蓬勃發(fā)展的瓜環(huán)化學(xué)*

張來新 ，張 輝 ，趙衛(wèi)星，楊 瓊

（1.寶雞文理學(xué)院 化工化學(xué)系,陜西 寶雞 721013；2.第二炮兵工程學(xué) 院門診部，陜西 西安 710025）

瓜環(huán)是一類由n個苷脲單元和2n個亞甲基橋聯(lián)起來的大環(huán)化合物，因其結(jié)構(gòu)貌似南瓜又為環(huán)狀物，故取名瓜環(huán)。近年來，隨著瓜環(huán)家族成員的不斷擴大和蓬勃發(fā)展，瓜環(huán)作為一類具有特定內(nèi)腔的穴狀化合物已成為超分子化學(xué)中備受關(guān)注的一個新領(lǐng)域。瓜環(huán)化學(xué)作為一門新興的邊緣學(xué)科，在分子識別、分子催化、超分子組裝、超分子生物學(xué)和醫(yī)藥等領(lǐng)域均獲得了廣泛的應(yīng)用。

由于瓜環(huán)親水性端口具有帶負電性偶極羰基氧，因而能與帶正電性的無機或有機離子通過靜電吸引或分子間氫鍵產(chǎn)生相互作用，而苷脲通過亞甲基橋聯(lián)形成的疏水性籠狀空腔，對尺寸與瓜環(huán)端口及籠狀空腔相互匹配的有機分子或物質(zhì)分子的有機部分起包結(jié)作用?；谄涮厥獾姆肿咏Y(jié)構(gòu)賦予其特殊的性能，瓜環(huán)化學(xué)目前已滲透到生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、能源科學(xué)、材料科學(xué)及醫(yī)藥學(xué)等眾多領(lǐng)域。

1 多種新型瓜環(huán)及其包結(jié)配合物的合成

1.1 改性瓜環(huán)——溴甲基取代瓜環(huán)的合成

瓜環(huán)（Q[n]）一般不溶于水及有機溶劑，僅能溶于甲酸、乙酸、鹽酸等濃酸，這在很大程度上制約了其應(yīng)用范圍。因此,研究合成出溶解性好、溶解面寬的瓜環(huán)化合物尤為重要?？紤]到溴元素是一個很活潑的基團，設(shè)計把溴引入瓜環(huán)分子中，合成出比普通瓜環(huán)溶解性更好的衍生物，對擴大瓜環(huán)的應(yīng)用研究非常重要。為此渭南師院的郭陳剛等人以丁二酮為原料合成了二溴代丁二酮、溴甲基取代苷脲、二溴甲基取代苷脲二醚及4種溴甲基取代瓜環(huán)[1]（即改性瓜環(huán)）。該改性瓜環(huán)的合成，不僅獲得了溶解性得到很大改善的新型瓜環(huán)，還提供了新型瓜環(huán)的合成方法和途徑，并為進一步合成以瓜環(huán)為結(jié)構(gòu)的納米管以及功能高分子材料提供了途徑。從而使它們在環(huán)境治理、分子催化、金屬離子的選擇吸附和捕集，各種藥物的包結(jié)與緩釋，生物醫(yī)學(xué)等方面都有廣闊的應(yīng)用前景。

1.2 五元瓜環(huán)與CsCl配合物的合成

自從1981年Freeman確定了六元瓜環(huán)的晶體結(jié)構(gòu)[2]及2000年后五元、七元、八元及十元瓜環(huán)的發(fā)現(xiàn)，瓜環(huán)化學(xué)得以蓬勃發(fā)展。相對于瓜環(huán)同系物而言，五元瓜環(huán)（Q[5]）的空腔較小，一般只能包結(jié)一些小分子，如甲烷、乙烯、甲醇、O2、N2、丙酮等。近年來發(fā)現(xiàn)五元瓜環(huán)可選擇性地包結(jié)如Cl-或NO3-。不僅如此，五元瓜環(huán)端口羰基氧原子具有較強的配位能力，能與金屬離子或分子以配位鍵或氫鍵等方式相互作用，形成多種結(jié)構(gòu)特異的自組裝實體或超分子結(jié)構(gòu)。貴州省大環(huán)化學(xué)重點實驗室的陳凱等人合成利用單晶χ-射線分析方法表征了的五元瓜環(huán)與銫離子形成的配合物，該配合物形成了以Q[5]為“膠囊體”，氯原子為“膠囊”芯材，銫離子為“膠囊蓋”的“分子膠囊”結(jié)構(gòu)[3]。該研究期望能在醫(yī)藥學(xué)、分子催化、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)的研究中得到應(yīng)用。

