新型大環(huán)主體化合物柱芳烴的合成及應(yīng)用

張來新，馬 琳

新型大環(huán)主體化合物柱芳烴的合成及應(yīng)用

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）

介紹了柱芳烴的產(chǎn)生、發(fā)展、應(yīng)用及結(jié)構(gòu)特征，詳細綜述了：新型柱芳烴的合成與性能研究；新型柱芳烴的超分子自組裝及應(yīng)用；新型柱芳烴的合成及在醫(yī)藥中的應(yīng)用。并對柱芳烴的發(fā)展進行了展望。

柱芳烴；合成；應(yīng)用

柱芳烴(柱[n])作為一類大環(huán)分子于 2008年被Ogoshi首次合成報導(dǎo)[1]，它是由對苯二酚通過亞甲基橋接在苯環(huán)的對位連接而成的一類大環(huán)低聚物。它以其新穎的柱形結(jié)構(gòu)，獨特的主客體性質(zhì)和高度可調(diào)性的功能化特性引起了人們極大的研究興趣。正由于柱芳烴化合物具有由苯環(huán)圍繞起來的對稱的柱狀結(jié)構(gòu)，故取名“柱芳烴”。近年來，科學(xué)家對柱芳烴的合成方法、柱芳烴分子的功能化、柱芳烴分子的主客體化學(xué)、柱芳烴分子傳感器的制備、柱芳烴的性能及自組裝進行了深入研究?，F(xiàn)今對柱芳烴的研究重心正在朝著基于這類新型大環(huán)受體分子的分子識別與組裝的方向發(fā)展。研究表明：柱芳烴在21世紀的熱點學(xué)科如生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、能源科學(xué)、信息科學(xué)等領(lǐng)域均有著廣闊的應(yīng)用前景，同時在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、醫(yī)藥學(xué)各領(lǐng)域也彰顯出巨大的應(yīng)用潛力。目前已成為一門新興的熱門邊緣學(xué)科-柱芳烴化學(xué)。

1 新型柱芳烴及其衍生物的合成與性能研究

1.1 柱芳烴糖類衍生物的合成及其性能研究

近年來，柱芳烴作為一類新型大環(huán)分子在超分子化學(xué)領(lǐng)域越來越受到人們的關(guān)注。由于柱芳烴具有獨特的對稱結(jié)構(gòu)，分子構(gòu)型相對剛性，與其它傳統(tǒng)大環(huán)分子相比，它更易于進行化學(xué)修飾，故許多相關(guān)的新型衍生物相繼問世[2,3]。特別是柱芳烴在分子識別、自組裝、超分子聚合等領(lǐng)域的研究中取得了眾多優(yōu)秀成果。目前多數(shù)柱芳烴分子的衍生物都是非水溶性的，為了擴大這一類化合物在水溶液中的應(yīng)用范圍，國家納米科學(xué)中心的李慧等人以柱芳烴為骨架，通過引入八十個糖基，得到了水溶性的柱芳烴衍生物，并與富勒烯分子分別在水溶液和有機溶液中進行了主客體識別等相關(guān)研究[4]。該研究期望能在材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、及醫(yī)藥學(xué)研究中得到應(yīng)用。

1.2 蒽柱[5]芳烴/離子液體溫敏開關(guān)的設(shè)計合成

特定功能分子開關(guān)的設(shè)計合成是超分子化學(xué)中的一個研究熱點。華中師范大學(xué)的畢家海等人設(shè)計合成了一種熒光蒽柱[5]芳烴(A)，通過單晶衍射和核磁共振確定了其結(jié)構(gòu)。并研究了其與離子液體的作用，通過變溫核磁共振和熒光等表征手段測試了其溫度響應(yīng)的性質(zhì)。在30℃下主客體作用后化學(xué)位移有明顯的變化，而當溫度升高到780C后主客體的核磁共振沒有任何變化。而且柱[5]分子的熒光也隨著溫度的升高而發(fā)生猝滅。因此說明化合物(A)與離子液體在常溫下有包結(jié)作用而在高溫下發(fā)生脫包作用[5]。該研究期望能在材料科學(xué)、生命科學(xué)、信息科學(xué)、溫敏開關(guān)及醫(yī)藥學(xué)中得到應(yīng)用。

