第三代超分子主體化合物杯芳烴的研究新進展

張來新，朱海云

（寶雞文理學院化學化工學院，陜西 寶雞721013）

杯芳烴作為第三代超分子主體化合物，在大環(huán)化學和超分子化學研究中扮演著重要的角色，由于其易于衍生化和多功能性，被譽為“有機化學中的圣杯”。迄今報道的絕大多數(shù)工作中只是利用了杯芳烴的骨架結(jié)構(gòu)，而其空腔沒有得到充分利用。故開發(fā)杯芳烴空腔性能是該領域亟待解決的一個根本性科學問題。

1 杯芳烴超分子化合物的組裝與聚集

1．1 磺化杯芳烴的誘導聚集

磺化杯芳烴是迄今為止呈現(xiàn)芳烴空腔價值的最杰出代表，它不僅具有制備簡單、水溶性好、包結(jié)性能廣泛等特點，還具有良好的生物兼容性、抗病毒和抗血栓等生物醫(yī)藥活性。

郭東升等［1］研究發(fā)現(xiàn)：磺化杯芳烴不僅能1∶1鍵合客體分子，還能夠與特定客體分子形成1∶n絡合物，進而形成高級有序聚集結(jié)構(gòu)，并將其可辨識性特色稱之為“杯芳烴誘導聚集”。借助該模型，他們構(gòu)筑了系列超分子組裝體，基于主客體相互作用動態(tài)可逆性，通過外界刺激手段可以便捷調(diào)控該類超分子體系的組裝／解組裝，在藥物靶向控釋方面有著潛在的應用價值。

1．2 磷酸酶響應的杯芳烴－ATP二元超分子組裝體

近年來，刺激響應的藥物傳輸體系由于其在特定位點可控高效釋放的優(yōu)勢而備受關注。常見刺激信號有溫度、光、磁、離子強度和pH值等。生物刺激信號，例如酶，具有生物兼容、反應溫和、高度專一等特點，在藥物控釋方面展現(xiàn)出其特有的優(yōu)勢。此外許多疾病都與酶的異常表達有關，例如，可以催化降解脂質(zhì)體的磷酸酶在多種癌細胞中過量表達。鑒于此，王以軒等［2］設計構(gòu)筑了磷酸酶刺激響應的組裝體，并用于藥物靶向傳輸和癌癥治療，利用正電荷兩親性杯［4］芳烴和ATP構(gòu)筑了生物相容的二元超分子納米粒子，并通過磷酸酶對ATP的水解實現(xiàn)了酶控的組裝體快速解聚，并研究了有關藥物控釋，在醫(yī)藥領域得到了應用。

1．3 杯芳烴－環(huán)糊精－膽堿三元動態(tài)聚輪烷

主客體識別以其特有的鍵合強度和選擇性已成為典型的組裝構(gòu)筑超分子聚合物方法，組裝體系所具有的刺激響應性質(zhì)及自修復功能正發(fā)展成為嫁接超分子和聚合物化學兩大領域的重要研究方向之一。張?zhí)煨械龋?］通過磺化杯［4］芳烴雙位點膽堿的主客體相互作用構(gòu)筑了水溶性二元超分子聚合物，進而引入α－環(huán)糊精（α－CD）作為媒介，構(gòu)筑了一類新型三元超分子聚合物，首先膽堿的疏水鏈部分穿插進入α－CD空腔形成二元準輪烷，BisSC4A進一步包結(jié)準輪烷兩端的季銨鹽部分，形成高級組裝結(jié)構(gòu)，稱之為“動態(tài)聚輪烷”。與傳統(tǒng)二元超分子聚合物相比，基于準輪烷構(gòu)筑的超分子聚合物更易于進行結(jié)構(gòu)、形貌以及功能的調(diào)控。

2 新型杯芳烴大環(huán)分子的合成及結(jié)構(gòu)性能

2．1 三碟烯衍生的類杯芳烴大環(huán)分子

三碟烯及其衍生物是具有獨特三維剛性結(jié)構(gòu)和高度對稱性的一類化合物，在分子機器、材料科學以及超分子化學等領域得到了廣泛應用。謝濤等［4］將三碟烯衍生物片段與2－甲基間苯二酚片段結(jié)合，通過“一鍋煮”和“多步合成”兩種方法構(gòu)建了一對具有固定構(gòu)象的類杯芳烴結(jié)構(gòu)的大環(huán)分子，其中順式大環(huán)分子為船式構(gòu)象、反式大環(huán)分子為椅式構(gòu)象；這類大環(huán)分子在固態(tài)下能夠組裝形成二聚體膠囊或納米管結(jié)構(gòu)。