1.3 十二甲基六元瓜環(huán)包結(jié)1,4-二噁烷的合成

自從2000年六元瓜環(huán)的同系物五、七、八、十元瓜環(huán)（Q[5]、Q[7]、Q[8]、Q[10]）面世以來，建立在以瓜環(huán)為主體的分子識別功能以及自組裝超分子構(gòu)件基礎(chǔ)上的瓜環(huán)化學(xué)研究受到國內(nèi)外越來越多研究者的關(guān)注。然而，這些普通瓜環(huán)（Q[n]s）的溶解性都不好，因而制約了瓜環(huán)的廣泛研究，影響了其應(yīng)用范圍。為此，改善其溶解性，進行瓜環(huán)的改性和修飾成為近年來瓜環(huán)研究的熱點。貴州省大環(huán)化學(xué)重點實驗室的肖昕等人合成了全甲基取代六元瓜環(huán)（Me12Q[6]）與1,4-二噁烷的包結(jié)配合物并生長了晶體，通過單晶χ-射線衍射方法表征，該配合物形成了以Me12Q[6]為“膠囊體”、1,4- 二噁烷為“膠囊”芯材、水分子為“膠囊蓋”的“分子膠囊”結(jié)構(gòu)，“分子膠囊”通過氫鍵自組裝形成一維超分子鏈，而一維的超分子鏈通過Me12Q[6]端口的羰基氧原子與水分子之間的氫鍵作用橫豎交錯組成二維具有空洞結(jié)構(gòu)的分子網(wǎng)[4]。該研究將在醫(yī)藥的包結(jié)與釋放、緩釋、在分子催化、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)中得到應(yīng)用。

1.4 六元瓜環(huán)與磺基水楊酸主客體配合物的合成

磺基水楊酸（HSSA）是一種良好的分光光度顯色劑和指示劑，同時也是一種常見的多齒配體化學(xué)試劑，它的3個配位基-OH、-COOH和-SO3H能和多種金屬形成多維配合物，六元瓜環(huán)（Q[6]）2個端口“鑲嵌”著一圈帶負電性的羰基氧原子，可與帶正電荷或缺電子的離子或缺電子離子基團發(fā)生離子-偶極作用。隨著聚合度不同的各類普通瓜環(huán)和取代瓜環(huán)的合成，使得它們既能包容各種有機分子、又能與無機金屬離子形成自組裝實體或超分子結(jié)構(gòu)、分子膠囊等。貴州大學(xué)的盧季紅等人合成了六元瓜環(huán)與磺基水楊酸主客體配合物,并考察了它們之間的相互作用情況[5]，期望能在催化、環(huán)境化學(xué)、光化學(xué)分析等方面得到應(yīng)用。

1.5 瓜環(huán)與2-氨基苯丙噻唑的主客體作用

基于瓜環(huán)空腔的疏水性和端口的親水性，使其在超分子化學(xué)和主客體化學(xué)領(lǐng)域的研究中受到各國學(xué)者越來越多的關(guān)注。噻唑類衍生物是一類用途廣泛的精細化工中間體，也是重要的農(nóng)藥和醫(yī)藥中間體，隨著這類化合物在染料和農(nóng)藥等行業(yè)的廣泛應(yīng)用，其進入水環(huán)境的途徑也日益增多，以致嚴重污染地面水環(huán)境。貴州大學(xué)的劉華等人利用自己合成的Q[7]化合物與2-氨基苯丙噻唑反應(yīng)合成了物質(zhì)量比為1∶1的包結(jié)配合物；用Q[8]與客體形成了物質(zhì)量比為1∶2的包結(jié)配合物[6]。該研究期望能在環(huán)境科學(xué)、分析分離科學(xué)、醫(yī)藥學(xué)等研究領(lǐng)域得到應(yīng)用。

