新型超分子化合物的合成及應(yīng)用新進(jìn)展*

張來新，馬 琳

（寶雞文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，陜西寶雞721013）

綜述

新型超分子化合物的合成及應(yīng)用新進(jìn)展*

張來新*，馬 琳

（寶雞文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，陜西寶雞721013）

簡(jiǎn)要介紹了超分子化學(xué)的產(chǎn)生、發(fā)展及應(yīng)用。詳細(xì)介紹了：（1）新型超分子化合物的合成及應(yīng)用；（2）新型超分子化合物的合成及在醫(yī)藥學(xué)方面的應(yīng)用；并對(duì)超分子化學(xué)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

超分子化學(xué)；合成；應(yīng)用

超分子化學(xué)是化學(xué)與生物學(xué)、物理學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)藥學(xué)、環(huán)境科學(xué)和能源科學(xué)等多門學(xué)科交叉構(gòu)成的一門新興熱門邊緣學(xué)科，是化學(xué)發(fā)展史上的一次升華和新的里程碑，它是基于冠醚與穴醚等大環(huán)配體的發(fā)展以及分子自組裝的研究和有機(jī)半導(dǎo)體、導(dǎo)體的研究進(jìn)展而迅速發(fā)展起來的。超分子化學(xué)概念的倡導(dǎo)者是1987年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者Lehn于1978年首次提出的，Lehn的定義是：“超分子化學(xué)是超出單個(gè)分子以外的化學(xué)，它是有關(guān)超越分子結(jié)構(gòu)與性能的科學(xué)。超分子體系是由兩個(gè)或兩個(gè)以上分子通過非共價(jià)鍵的相互作用聯(lián)接起來具有一定結(jié)構(gòu)和功能的實(shí)體或聚集體”。超分子化學(xué)是在分子和原子的水平上研究物質(zhì)的性質(zhì)、組成、結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律和其應(yīng)用、制備、以及物質(zhì)間相互作用關(guān)系的科學(xué)。分子是保持物質(zhì)性質(zhì)的最小單位。分子化學(xué)是基于原子間共價(jià)鍵的化學(xué)。然而分子并不是孤立存在的，而是處于分子間的相互作用中，如范德華力、靜電力、π-π堆積、金屬配位鍵、疏水作用和氫鍵等，這些作用力統(tǒng)稱為非共價(jià)鍵力。這些單個(gè)非共價(jià)鍵力弱于共價(jià)鍵，但是分子間幾種弱相互作用力協(xié)同作用的強(qiáng)度卻不次于化學(xué)鍵，其在生命過程中起著非常重要的作用。即超分子化學(xué)就是研究以非共價(jià)鍵弱相互作用力鍵合起來的復(fù)雜有序且具有特定功能的分子聚集體的化學(xué)。可以說超分子化學(xué)形成是共價(jià)鍵分子化學(xué)的一次升華、一次質(zhì)的飛躍，故被稱為“超越分子的化學(xué)”。超分子化學(xué)研究的內(nèi)容包括分子識(shí)別、分子自組裝、超分子催化、超分子器件及超分子材料等。超分子科學(xué)的應(yīng)用主要圍繞它的分子識(shí)別、催化和傳輸來進(jìn)行開發(fā)研究。因之，超分子化學(xué)作為一門植根深遠(yuǎn)的新興熱門邊緣交叉學(xué)科，目前，已滲透到二十一世紀(jì)的熱門領(lǐng)域如信息科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)、能源科學(xué)、環(huán)境科學(xué)和醫(yī)藥學(xué)，并在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防及四個(gè)現(xiàn)代化建設(shè)中彰顯出廣闊的應(yīng)用前景。

