很難嚴(yán)格區(qū)分緩釋和控釋肥料，美國植物養(yǎng)分稽查協(xié)會(huì)（AAPFCO）認(rèn)為這兩種名稱可以通用，按照習(xí)慣將對(duì)土壤較敏感、不易控制、能為微生物分解的含氮化合物如脲醛類稱為緩釋肥料，而將那些養(yǎng)分釋放速率能與作物需肥規(guī)律相匹配的肥料如包裹或包膜肥料稱為控釋肥料，即緩釋肥料的高級(jí)形式。緩釋/控釋肥料主要技術(shù)有：

1）包膜主要是無機(jī)物和有機(jī)聚合物包膜兩類。在肥料的表面通過涂覆惰性的包膜物質(zhì)來控制養(yǎng)分的釋放，成膜后可以減少肥料與外界的直接接觸、改善肥料的理化性能。

2）載體吸附固定將肥料均勻地分散、吸附于控釋材料中，形成多孔網(wǎng)絡(luò)體系，隨著控釋材料的解吸、溶蝕、降解而釋放出來。應(yīng)用控釋材料主要有高表面活性礦物質(zhì)，如包括層狀結(jié)構(gòu)的蒙脫石等、層鏈狀結(jié)構(gòu)的海泡石等和架狀結(jié)構(gòu)的沸石硅藻土等，其他的還有橡膠、石蠟、瀝青、凝膠體及聚合體等。

2.4 農(nóng)藥緩釋/控釋技術(shù)

農(nóng)藥主要以噴施為主，實(shí)際應(yīng)用中，因光解（尤其是紫外線）、水解、生物降解、揮發(fā)、流失等造成農(nóng)藥的利用率低，持效期縮短。緩釋/控釋農(nóng)藥主要是根據(jù)病蟲害發(fā)生規(guī)律、特點(diǎn)及環(huán)境條件，通過農(nóng)藥加工手段，使農(nóng)藥按照需要?jiǎng)┝?、特定時(shí)間持續(xù)穩(wěn)定地釋放，以達(dá)到最經(jīng)濟(jì)、安全、有效地控制病蟲害的目的。

1）物理型緩釋/控釋農(nóng)藥。(i)開放式系統(tǒng)：空心纖維（如醋酸纖維素等）、吸附性載體（如硅藻土）等多孔制品沒有控制膜包裹，稱為開放式系統(tǒng)。其普遍特點(diǎn)是不與有效成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而且能全部將藥液釋放出來。(ii)控制膜系統(tǒng)：利用包裹、掩蔽、吸附等原理，將原藥貯存于聚合物中的不均一體系如微膠囊劑、包結(jié)化合物或多層制品等有外層膜保護(hù)的，稱為控制膜系統(tǒng)。包結(jié)化合物亦稱為分子膠囊，即某種化合物通過氫鍵、范德華力、極化與偶極矩感應(yīng)等作用與另外的化合物形成不同空間結(jié)構(gòu)的新分子化合物。多層制品由富集農(nóng)藥的多孔纖維或高分子化合物的貯藥層和決定藥劑擴(kuò)散的膜層構(gòu)成。

2）化學(xué)型緩釋/控釋農(nóng)藥。按照聚合物與農(nóng)藥的主要聯(lián)結(jié)方式，化學(xué)型農(nóng)藥緩釋劑主要分為兩類：(i)原藥與高分子化合物直接結(jié)合；(ii)通過交（橋）聯(lián)劑與高分子化合物結(jié)合。

2.5 新型無機(jī)-有機(jī)雜化材料的構(gòu)筑

通過配位鍵或氫鍵的形成而從簡(jiǎn)單小分子配體和金屬離子構(gòu)筑具有高級(jí)有序結(jié)構(gòu)分子聚集體，已成為當(dāng)前配位化學(xué)、超分子化學(xué)及材料和生命科學(xué)等領(lǐng)域中的主流和熱點(diǎn)之一，并呈現(xiàn)出突飛猛進(jìn)、方興未艾的發(fā)展趨勢(shì)。可以預(yù)期，對(duì)這些新型體系結(jié)構(gòu)和性能的研究不僅能開拓化學(xué)發(fā)展的新局面并會(huì)促進(jìn)相關(guān)學(xué)科的交叉融合，并將進(jìn)一步拓展其在醫(yī)藥、電子、光學(xué)、電化學(xué)、催化等諸多高技術(shù)領(lǐng)域中的廣闊應(yīng)用前景。