1.6 吡啶季銨鹽的合成及與八元瓜環(huán)形成配合物

近年來，一個主體分子與兩個以上的客體分子形成的包結(jié)配合物引起了人們極大的興趣，因為其有助于人們在微環(huán)境中進行立體異構(gòu)、雙分子反應(yīng)、分子識別等方面的研究。瓜環(huán)因其具有疏水的空腔和親水的端口，可以在溶液中選擇性地結(jié)合多種有機、無機及生物分子，形成主客體包結(jié)配合物或自組裝超分子實體。貴州大學(xué)的李顯美等人合成了系列水溶性雙吡啶季銨鹽分子[7]，并考察了它們與八元瓜環(huán)之間形成的主客體配合物，期望能在生命科學(xué)的研究中得到應(yīng)用。

1.7 八元瓜環(huán)與-1-芐基-3-羥基吡啶的自組裝研究

近年來，建立在瓜環(huán)分子識別功能及自組裝超分子構(gòu)件特質(zhì)基礎(chǔ)上的瓜環(huán)化學(xué)研究日新月異。由于 環(huán)和空腔較大的瓜環(huán)，如 Q[7]、Q[8]、Q[10]的出現(xiàn)，以瓜環(huán)與客體分子為構(gòu)件，可通過化學(xué)、物理或電化學(xué)方法控制，并使得具有分子器件、分子開關(guān)功能的自組裝結(jié)構(gòu)或超分子實體的研究也取得了新進展。Q[8]因其具有較大的端口口徑和內(nèi)腔，通?？赏瑫r容納2個有機客體分子，且位于Q[8]空腔的客體分子能夠形成多種構(gòu)型，利用這一特點，貴州省大環(huán)與超分子化學(xué)重點實驗室的肖昕等人選用1-芐基-3-羥基吡啶為客體，考察了其與Q[8]形成的主客體包結(jié)配合物的作用模式[8]，期望能在材料科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)及醫(yī)藥學(xué)的研究中得到應(yīng)用。

2 瓜環(huán)對金屬離子的識別作用

2.1 環(huán)己基取代六元瓜環(huán)與Rb離子構(gòu)筑的一維超分子化合物

由于瓜環(huán)在堿性、中性、弱酸性的環(huán)境下完全不溶或溶解度不大，且均不溶于有機溶劑，因而制約了對瓜環(huán)進行廣泛深入研究，且影響其應(yīng)用范圍。為此，改善瓜環(huán)的溶解性，進行瓜環(huán)的改性和修飾成為近年來瓜環(huán)研究的重要課題。2001年韓國的Kim研究組報道了能溶于醇水體系的環(huán)己基全取代五元及六元瓜環(huán)，從而改變了其溶解性。為此，貴州省大環(huán)與超分子化學(xué)重點實驗室的秦曉等人合成了溶解性良好的全取代環(huán)己基六元瓜環(huán)，并以全取代環(huán)己基六元瓜環(huán)為單元合成了RbCl-環(huán)己基六元瓜環(huán)一維超分子化合物。該研究所得結(jié)構(gòu)為金屬離子直接與瓜環(huán)的端口羰基氧原子形成配位鍵所構(gòu)筑的一超分子鏈，它為今后用于功能性材料方面的研究會有重要意義[9]。

2.2 間位六甲基六元瓜環(huán)與銫離子超分子鏈構(gòu)筑的管狀結(jié)構(gòu)

由于普通瓜環(huán)的水溶性不好，以改善其溶解性為主要目的的改性瓜環(huán)的研究越來越多。貴州省大環(huán)與超分子化學(xué)重點實驗室的陳文建等人合成了溶解性良好的間位六甲基六元瓜環(huán)物（HMeQ[6]），并將其與Cs+作用，形成了一種新型的蜂窩狀通道的管狀超分子自組裝體系[10]，該成果期望能在環(huán)境科學(xué)、材料科學(xué)和生命科學(xué)的研究中得到應(yīng)用。