1 新型超分子化合物的合成及應(yīng)用

1.1 陰離子型聚丙烯酰胺與有機(jī)多胺的超分子聚合物的合成及應(yīng)用

超分子聚合物的非共價(jià)鍵相互作用是超分子化學(xué)的一個(gè)重要研究方向[1]。超分子聚合物是一種單體分子由于高度取向的非共價(jià)相互作用而連接形成的新型聚合物。疏水締合聚丙烯酰胺，一般是通過化學(xué)改性，在聚丙烯酰胺鏈段上引入適當(dāng)?shù)氖杷鶊F(tuán)而得到的。疏水締合聚丙烯酰胺具有特殊的流變性，能在一定程度上克服丙烯酰胺易剪切降解和耐溫耐鹽性差等缺陷，使其成為一種具有良好應(yīng)用前景的油氣開采用水溶性聚合物材料[2]。為此，南開大學(xué)的胡岳等人利用乙胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺等多胺類分子帶有正電荷，可以與陰離子型疏水締合聚合物通過非共價(jià)相互作用，形成超分子聚合物。即他們利用自己合成的陰離子型聚丙烯酰胺與多胺類分子相互作用，對(duì)二者的締合機(jī)理和超分子聚合推動(dòng)力進(jìn)行了研究，預(yù)期其在三次采油中有著廣泛的應(yīng)用前景[3]。

1.2 光響應(yīng)分子組裝體系的構(gòu)建及應(yīng)用

具有刺激響應(yīng)的超分子組裝體在自修復(fù)材料、形狀記憶材料及可控釋放藥物等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。光作為外界刺激物，具有不引入化學(xué)物質(zhì)、易于調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)，因此，發(fā)展光響應(yīng)組裝體系引起了人們的廣泛關(guān)注。偶氮苯類染料是最常用的光敏基團(tuán)，化學(xué)家已成功的構(gòu)筑了大量性能優(yōu)異的偶氮苯組裝體系。然而，偶氮苯類化合物的順式異構(gòu)體熱穩(wěn)定差，限制了其在諸多方面的應(yīng)用。剛性二苯乙烯作為光敏基團(tuán)，具有熱穩(wěn)定性好、光照前后兩種異構(gòu)體構(gòu)型差異顯著及易進(jìn)行化學(xué)修飾等優(yōu)點(diǎn)[4，5]?；诖耍袊?guó)科學(xué)院的王媛等人以剛性二苯乙烯為光敏基團(tuán)，和四重氫鍵基團(tuán)、冠醚及鉑配合物等超分子組裝基元相結(jié)合，構(gòu)建了幾類光響應(yīng)組裝體系[6]，研究了光對(duì)組裝體系的組裝行為及材料性能的調(diào)控。最近，他們還將剛性二苯乙烯修飾到柱芳烴大環(huán)主體上，構(gòu)筑了光響應(yīng)的準(zhǔn)輪烷體系和光驅(qū)動(dòng)的輪烷分子機(jī)器，它們對(duì)光照均表現(xiàn)出了很好的響應(yīng)性。該研究將在材料科學(xué)、信息科學(xué)、可控釋放藥物及醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

1.3 刺激響應(yīng)型超分子凝膠的設(shè)計(jì)合成及應(yīng)用

刺激響應(yīng)型超分子凝膠能對(duì)外界物理、化學(xué)刺激產(chǎn)生特定響應(yīng)，這一性能使其具備了智能材料的潛質(zhì)，在傳感器、藥物緩釋材料、顯示材料、組織工程、納米材料等領(lǐng)域彰顯出誘人的應(yīng)用前景。近年來刺激響應(yīng)型超分子凝膠的研究已成為了超分子化學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。然而，該研究領(lǐng)域也面臨著一些挑戰(zhàn)：（1）單體分子有效的自組裝成超分子凝膠；（2）超分子有機(jī)凝膠對(duì)特定刺激選擇性響應(yīng)的實(shí)現(xiàn)。為此，西北師范大學(xué)的林奇等人通過在超分子凝膠體上引入多重自組裝位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了超分子凝膠單體分子自組裝能力的顯著提高。同時(shí)，他們還創(chuàng)新性的通過雙金屬競(jìng)爭(zhēng)配位和單金屬競(jìng)爭(zhēng)配位控制凝聚態(tài)熒光（AIE）實(shí)現(xiàn)了對(duì)陰離子刺激的選擇性可控，這一研究在陰離子傳感材料、陰離子刺激響應(yīng)材料和保密書寫材料方面具有一定的應(yīng)用前景[7]。

