基于氫鍵的超分子自組裝研究進(jìn)展

張?jiān)品?薛慧玲,李紅梅,孫俊梅,徐小超

(成都大學(xué) 生物產(chǎn)業(yè)學(xué)院，四川 成都 610106)

0 引言

氫鍵是一種可逆的非共價(jià)鍵作用力，在分子自組裝作用過(guò)程中起著非常重要的作用，它涉及化學(xué)科學(xué)、生命科學(xué)以及材料科學(xué)等領(lǐng)域，是目前研究的熱點(diǎn)方向.氫鍵由于它特殊的幾何構(gòu)型和方向性，使它不同于共價(jià)鍵和范德華作用力.氫鍵正是由于這種特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使它在分子組裝過(guò)程中起著非常重要的作用.羧基-吡啶、羧基-胺基、羧基-咪哇等都可形成穩(wěn)定的氫鍵[1]，這些氫鍵都可以用來(lái)形成超分子化合物.很多科研工作者設(shè)計(jì)并合成了基于氫鍵的超分子自組裝體系，本文將對(duì)近年來(lái)的氫鍵自組裝體的研究進(jìn)展進(jìn)行簡(jiǎn)要綜述.

1 寡聚酰胺自組裝體系

2000年，Gong小組[2]巧妙地利用分子內(nèi)氫鍵設(shè)計(jì)了一類芳香寡聚酰胺折疊物體系(圖1).此類化合物(1)呈現(xiàn)穩(wěn)定的剛性彎曲結(jié)構(gòu)，當(dāng)鏈長(zhǎng)進(jìn)一步增長(zhǎng)時(shí)，會(huì)形成螺旋狀[3]；另外，改變?nèi)〈奈恢脮r(shí)，可以改變螺旋結(jié)構(gòu)的孔徑大小，這類折疊物的剛性結(jié)構(gòu)使羰基總是指向環(huán)內(nèi)[4].此外，閉環(huán)的寡聚酰胺類化合物及可作為氫鍵受體和給體識(shí)別大小合適的分子(如胍基)[5].寡聚酰胺類化合物分子中裸露的羰基氧原子和酰胺氫原子使這類分子內(nèi)部環(huán)境是親水性的，在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下，可組裝成空心的納米管道.

圖1 寡聚芳香酰胺折疊物Fig.1 Oligomeric aromatic amide foldamers

Gong小組還將二胺的四聚體片段與二酸結(jié)合合成了對(duì)稱的九聚體(2)(圖2)[6]，由于分子內(nèi)的氫鍵作用和芳環(huán)的π-π堆積作用致使長(zhǎng)鏈的九聚體采用螺旋構(gòu)象，形成一定的納米洞穴.紅外、核磁、粉末衍射等均證明了這個(gè)螺旋構(gòu)象的存在.

圖2 九聚體(2)的分子結(jié)構(gòu)及晶體結(jié)構(gòu)Fig.2 Molecular structure and crystal structure of 9-mers

我們?cè)O(shè)計(jì)并合成了一系列的具有類似結(jié)構(gòu)的寡聚酰胺化合物(3)[7]，研究了不同寡聚酰胺化合物的堆積和自組裝，在氯仿中五聚物和六聚物形成了大的聚集體，在固態(tài)下，所有的寡聚酰胺化合物通過(guò)π-π作用均堆積成柱狀自組裝體，并具有親水性通道，進(jìn)一步被粉末衍射所證實(shí).

圖3 寡聚酰胺化合物(3)及柱狀組裝模型Fig.3 Crescent oligoamides and colummar assemblies

Gong等還設(shè)計(jì)了一類非常獨(dú)特的類似多肽的折疊物(圖4)[8].利用分子中的羰基氧原子和酰胺氫原子可以形成氫鍵，依次按特定的順序排列，并能與另一互補(bǔ)鏈自組裝成多重氫鍵的平行雙分子鏈聚合物(4)，此類多肽折疊物具有分子識(shí)別能力強(qiáng)和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[9].Gong等后來(lái)還報(bào)道了以此類雙分子鏈為母體可以發(fā)生聚合物反應(yīng)(5)[10]，且還可以發(fā)生聚合反應(yīng)形成高分子聚合物(6)[11]和鏈狀多肽聚合物(7)[12].

圖4 多重氫鍵分子鏈，聚合反應(yīng)，聚合物和直鏈肽Fig.4 Multiple hydrogen bonding and polymerization,polymer and straight chain peptid

2014年，He等[13-14]報(bào)道了基于多重氫鍵的寡聚芳香酰胺化合物(8)可以自組裝成囊泡結(jié)構(gòu)，他們把該化合物溶于丙酮中，發(fā)現(xiàn)此化合物在氫鍵的作用下可以組裝成大小均勻的球狀結(jié)構(gòu).一維核磁和二維核磁均證明了，該化合物存在較強(qiáng)的分子間氫鍵作用，并且此化合物正是通過(guò)氫鍵發(fā)生了自組裝，形成囊泡結(jié)構(gòu).透射電鏡進(jìn)一步證明了囊泡結(jié)構(gòu)的存在.他們后來(lái)又運(yùn)用掃描電鏡和動(dòng)態(tài)光散射等手段證明了該化合物通過(guò)氫鍵作用自組裝成囊泡結(jié)構(gòu)(圖5).