1.3 “巰基-烯”點擊反應(yīng)合成水溶性柱[5]、柱[6]芳烴

水溶性大環(huán)主體化合物的合成是超分子化學(xué)研究領(lǐng)域的重要目標之一，柱芳烴作為一種新穎的主體化合物在主客體識別中具有十分獨特和重要的地位及作用。給柱芳烴分子中引入羧基或氨(銨)基這些親水基后，能夠增加其在水中的溶解度，并在水中識別多種客體化合物。目前文獻報道通常是給全羥基化的柱芳烴中引入酯基，再水解后得到羧基。這樣需經(jīng)過5步反應(yīng)得到目標化合物。華中師范大學(xué)的馬俊凱等人，從柱芳烴單體出發(fā)，經(jīng)過“巰基-烯”點擊反應(yīng)共2步高產(chǎn)率合成了一系列水溶性柱[5]、柱[6]芳烴衍生物[6]。該方法具有產(chǎn)率高、反應(yīng)快、引發(fā)劑用量少、反應(yīng)后處理簡單和底物適應(yīng)性廣等優(yōu)點。這樣的超分子主體化合物在當前提倡“環(huán)境友好化學(xué)”的背景下，對于識別水溶性客體具有重要意義。

2 新型柱芳烴的超分子自組裝及應(yīng)用

2.1 柱[5]芳烴對中性烯烴和炔烴客體的選擇性鍵合

烯烴和炔烴是重要的化工原料，因此能夠通過柱芳烴對烯烴和炔烴具有選擇性鍵合作用，便可能提供一種分離提純烯烴和炔烴的新方法，同時拓展了柱芳烴對各種中性客體的識別范圍。為此，上海大學(xué)的王曉陽等人對柱[5]芳烴主體與客體烯烴和炔烴之間的相互作用進行了系統(tǒng)的研究，對鍵合的驅(qū)動力也進行了深入的探討。通過核磁譜圖的對比，鍵合常數(shù)的橫向和縱向分析，以及結(jié)合主客體絡(luò)合物的單晶結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)進行佐證，總結(jié)出了柱[5]芳烴與烯烴和炔烴的選擇性識別規(guī)律[7]。該研究在分析分離科學(xué)、材料科學(xué)及環(huán)境科學(xué)的研究中將得到應(yīng)用。

2.2 羧基柱[5]芳烴量子點設(shè)計合成及賴氨酸選擇性可逆響應(yīng)

量子點熒光傳感器是近年來研究的熱點。華中師范大學(xué)的石方丹等人通過巰基點擊設(shè)計合成了一種羧基柱[5]芳烴[WP5]，并且通過核磁研究了其與賴氨酸的相互作用，他們利用這種主客體體系構(gòu)建了一種超分子量子點材料，通過柱芳烴與賴氨酸的包結(jié)作用，把柱芳烴從量子點表面競爭下來，從而實現(xiàn)對賴氨酸在溶液和宏觀形態(tài)上的選擇性響應(yīng)[8]。該研究將在分析分離科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)及材料科學(xué)的研究中得到應(yīng)用。

2.3 柱[6]芳烴紫外響應(yīng)的超分子兩親化合物的合成自組裝以及在多壁碳納米管分散中的應(yīng)用

柱芳烴作為一類新穎的大環(huán)主體化合物，到目前為止，主要研究工作集中到柱[5]芳烴和柱[6]芳烴的合成、主客體化學(xué)以及自組裝等方面展開。浙江大學(xué)的楊杰等人選擇了兩親性的含官能團2-硝基苯酯的和芘的分子G作為客體，由于G在水中具有很強的-堆積作用，它能自組裝形成二維的納米片。加入柱[6]芳烴(WP6)后，在靜電相互作用及親疏水相互作用的驅(qū)動力下，G和WP6相互作用形成準輪烷結(jié)構(gòu)。由于位阻和WP6之間的靜電相互作用，納米片轉(zhuǎn)變成為500 nm左右的納米棒。另一方面，G具有UV響應(yīng)性，這種納米棒到納米片的轉(zhuǎn)換可以實現(xiàn)UV調(diào)控。芘基團在水中能夠與碳納米管形成很好的-堆積作用，因此可進一步把這種主客體識別應(yīng)用于多壁碳納米管的分散[9]。