1.4 刺激-響應(yīng)的功能性水相超分子聚合物的制備及應(yīng)用

超分子聚合物是超分子化學(xué)和材料化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。為此，華東理工大學(xué)的馬驤等人將熒光基團(tuán)、手性單元、光致變色單元等功能基團(tuán)引入到客體單元中，通過環(huán)糊精、葫蘆脲和磺化杯芳烴等親水性大環(huán)主體的識(shí)別作用，構(gòu)建了具有不同熒光發(fā)射、手性信號(hào)、光致變色等相應(yīng)功能的系列水相超分子聚合物。將能響應(yīng)外界光、氧化還原和酸堿變化等刺激的功能基團(tuán)（如香豆素、二噻吩乙烯、紫精等）引入客體單元，構(gòu)建了系列水相超分子聚合物，通過各種外界刺激來調(diào)控水相超分子聚合物的組裝與解離，用來調(diào)控其功能（如熒光、手性變化，水凝膠態(tài)和溶液態(tài)間的轉(zhuǎn)換），調(diào)控非溶液態(tài)超分子聚合物（如水凝膠或者固態(tài)）的自修復(fù)等宏觀材料性能等[8]。該研究將在材料科學(xué)、藥物釋放、生命科學(xué)、光化學(xué)及環(huán)境科學(xué)中得到應(yīng)用。

1.5 超分子作用誘導(dǎo)的偶氮苯基團(tuán)順反異構(gòu)體的構(gòu)筑及應(yīng)用

偶氮類分子在光調(diào)控先進(jìn)功能自組裝材料研究中被廣泛使用。一般情況下，偶氮苯基團(tuán)在紫外光下發(fā)生由反式向順反的轉(zhuǎn)變。對(duì)體系進(jìn)行紫外/可見光交替照射，可以實(shí)現(xiàn)偶氮分子順反異構(gòu)的循環(huán)變化，進(jìn)而引導(dǎo)自組裝材料的結(jié)構(gòu)與功能發(fā)生循環(huán)往復(fù)變化。北京大學(xué)的閻云等人研究發(fā)現(xiàn)，Bola型偶氮兩親分子可以在配位及靜電作用誘導(dǎo)下自發(fā)發(fā)生順反異構(gòu)的變化，并導(dǎo)致自組裝結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。即他們的研究是在配位作用發(fā)生之前，Bola型偶氮兩親分子由于反式偶氮基團(tuán)間強(qiáng)烈的π-π相互作用形成不規(guī)則的柳葉狀聚集體；加入金屬離子后，兩親分子的兩個(gè)頭基團(tuán)同時(shí)與金屬離子發(fā)生配位，自發(fā)從反式轉(zhuǎn)變?yōu)轫樖?。這一變化導(dǎo)致體系從不規(guī)則的柳葉狀聚集體轉(zhuǎn)變?yōu)榻z帶結(jié)構(gòu)。而這種順式Bola型偶氮分子的絲帶狀聚集體在與嵌段聚電解質(zhì)發(fā)生分級(jí)靜電組裝時(shí)，又重新回復(fù)為反式結(jié)構(gòu)，同時(shí)聚集體轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛐文z束。他們的研究揭示了偶氮基團(tuán)的順反異構(gòu)化學(xué)的新知識(shí)，并證實(shí)了金屬配位超分子的結(jié)構(gòu)在自組裝中表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)性與可逆性及結(jié)構(gòu)具有自鎖的特點(diǎn)。這對(duì)于分別研究不同結(jié)構(gòu)異構(gòu)體的性質(zhì)具有重要的理論意義，并有望對(duì)偶氮苯的結(jié)構(gòu)調(diào)控與組裝化學(xué)提供新的科學(xué)認(rèn)識(shí)，而在基礎(chǔ)科學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生重要突破[9]。