圖5 化合物(8)的自組裝示意圖Fig.5 Schematic representation of self-assembled vesicles of compound 8

2 喹啉衍生物體系

2003年，Huc等[15-16]報(bào)道了以8-硝基喹啉為母的聚喹啉-氨基酸體系(9).此類聚合物酰胺基團(tuán)上的氫與喹啉環(huán)上的氮二者能夠形成氫鍵，與此同時(shí)喹啉環(huán)的π-π堆積作用致使低聚體采取了穩(wěn)定的螺旋構(gòu)象.X-ray晶體衍射和NMR譜圖均證明了這一點(diǎn)(圖6).

圖6 聚喹啉-氨基酸的分子骨架及晶體結(jié)構(gòu)Fig.6 Ologomeric quinoline derivative of amino acids system framework and crystal structure

后來(lái)，Huc小組[17]把手性基團(tuán)引入到喹啉-酰胺衍生物體系(10)，由于喹啉環(huán)與手性基團(tuán)苯環(huán)存在較強(qiáng)的π-π相互作用，結(jié)果得到了左螺旋(M)和右螺旋(P)的分子結(jié)構(gòu)，他們還考察了左螺旋分子和右螺旋分子二者在溶液中穩(wěn)定性的差異，并成功地實(shí)現(xiàn)了其在溶液中的螺旋手性誘導(dǎo)(圖7).

圖7 化合物(10)及其手型衍生物的結(jié)構(gòu)Fig.7 The structures of its chirality derivatives

3 吡啶-酰胺衍生物體系

Berl等[18]報(bào)道了吡啶-酰胺化合物(11)-(13) (圖8)，由于吡啶-酰胺化合物酰胺氫原子與吡啶氮原子可以形成分子內(nèi)氫鍵，此類分子內(nèi)氫鍵作用力可使該化合物分子很容易的采取彎曲螺旋構(gòu)型，并且在濃度較高的情況下，吡啶-酰胺分子很容易二聚成穩(wěn)定的雙螺旋構(gòu)型，在吡啶-酰胺分子內(nèi)部雙螺旋分子鏈?zhǔn)峭ㄟ^(guò)吡啶與吡啶間的π-π相互作用而緊密地結(jié)合在一起的[19].從動(dòng)力學(xué)上看，吡啶酰胺單分子鏈和雙分子鏈之間，在溶液體系中存在著構(gòu)象互變現(xiàn)象，吡啶酰胺單分子螺旋鏈之間的分子間氫鍵和吡啶環(huán)間的π-π堆積作用穩(wěn)定了這個(gè)雙螺旋構(gòu)象，從而在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物大分子的模擬.

圖8 聚吡啶酰胺分子(11)-(13)及其分子螺旋結(jié)構(gòu)Fig.8 Poly picolinamide and its helical conformation

4 氨基苯甲酰胺體系

Hamilton等利用吡啶二甲酸和氨基苯甲酸為單體交替排列合成了氨基苯甲酰胺化合物(14)[20]，在氨基苯甲酰胺分子中，羰基氧原子與酰胺基團(tuán)上的氫原子能夠形成分子內(nèi)氫鍵.同時(shí)，吡啶環(huán)上的氮與酰胺基團(tuán)上的氫也能夠形成分子內(nèi)氫鍵，除此之外，氨基苯甲酰胺分子中的吡啶環(huán)與苯環(huán)之間還存在著較強(qiáng)的π-π堆積作用，當(dāng)分子鏈逐漸增長(zhǎng)時(shí)，氨基苯甲酰胺分子鏈就會(huì)形成緊密的、穩(wěn)定的螺旋二級(jí)結(jié)構(gòu)[21]，X-ray粉末衍射和核磁均證明了此類二級(jí)結(jié)構(gòu)的存在(圖9).