2.3 六元瓜環(huán)對鉛離子的捕集性能研究

隨著超分子化學(xué)的創(chuàng)立及迅猛發(fā)展，促進了人們對瓜環(huán)主客體化學(xué)的研究興趣。因此，瓜環(huán)受到主客體化學(xué)、自組裝超分子化學(xué)、環(huán)境化學(xué)、催化、材料化學(xué)、生物化學(xué)等國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。隨著世界對環(huán)境保護的重視，治理環(huán)境污染勢在必行。為此，貴州大學(xué)的盧小軍等人為了消除鉛污染，利用原子吸收光譜法研究了六元瓜環(huán)（Q[6]）對Pb2+離子的捕捉性能。研究表明，六元瓜環(huán)在靜態(tài)下對含鉛廢水中Pb2+的捕捉率達到了98.4%[11]。由此可見Q[6]作為一種新型材料處理含鉛廢水很有價值。由此可推測，不同大小環(huán)的瓜環(huán)對提取回收貴金屬、稀土金屬都是可行的。

2.4 十甲基五元瓜環(huán)與幾種金屬離子配合物的形成

由于六元瓜環(huán)的溶解性差，制約了瓜環(huán)化學(xué)的廣泛研究和應(yīng)用范圍，為此，貴州大學(xué)的肖昕等人設(shè)計合成了十甲基五元瓜環(huán)（Me10Q[5]），雖然其溶解性沒有得到明顯的改善，但對金屬離子的識別與選擇性有明顯提高。肖昕等人用合成的3個十甲基五元瓜環(huán)分別與銣離子、鈰離子水合物相互作用形成的配合物以及四氯鋅根離子存在下形成了單晶體，并測定了它們的晶體結(jié)構(gòu)。3個配合物均形成以Me10Q[5]為“膠囊體”，水分子為“膠囊”芯材、金屬離子或水分子為“膠囊蓋”的“分子膠囊”結(jié)構(gòu)，并通過配位鍵或氫鍵組裝成一維超分子鏈結(jié)構(gòu)實體[12]。該研究將在生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、分析分離科學(xué)及貴重金屬提取回收中得到應(yīng)用。

3 瓜環(huán)化學(xué)在醫(yī)藥學(xué)上的應(yīng)用

近年來，探求瓜環(huán)與藥物分子間的相互作用是瓜環(huán)應(yīng)用研究的方向之一。Wheate等人研究發(fā)現(xiàn)，七元瓜環(huán)與阿替洛爾、格列苯脲、美金胺和撲熱息痛等4種藥物相互作用形成包結(jié)物后穩(wěn)定性有所增加，此性質(zhì)可用于藥物加工、儲存及運輸?shù)确矫?。此外他們還研究了七、八元瓜環(huán)與多核鉑復(fù)合物的作用模式，發(fā)現(xiàn)經(jīng)主客體相互作用形成的分子膠囊具有藥物緩釋、穩(wěn)定、提高生物利用度以及降低藥物抗性和毒副作用的性能。

3.1 瓜環(huán)[n]（n=6-8）與鹽酸丁咯地爾的相互作用

基于上述瓜環(huán)與藥物分子的主客體作用效能，鄭州大學(xué)的楊曉娜等人將自己合成的瓜環(huán)[6]、瓜環(huán)[7]、瓜環(huán)[8]3種瓜環(huán)與鹽酸丁咯地爾相互作用，其主客體配合物的作用模式隨著瓜環(huán)大小不同而各異，其中瓜環(huán)[6]與鹽酸丁咯地爾相互作用非常弱，而瓜環(huán)[7]和瓜環(huán)[8]都將鹽酸丁咯地爾分子中的吡咯環(huán)及其相鄰的2個碳全部包結(jié)進去，形成了包結(jié)比為1∶1的對稱包結(jié)配合物。從而說明七、八元瓜環(huán)可以作為潛在的鹽酸丁咯地爾的緩釋劑[13]。