2 新型超分子化合物的合成及在醫(yī)藥學(xué)方面的應(yīng)用

2.1 非核苷類逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑超分子體系的合成及應(yīng)用

非核苷類逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑G1是一種能在較低濃度下對(duì)HIV-1病毒起到抑制作用的化合物。該化合物抑制HIV-1病毒的效果極好且毒性低，并具有較強(qiáng)的抗耐藥性及合成便利等優(yōu)點(diǎn)。但該化合物水溶性較低，生物利用率不高，嚴(yán)重影響了其在臨床上的應(yīng)用。環(huán)糊精及其衍生物對(duì)藥物的增溶已成為超分子化學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。橋聯(lián)環(huán)糊精由于橋鏈基團(tuán)的引入，增加了環(huán)糊精的識(shí)別位點(diǎn)，使其鍵合能力大大增強(qiáng)，故可以更好的包結(jié)藥物大分子，從而顯著改善其理化性質(zhì)。為此，云南師范大學(xué)的于子淇等人合成了新型結(jié)構(gòu)的1,3-二氨基-2－丙醇-β－橋聯(lián)環(huán)糊精（1），采用飽和水溶液法制備了主體1/G1的超分子體系，結(jié)合熒光滴定法的包結(jié)比和2DROESY推測(cè)到可能的包結(jié)模式[10]。該研究將在生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、及醫(yī)藥學(xué)研究中得到應(yīng)用。

2.2 金屬-有機(jī)骨架超分子材料的合成及藥物控釋研究

金屬-有機(jī)骨架材料不僅具有新穎的結(jié)構(gòu)，而且在化學(xué)、材料、生物及醫(yī)藥等方面還展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用前景，因此，近年來受到研究者的廣泛關(guān)注。在結(jié)構(gòu)上，金屬-有機(jī)骨架材料引起研究者感興趣的主要有穿插結(jié)構(gòu)、多聚聯(lián)鎖、多聚打結(jié)、特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；在功能上，氣體吸附與存儲(chǔ)、非均相催化、熒光探針、生物藥物載體等是金屬-有機(jī)骨架材料探索的主要方向。為此，贛南師范學(xué)院的鄧記華等人合成了一種新穎的一個(gè)具有O原子修飾孔表面及自穿結(jié)構(gòu)的金屬-有機(jī)骨架超分子材料，它的孔表面是由大量的羧基O-原子修飾的，從而可應(yīng)用于藥物分子的控制釋放。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：孔表面的O原子確實(shí)能與布洛芬中的羧基形成氫鍵作用，從而使負(fù)載于孔洞中的布洛芬分子緩慢地釋放出來[11]，從而提高了臨床用藥的療效。

2.3 血管緊張素I和II的N端三肽分子印跡預(yù)作用的理論研究

血管緊張素II（Ang II）對(duì)人體的健康有重要作用，是由血管緊張素轉(zhuǎn)換酶（ACE）催化水解血管緊張素I（Ang I）而來，若體內(nèi)Ang II過度表達(dá)，會(huì)引起多種心血管疾病，因此，對(duì)AngI和AngII的選擇性捕獲以及高效分離對(duì)患者的治療具有重要意義。為此，華南師范大學(xué)的沈桂賢等人采用分子模擬方法研究了AT（AT是Ang I和Ang II結(jié)構(gòu)中共同的N端三肽分子）與丙烯酸預(yù)作用形成不同分子印跡比例的超分子復(fù)合物的幾何構(gòu)型、電荷轉(zhuǎn)移及結(jié)合能，并對(duì)AT與丙烯酸作用的模式及位點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)表明：AT與丙烯酸通過氫鍵作用形成分子結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的超分子復(fù)合物，且AT與丙烯酸的最佳印跡比例為1∶6[12]。該研究將在生命科學(xué)、材料科學(xué)、生物化學(xué)及醫(yī)藥學(xué)研究中得到應(yīng)用。

綜上所述，超分子化學(xué)作為一門新興的熱門交叉邊緣學(xué)科，其內(nèi)容豐富新穎、生命力強(qiáng)大、用途廣泛。從某種意義上講，超分子化學(xué)淡化了有機(jī)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、生物化學(xué)和材料化學(xué)之間的界線，著重強(qiáng)調(diào)了具有特定結(jié)構(gòu)的超分子體系（非單一分子體系），并將四大基礎(chǔ)化學(xué)（無機(jī)、有機(jī)、分析、物化）有機(jī)的融為一體，從而為分子器件、信息科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)、能源科學(xué)、醫(yī)藥學(xué)和環(huán)境科學(xué)的發(fā)展開辟了一條嶄新的道路。我們堅(jiān)信，隨著人們對(duì)超分子化學(xué)研究的不斷深入，超分子化學(xué)這朵艷麗之花必將在人類文明進(jìn)步、生產(chǎn)、生活、可持續(xù)發(fā)展及造福人類的事業(yè)中結(jié)出更豐碩的成果。