2．2 上沿全芳基取代三碟烯衍生杯［5］芳烴

三碟烯衍生化的杯芳烴克服了經(jīng)典杯芳烴構(gòu)象不穩(wěn)定的缺點。由于三碟烯分子的引入使得杯芳烴不需要在下沿引入大位阻的基團就能保持構(gòu)象，但此時三碟烯分子上沿引入其它基團就比較困難，故限制了此類杯芳烴的衍生化。夏宇祥等［5］設計合成了一種新型三碟烯衍生化的杯［5］芳烴，在上沿2個位點同時進行衍生化，從而得到了更深空腔的大環(huán)分子。這樣既保留了傳統(tǒng)杯芳烴易修飾的特點，又克服了傳統(tǒng)杯芳烴構(gòu)象不穩(wěn)定的缺點，且主體能分別和C60、C70形成1∶1復合物。

2．3 磺化杯芳烴－四苯乙烯超分子

磺化杯芳烴由于其對陽離子客體的強鍵合能力和自身具有的優(yōu)良結(jié)構(gòu)特點，被廣泛用作超分子組裝體的工作模塊。蔣邦平等［6］利用磺化杯芳烴衍生物可以誘導兩親性物質(zhì)或共軛分子形成納米超分子組裝體、進而和四苯乙烯衍生物在聚集條件下能夠產(chǎn)生熒光的特性，通過自組裝的方法構(gòu)筑得到了2種基于單磺化杯［4］芳烴（SC4A）、橋聯(lián)磺化杯［4］芳烴（BisSC4A）與四苯乙烯季銨鹽（TPE）的磺化杯芳烴－四苯乙烯熒光納米超分子組裝體，并將其作為熒光傳感材料，實現(xiàn)了對2，4，6－三硝基苯酚（PA）的靈敏檢測。

3 新型杯芳烴的合成組裝及選擇性識別作用

3．1 點擊合成熒光杯芳烴智能界面及其對色氨酸的識別能力

熒光杯芳烴作為對有機分子有著優(yōu)異識別性能并擁有靈敏輸出信號的主體分子，將其偶聯(lián)于智能材料的表面，實現(xiàn)了對吲哚衍生物的浸潤性識別，在新型傳感器及檢測芯片等方面具有潛在的應用價值。馮凝眉等［7］利用叔丁基杯四合成了新的下沿為蒽的熒光杯［4］芳烴，將其原位點擊于偶聯(lián)有硅烷疊氮的粗糙基底表面，得到超疏水的界面材料。然后利用接觸角的方法研究了其對色氨酸的識別性能，并獲得了具有良好可逆性的分子開關。

3．2 深穴杯芳烴修飾的功能化界面的構(gòu)建及其浸潤性開關性能

深穴杯芳烴能有效地包結(jié)氨基酸等有機小分子，可將其修飾到智能材料表面，利用某些金屬離子與氨基酸的強烈相互作用，實現(xiàn)對金屬離子的浸潤性識別，在醫(yī)藥、化學、生物工程等領域具有重要的應用。章小艷等［8］利用去叔丁基杯四合成了哌啶偶聯(lián)的深穴杯芳烴［L］，通過點擊反應將其偶聯(lián)到硅表面，采用接觸角的方法研究了L修飾的功能化硅界面的銀離子的浸潤性開關，從而獲得了具有良好可逆性的分子開關。

3．3 點擊功能化的醛基杯［4］芳烴仿生納米通道的構(gòu)建及對精氨酸的選擇性識別

近年來，仿生納米通道技術引起了研究者的廣泛關注，修飾有特定功能分子的人造納米通道，在單分子識別領域展現(xiàn)出重要的應用價值。杯芳烴作為對有機小分子具有優(yōu)異識別性能的主體分子，將其偶聯(lián)到納米通道表面，成功地實現(xiàn)了杯芳烴的水相檢測，從而大大擴展了杯芳烴的應用范圍。宋苗苗等［9］以單離子轟擊的聚對苯二甲酸乙二醇酯膜為基材，通過不對稱化學蝕刻的方法制備錐形納米通道，其表面含有大量的羥基官能團，設計合成了醛基杯［4］芳烴，通過簡單的縮合反應和點擊反應將其修飾到納米通道表面，成功實現(xiàn)了對精氨酸的選擇性識別。