3.2 八元瓜環(huán)與氧氟沙星、氟羅沙星、加替沙星及司帕沙星的相互作用

研究大環(huán)化合物瓜環(huán)與藥物分子的相互作用，在藥物改性、藥物制劑的研究領(lǐng)域中具有非常重要的應(yīng)用價值。貴州省大環(huán)與超分子化學(xué)重點實驗室的佟玲等人用熒光光譜和紫外吸收光譜研究了瓜環(huán)[8]與氧氟沙星、氟羅沙星、加替沙星及司帕沙星的包結(jié)作用體系的性質(zhì)及影響因素的作用，測定了超分子作用體系的組成和作用的穩(wěn)定性常數(shù)。結(jié)果表明：瓜環(huán)[8]分別與氧氟沙星、氟羅沙星、加替沙星形成1∶1、與司帕沙星形成2∶1的穩(wěn)定的主客體包合物。這對于瓜環(huán)對藥物的包結(jié)和緩釋作用具有應(yīng)用價值[14]。還用熒光和紫外方法測試了各種體系的分析性能參數(shù)，可作為一種新穎、靈敏的分析方法檢測四種喹諾酮類藥物的方法。

3.3 對稱四甲基取代六元瓜環(huán)對醋酸地塞米松的增溶作用

醋酸地塞米松為腎上腺皮質(zhì)激素類藥物，但由于醋酸地塞米松的溶解度較差導(dǎo)致生物利用度較低，其臨床應(yīng)用受到很大的限制，因此，研究增加醋酸地塞米松從水溶性栓劑基質(zhì)中釋放、提高該藥物的溶解度、穩(wěn)定性和利用度具有及其重要的意義。漳州師院的李國平等人用自己合成的溶解度較好的對稱四甲基取代六元瓜環(huán)（TMeQ[6]）作為主體，利用微孔濾膜分離方法研究其對醋酸地塞米松的增溶作用，并利用差熱分析法（DTA）分析TMeQ[6]和醋酸地塞米松的包結(jié)物。結(jié)果表明，TMeQ[6]和醋酸地塞米松有一定的增溶作用，并成正比[15]。故該包合物的形成并應(yīng)用在醫(yī)藥方面，能提高其藥物的穩(wěn)定性、減緩藥物的釋放、降低藥物的負面作用，從而提高藥物的療效。

3.4 利用八元瓜環(huán)Q[8]的熒光增敏作用測定藥品中鹽酸小檗堿的含量

小檗堿（BER）是黃連和黃柏中含量最多的生物堿，現(xiàn)代研究表明其具有殺菌、局部麻醉、抗心律失常、治療原發(fā)性高血壓、抗腫瘤等廣泛的藥理作用。鹽酸小檗堿的測定方法有多種，但因鹽酸小檗堿的熒光強度很低，當含量很小時，給含量測定帶來困難。而瓜環(huán)與鹽酸小檗堿作用形成包合物可增強小檗堿的熒光強度。貴州大學(xué)的趙安婷等人利用八元瓜環(huán)Q[8]對鹽酸小檗堿的熒光有較好的增敏作用，用來測定復(fù)方黃連素片和鹽酸小檗堿片中鹽酸小檗堿（C20H18CNO4）的含量[16]，從而開辟了測定微量鹽酸小檗堿含量的新方法。

近年來，隨著超分子化學(xué)研究的日新月異，其新成員瓜環(huán)化學(xué)的研究也蓬勃發(fā)展。目前瓜環(huán)化學(xué)已成為超分子科學(xué)研究的一個新的分支。因之，瓜環(huán)化學(xué)作為一門植根深遠的新興邊緣學(xué)科，在超分子催化、超分子組裝、分子識別、分子通道、納米科學(xué)、超分子藥物及超分子生物學(xué)等領(lǐng)域彰顯出廣闊的應(yīng)用前景。同時其應(yīng)用也滲透到生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)、醫(yī)藥學(xué)等二十一世紀的熱點領(lǐng)域。

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