3 新型柱芳烴的合成及在醫(yī)藥學(xué)中的應(yīng)用

3.1 柱芳烴的超分子囊泡用于抗癌藥物的轉(zhuǎn)運研究

納米藥物系指將藥物包封于納米載體中，此類藥物在相對于傳統(tǒng)的游離藥物而表現(xiàn)出多方面的治療優(yōu)勢，即有較高的療效和生物利用率以及較小的毒副作用。因此，開發(fā)可以主動或被動靶向癌細胞的“智能”型藥物轉(zhuǎn)運體系是非常有意義也極具挑戰(zhàn)性的研究工作。為此，南京大學(xué)的胡曉玉等人成功的構(gòu)筑了基于水溶性柱[6]芳烴(WP6)和偶氮苯衍生物(G1和G2)的具有pH和UV雙重刺激響應(yīng)的首例超分子納米載體，包括：1）由WP6G1復(fù)合物形成的分子囊泡，它表現(xiàn)出顯著的pH和UV刺激響應(yīng)性；2）由WP6G2復(fù)合物形成分子膠束，但該膠束結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，可以逐漸轉(zhuǎn)化成具有液晶性質(zhì)的層狀結(jié)構(gòu)。而WP6G1超分子囊泡可以實現(xiàn)對抗癌藥物米托蒽醌(MTZ)的高效包封(包封率達76%)，同時，藥物釋放實驗表明，所得到的載藥囊泡在酸性或UV刺激下將所負載的 MTZ快速且高效地釋放出來。更重要的是，細胞毒性試驗表明，MTZ被該超分子囊泡體系包封后不影響 MTZ的藥效，載藥囊泡表現(xiàn)出與游離藥物幾乎相同的抗癌效果尤其是在UV刺激響應(yīng)下；但其對正常細胞的毒副作用卻明顯降低了。該研究充分證明該超分子囊泡是非常理想的藥物轉(zhuǎn)運體系，因此在開發(fā)新型抗癌藥物制劑方面具有潛在而廣闊的應(yīng)用前景[10]。

3.2 熒光型柱[5]芳烴的合成及其對農(nóng)藥分子的選擇性識別作用

設(shè)計合成一種新型功能化柱[5]芳烴衍生物作為主體分子，并研究其在分子識別上的應(yīng)用，具有重要的理論意義和實用性，同時也是超分子化學(xué)研究的熱點和亮點。為此，華中師范大學(xué)的曹賢梁等人通過經(jīng)典的Williamson反應(yīng)，將4-甲基-7-羥基香豆素與柱[5]芳烴衍生物(A)，通過親核取代反應(yīng)，成功的合成了熒光型柱[5]芳烴衍生物[11]。并通過熒光、質(zhì)譜、NMR研究了其對磷胺類農(nóng)藥分子的識別性能。結(jié)果表明，甲基對硫磷能夠使(A)發(fā)生明顯的熒光猝滅，說明了熒光型柱[5]芳烴衍生物(A)對甲基對硫磷有較好的選擇性識別。該研究將在農(nóng)藥檢測方面具有較好的應(yīng)用前景。

綜上所述：自2008年Ogoshi和Nakmoto等報導(dǎo)了一種通過對位橋聯(lián)苯酚形成的結(jié)構(gòu)對稱的柱形大環(huán)超分子主體化合物-柱芳烴后，目前已合成和研究的柱芳烴主要是五元(五棱柱形)和六元(六棱柱形)結(jié)構(gòu)。由于其獨特的化學(xué)性質(zhì)和空間結(jié)構(gòu)，目前在超分子組裝、超分子催化、分子識別、分子機器、分子馬達、分子開關(guān)、離子通道、緩釋劑及分子器件功能材料、超分子生物學(xué)、納米科學(xué)、貴金屬回收、超分子藥物等領(lǐng)域凸現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。其研究重心已朝著這類新型大環(huán)受體分子的分子識別與自組裝和智能材料的開發(fā)方向發(fā)展。即其發(fā)展方向有如下幾個方面：(1)合成出更多元的柱芳烴及其衍生物，增強其主客體包合和分子識別的選擇性，創(chuàng)造更多的應(yīng)用價值；(2)在主客體包合和分子識別領(lǐng)域，開發(fā)更多的具有水溶性的柱芳烴，擴大水相分子識別種類，以實現(xiàn)在環(huán)境化學(xué)、環(huán)境保護、環(huán)境監(jiān)測及水處理等領(lǐng)域的應(yīng)用；(3)在“鎖式”結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑中，制備一些常見的“鎖式”結(jié)構(gòu)-索烴；(4)更進一步開發(fā)柱芳烴在超分子催化、生物模擬等領(lǐng)域的應(yīng)用。