圖9 氨基苯甲酰胺(14)及分子結(jié)構(gòu)Fig.9 Anthranilic acid amide molecular (14) and its helical conformation

5 菲咯啉-酰胺體系

圖10 菲咯啉聚合物(15)及構(gòu)象轉(zhuǎn)換Fig.10 Phenanthroline polymer (15) and the helical conformation transition model

Hu等[22]以菲咯啉二甲酸和鄰苯二胺為單體通過(guò)縮合反應(yīng)合成了菲咯啉酰胺聚合物(15)(圖10)，在固相和溶液體系中，由于芳環(huán)-芳環(huán)之間的π-π相互作用以及分子內(nèi)氫鍵的存在，可使菲咯啉酰胺化合物分子形成非常穩(wěn)定的螺旋構(gòu)型，當(dāng)把帶手性(R)-苯乙胺基團(tuán)引入到菲咯啉酰胺化合物中時(shí)，該化合物分子則可以形成左螺旋構(gòu)型或右螺旋構(gòu)型，通過(guò)核磁、圓二色譜、紫外光譜的表征發(fā)現(xiàn)：通過(guò)往該體系中加入酸或者堿，則可以使分子的構(gòu)型發(fā)生轉(zhuǎn)換.

6 芳香酰肼體系

2010年，Du等[23]報(bào)道了一類苯酰肼折疊體系(16) (圖11)，這類聚合物在分子間氫鍵的作用下可以進(jìn)行自組裝成二聚體或多聚成有機(jī)囊泡，有機(jī)凝膠和超分子化合物.

圖11 酰肼分子骨架(16)和二聚物晶體結(jié)構(gòu)Fig.11 Crystal structure and molecular structure of the dimeric of hydrazide

7 吡嗪-咪唑酰胺體系

2012年，Lee等[24]合成并報(bào)道了吡嗪-咪唑乙酰胺化合物(17)，酰胺上的氧原子與吡嗪-咪唑環(huán)上的氫，以及氨上的氫與吡嗪環(huán)上的氮分別形成分子間氫鍵，在氫鍵的驅(qū)動(dòng)下，此化合物能自組裝成三重螺旋結(jié)構(gòu)(圖12).

圖12 吡嗪-咪唑乙酰胺氫鍵模型及組裝成的三重螺旋結(jié)構(gòu)Fig.12 Pyrazine-imidazole acetamide hydrogen bonding model and a triple helix structure diagram assembled

8 尿基衍生物體系

脲屬于酰胺類化合物，尿基團(tuán)具有兩個(gè)NH和一個(gè)羰基，這種結(jié)構(gòu)決定了其酰胺上的氫原子可以與鄰近羰基上的氧原子形成氫鍵，使具有脲基的化合物分子可以通過(guò)氫鍵作用組裝成超分子凝膠[25].

2010年，Escuder等[26]合成了含有脲基的間苯二甲酸化合物(18)，該化合物通過(guò)氫鍵自組裝形成了納米纖維結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步形成水凝膠，這已被原子力顯微鏡證明(圖13).

圖13 含尿基的間苯二甲酸分子及氫鍵組裝模型Fig.13 Based-urea isophthalic acide and hydrogen bonding assemble model

2012 年，Zhang等[27]合成了具有雙脲基團(tuán)的化合物分子(19).它在甲苯溶劑中可自組裝成螺旋納米結(jié)構(gòu)，并形成熱力學(xué)可逆的物理凝膠.掃描電鏡和透射電鏡均證明了該化合物呈現(xiàn)規(guī)則有序的棒狀納米晶態(tài)結(jié)構(gòu)(圖14).

圖14 含雙尿基的化合物分子及SEM(a)和TEM(b)圖片F(xiàn)ig.14 Molecular structure based bis-urea and images of SEM and TEM

Zimmerman等合成了一類脲基萘啶化合物(20).此化合物通過(guò)分子間氫鍵作用可以形成兩種結(jié)構(gòu)互變的二聚體，且聚合常數(shù)為Kd=105L/mol.后來(lái)，Hisamstsu等合成了尿基咪唑并吡啶化合物(18).研究發(fā)現(xiàn)，此化合物通過(guò)氫鍵作用形成的二聚體非常穩(wěn)定，聚合常數(shù)高達(dá)1.1×105L/mol，比化合物(21)提高了三個(gè)數(shù)量級(jí)[28].

圖15 尿基萘啶化合物(20)和尿基咪唑并吡啶化合物(21)的氫鍵二聚體結(jié)構(gòu)Fig.15 Hydrogen bonding dimer of ureidonaphtyridine and ureidoimidazo-pyrimidine

9 總結(jié)與展望

綜上所述，氫鍵在分子自組裝中起著極其重要的作用，近年來(lái)，基于氫鍵的自組裝受到人們的廣泛關(guān)注并取得了快速的發(fā)展，并形成了不同類型超分子組裝體系.本文綜述了氫鍵在以上所述的幾大類超分子組裝體中的研究進(jìn)展，我們發(fā)現(xiàn)，由于氫鍵具有可逆性，基于氫鍵的超分子自組裝體系具有組裝的多樣性和廣泛性等特點(diǎn)，據(jù)此，我們可以對(duì)氫鍵型超分子自組裝體進(jìn)行分析，并預(yù)測(cè)氫鍵對(duì)自組裝體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響，為設(shè)計(jì)和合成出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、性能優(yōu)異、可以自由調(diào)控的材料提供理論基礎(chǔ).