3．4 深穴杯［4］芳烴的合成及對硝基苯酚異構(gòu)體的選擇性識別

空間異構(gòu)體分子量相同、性質(zhì)差異小，因此對空間異構(gòu)體的選擇性識別難度大。杯芳烴對有機小分子的識別有較強的尺寸匹配性，對杯芳烴進行適當修飾有可能實現(xiàn)對空間異構(gòu)體的選擇性識別。田德美等［10］通過Sonogashria反應設計合成了含萘基的深穴杯［4］芳烴，并用熒光光譜法研究了其與硝基苯酚異構(gòu)體的相互作用，結(jié)果表明，該主體分子對硝基苯酚異構(gòu)體的結(jié)合常數(shù)不同，故可實現(xiàn)對硝基苯酚異構(gòu)體的選擇性識別。

3．5 乙二胺杯［4］芳烴組裝的仿生納米通道對ATP的選擇性識別

目前，仿生納米通道已成為一種成熟的單分子檢測技術。孫忠月等［11］以聚乙烯對苯二甲酸乙二醇酯（PET）膜為基底材料，通過不對稱化學蝕刻方法得到一個單錐形納米通道，孔道表面帶有大量的羧基；隨后將超分子化合物乙二胺杯［4］芳烴通過點擊反應組裝到納米孔道表面，實現(xiàn)了對ATP的高選擇性識別，該體系對于組裝構(gòu)建特定響應的仿生通道模型具有重大意義。

4 結(jié)語

杯芳烴化學作為第三代超分子主體化合物，目前已滲透到材料科學、生命科學、能源科學、環(huán)境科學、通訊科學、醫(yī)藥學、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防科學等眾多領域，隨著人們對杯芳烴化學研究的不斷深入，必將結(jié)出豐碩成果。

［1］郭東升，劉育．杯芳烴誘導聚集［A］．全國第十六屆大環(huán)化學暨第八屆超分子化學學術討論會論文集［C］．江蘇：揚州大學，2012：2－3．

［2］王以軒，郭東升，曹鈺，等．磷酸酯響應的杯芳烴－ATP二元超分子組裝體［A］．全國第十六屆大環(huán)化學暨第八屆超分子化學學術討論會論文集［C］．江蘇：揚州大學，2012：6－7．

［3］張?zhí)煨校鶘|升，劉育．杯芳烴－環(huán)糊精－膽堿三元動態(tài)聚輪烷［A］．全國第十六屆大環(huán)化學暨第八屆超分子化學學術討論會論文集［C］．江蘇：揚州大學，2012：8－9．

［4］謝濤，陳傳峰．三碟烯衍生的類杯芳烴大環(huán)分子的合成及結(jié)構(gòu)研究［A］．全國第十六屆大環(huán)化學暨第八屆超分子化學學術討論會論文集［C］．江蘇：揚州大學，2012：25－26．

［5］夏宇祥，陳傳峰．上沿全芳基取代三碟烯衍生杯［5］芳烴的合成與性質(zhì)［A］．全國第十六屆大環(huán)化學暨第八屆超分子化學學術討論會論文集［C］．江蘇：揚州大學，2012：27－28．

［6］蔣邦平，郭東升，劉妍岑，等．磺化杯芳烴－四苯乙烯超分子構(gòu)筑及熒光傳感［A］．全國第十六屆大環(huán)化學暨第八屆超分子化學學術討論會論文集［C］．江蘇：揚州大學，2012：169－170．

［7］馮凝眉，鄒志龍，田德美，等．點擊合成熒光杯芳烴智能界面及其色氨酸的識別能力［A］．全國第十六屆大環(huán)化學暨第八屆超分子化學學術討論會論文集［C］．江蘇：揚州大學，2012：81－82．

［8］章小艷，趙海洋，田德美，等．深穴杯芳烴修飾的功能化界面的構(gòu)建及其浸潤性開關性能［A］．全國第十六屆大環(huán)化學暨第八屆超分子化學學術討論會論文集［C］．江蘇：揚州大學，2012：79－80．

［9］宋苗苗，繆發(fā)君，田德美，等．點擊功能化的醛基杯［4］芳烴仿生納米通道的構(gòu)建及其對精氨酸的選擇性識別［A］．全國第十六屆大環(huán)化學暨第八屆超分子化學學術討論會論文集［C］．江蘇：揚州大學，2012：83－84．

［10］田德美，廖發(fā)君，李海賓．深穴杯［4］芳烴的合成及對硝基苯酚異構(gòu)體的選擇性識別［A］．全國第十六屆大環(huán)化學暨第八屆超分子化學學術討論會論文集［C］．江蘇：揚州大學，2012：84－85．

［11］孫忠月，田德美，李海賓．乙二胺杯［4］芳烴組裝的仿生納米通道對ATP的選擇性識別［A］．全國第十六屆大環(huán)化學暨第八屆超分子化學學術討論會論文集［C］．江蘇：揚州大學，2012：85－86．