［1］Ogoshi T, Kanai S, Fujinami S, et al. para-Bridged Symmetrical Pillar[5]arenes: Their Lewis Acid Catalyzed Synthesis and Host– Guest Property[J]. J. Am. Chem. Soc., 2008, 130(15): 5022-5023.

［2］Dong S, Zheng B, Yao Y, et al. LCST-Type Phase Behavior Induced by Pillar[5]arene/Ionic Liquid Host–Guest Complexation[J]. Adv. Mater.,2013, 25: 6864-6867.

［3］Yang F, Chen Q, Cheng Q Y. Sugar-Functionalized Water-Soluble Cyclotriveratrylene Derivatives: Preparation and Interaction with Fullerene[J]. J. Org. Chem., 2012, 77(2): 971-976.

［4］李慧,陳琦,韓寶航.新型柱芳烴及衍生物的合成與性能研究[C].全國十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集.吉林延吉:邊大學(xué),2014-08：110-111.

［5］畢家海,田德美,李海兵.蒽柱[5]芳烴/離子液體溫敏開關(guān)的設(shè)計合成[C].全國第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集.吉林延吉:延邊大學(xué),2014-08：108-109.

［6］馬俊凱,田德美,李海兵.“巰基-烯”點擊反應(yīng)合成水溶性柱[5]、柱[6]芳烴[C].全國第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集.吉林延吉：延邊大學(xué)，2014-08：106-107.

［7］王曉陽,賈學(xué)順,李春舉.柱[5]芳烴對中性烯烴和炔烴客體的選擇性鍵合[C].全國第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集.吉林延吉：延邊大學(xué)，2014-08：78-79.

［8］石方丹,田德美,李海兵.羧基柱[5]芳烴量子點設(shè)計合成及賴氨酸選擇性可逆響應(yīng)[C].全國第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集.吉林延吉：延邊大學(xué)，2014-08：101-102.

［9］楊杰,黃飛鶴.基于柱[6]芳烴紫外響應(yīng)的超分子兩親化合物:合成、自組裝以及在多壁碳納米管分散中的應(yīng)用[C].全國第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第 九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集.吉林延吉：延邊大學(xué)，2014-08：270-271.

［10］胡曉玉,曹煜,王樂勇.基于柱芳烴的超分子囊泡用于抗癌藥物轉(zhuǎn)運[C].全國第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論文集.吉林延吉：邊大學(xué)，2014-08：104-105.

［11］曹賢梁,張凡,田德美,等.熒光型柱[5]芳烴的合成及其對農(nóng)藥分子的選擇性識別[C].全國第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會論集.吉林延吉：延邊大學(xué)，2014-08：101-102.

Synthesis and Application of New Macrocyclic Host Compounds-Pillararenes

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

Synthesis, development, application and structure features of pillararenes were introduced. Three aspects were discussed, such as synthesis and characteristics of new pillararenes, supramolecular self-assembly and application of new pillararenes, application of new pillararenes in medicine. Development trend of the pillararenes was prospected.

Pillararenes; Synthesis; Application

TQ 241.4

： A

： 1671-0460（2015）04-0723-03

陜西省植物化學(xué)重點實驗室基金資助項目（09JS066）；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)。

2014-11-01

張來新（1955-），男，陜西周至人，教授，1979年畢業(yè)于寶雞師范學(xué)院化學(xué)系，研究方向：大環(huán)化學(xué)。E-mail：zhanglx1215@sina.com。