近年來人們借助剛性小分子配體與金屬離子的配位自組裝獲得了各式各樣、精彩紛呈的零維、一維、二維和三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的功能配合物。這類剛性配體在配位過程中，配體配位齒間的間距和夾角不發(fā)生明顯變化，使得它們?cè)谂浜衔镄纬蛇^程中具有最少的不確定因素。而以柔性配體構(gòu)筑高級(jí)有序結(jié)構(gòu)配合物的研究還很少。由于σ鍵可以自由旋轉(zhuǎn)，這類配體可以根據(jù)配位環(huán)境的變化采取多種構(gòu)型，這樣的連接基團(tuán)在配位時(shí)具有較大的變形能力，從而使配位齒間距離、夾角及連接基團(tuán)的形狀都能進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)配位環(huán)境的改變，從而更易形成獨(dú)特結(jié)構(gòu)。此外，配體的這種變形能力使所形成的結(jié)構(gòu)具有一定的彈性，可能容納體積不同的客體分子或離子，使得客體基團(tuán)的吸附、釋放、交換更容易進(jìn)行。

前述構(gòu)成的配合物可具有結(jié)構(gòu)多樣性、空穴大小的可調(diào)性以及其它剛性配體配合物所不具備的特殊性質(zhì)和功能等。另外，從非手性配體構(gòu)筑手性高級(jí)結(jié)構(gòu)配合物也是富有挑戰(zhàn)性和重要意義的工作。分子手性和手性分子一直是化學(xué)和生命及材料科學(xué)研究中的熱點(diǎn)和前沿領(lǐng)域，而有限多核手性配合物或分子聚集體的構(gòu)筑和探索則是目前這一領(lǐng)域中最具挑戰(zhàn)性和最引人注目的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。它們?cè)诜蔷€性光學(xué)材料、磁性和超導(dǎo)材料、催化及生物活性等方面可能有良好的應(yīng)用前景。

3結(jié)語

有序分子聚集體體系家族，已從簡(jiǎn)單的液體構(gòu)筑向固體層面迅速擴(kuò)大，尤其是來自天然或無毒、易合成或易表面修飾的有機(jī)或無機(jī)高分子材料表面有序分子的聚集體體系所表現(xiàn)的奇異性質(zhì)，以及在高技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，正在迅速改變?nèi)藗兊闹R(shí)視野。因此，在分子以上層次研究分子聚集體高級(jí)結(jié)構(gòu)的形成、結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系是十分必要和迫切的。

高級(jí)結(jié)構(gòu)的有序性在決定分子聚集體的功能上起重要作用。具有有序高級(jí)結(jié)構(gòu)的分子聚集體往往表現(xiàn)出單個(gè)分子所不具有的性質(zhì)與功能。我們需要進(jìn)一步探討分子聚集體內(nèi)和分子聚集體之間的弱相互作用的本質(zhì)；闡明分子間如何相互識(shí)別、尋找結(jié)合位點(diǎn)以及分子間如何通過協(xié)同效應(yīng)組裝形成穩(wěn)定的有序高級(jí)結(jié)構(gòu)；弄清分子結(jié)構(gòu)與分子聚集體高級(jí)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系和聚集體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系；揭示新現(xiàn)象，發(fā)展新理論，開拓新技術(shù)，就成為分子以上層次化學(xué)的核心和基礎(chǔ)。同時(shí)，這一領(lǐng)域的研究也將對(duì)生命、材料、信息、能源和環(huán)境科學(xué)在介觀尺度上的問題提供科學(xué)支撐和認(rèn)識(shí)上的飛躍。