［1］李振泉,胡存秀,成玉橋,等.磺化杯［4］芳烴與雙正電荷季胺鹽的鍵合作用［J］.高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)，2013，34（4）：853-857.

［2］Wang K P,Guo D S,Zhao H X.,Liu Y.Synthesis of Doubly Ethyl-Bridged Bis（p-sulfonatocalix［4］arene）and Its Supramolecular Polymerization with Viologen Dimer［J］.Chem.Eur.J.，2014, 20（14）:4023-4031.

［3］胡岳,陳湧,劉育.陰離子型聚丙烯酰胺與有機(jī)多胺超分子聚合物的合成及應(yīng)用［C］.全國(guó)第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，吉林延吉:延邊大學(xué),2014:287-288.

［4］Yang Q Z,Huang Z,Kucharski T J,et al.A molecular force probe［J］.Nat.Nanotech，2009,4（5）:302-306.

［5］Huang Z,Yang Q Z,Khvostichenko D,et al.Method to Derive Restoring Forces of Strained Molecules from Kinetic Measurements［J］.J.Am.Chem.Soc.,2009,131（4）:1407-1409.［6］王媛,徐江飛,楊清正.光響應(yīng)分子組裝體系的構(gòu)建及性能研究［C］.全國(guó)第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，吉林延吉:延邊大學(xué),2014:46-47.

［7］林奇,孫斌,楊清平,等.刺激響應(yīng)型超分子凝膠的設(shè)計(jì)合成及離子識(shí)別性能的調(diào)控［C］.全國(guó)第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，吉林延吉:延邊大學(xué),2014:20-21.

［8］馬驥,田禾.刺激—響應(yīng)的功能性水相超分子聚合物［C］.全國(guó)第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，吉林延吉:延邊大學(xué),2014:33-34.

［9］閻云.超分子作用誘導(dǎo)的偶氮苯基團(tuán)順反異構(gòu)［C］.全國(guó)第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，吉林延吉:延邊大學(xué),2014:35-36.

［10］于子淇,李進(jìn),張金,等.非核苷類逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑超分子體系研究［C］.全國(guó)第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，吉林延吉:延邊大學(xué),2014:308-309.

［11］鄧記華,鐘地長(zhǎng),羅序中,等.一個(gè)具有O原子修飾孔表面及自穿結(jié)構(gòu)的金屬—有機(jī)骨架材料的合成及藥物的控釋研究［C］.全國(guó)第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，吉林延吉:延邊大學(xué),2014:310-311.

［12］沈桂賢,徐志廣,章小慧.血管緊張素I和II的N端三肽分子印跡預(yù)作用的理論研究［C］.全國(guó)第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，吉林延吉:延邊大學(xué),2014:67-68.

Recent research achievements on synthesis and applications of new supramolecular compounds*

ZHANG Lai-xin，MA Lin
（Chemistry&Chemical Engineering Department,Baoji University of Arts and Sciences,Baoji 721013,China）

This paper introduces the generation,development,and applications of supramolecular chemistry. Emphases are put on two parts:①synthesis and applications of new supramolecular compounds;②synthesis of new supramolecular compounds and their applications in medicine.Future developments of supramolecular chemistry are prospected in the end.

supramolecular chemistry；synthesis；application

TQ61

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20151238

2015-07-13

陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研計(jì)劃項(xiàng)目（2010JS067）；陜西省教育廳自然科學(xué)基金資助課題（04JK147）；寶雞文理學(xué)院自然科學(xué)基金資助課題（zk12014）

張來新（1955-），男，漢族，陜西周至人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事大環(huán)化學(xué)研究及天然產(chǎn)物分離提取。