新型柱芳烴的合成及在分析分離科學(xué)和醫(yī)藥學(xué)中的應(yīng)用*

陳 琦

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

柱芳烴的發(fā)現(xiàn)源于2008年Ogoshi和Nakamoto等的報(bào)道。由于該類(lèi)化合物是由對(duì)苯二酚或?qū)Ρ蕉用淹ㄟ^(guò)亞甲基橋聯(lián)在苯環(huán)的對(duì)位連接而成的“柱”型環(huán)狀低聚物，故俗稱(chēng)柱芳烴。由于柱芳烴同時(shí)兼?zhèn)淞硕喾N已有大環(huán)超分子主體化合物的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)性能，如其化學(xué)組成和性能上類(lèi)似于杯芳烴；也由于其具有高度對(duì)稱(chēng)的空間結(jié)構(gòu)和空腔，又可以不經(jīng)過(guò)復(fù)雜修飾就能夠識(shí)別特定結(jié)構(gòu)的客體分子和金屬離子，故它對(duì)客體分子的識(shí)別能力又類(lèi)似于葫蘆脲(或叫瓜環(huán))；由于其橋聯(lián)苯環(huán)結(jié)構(gòu)兩側(cè)含有羥基等易于修飾的位點(diǎn)，使其在化學(xué)修飾方面又類(lèi)似于環(huán)糊精；由于柱芳烴合成簡(jiǎn)單，提純方便，又兼?zhèn)淞硕喾N大環(huán)主體化合物的結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)勢(shì)的化學(xué)特性，因而使其在21世紀(jì)的熱點(diǎn)領(lǐng)域，如生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、能源科學(xué)、材料科學(xué)、納米科學(xué)、信息科學(xué)、分子機(jī)器、分子器件、光電智能材料、熒光探針、分子識(shí)別、自組裝、主客體化學(xué)、超分子化學(xué)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。不僅如此，其在經(jīng)典學(xué)科如化學(xué)、生物化學(xué)、生物物理、仿生學(xué)及原子能科學(xué)等領(lǐng)域也用途廣泛。同時(shí)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)及國(guó)防等領(lǐng)域也有著潛在而重要的應(yīng)用價(jià)值。由于柱芳烴研究的蓬勃發(fā)展現(xiàn)已成為一門(mén)新興的熱門(mén)邊緣學(xué)科——柱芳烴化學(xué)。

1 新型柱芳烴的合成及應(yīng)用

1.1 利用低溫共熔溶劑法合成柱[n]芳烴(n=5,6)及應(yīng)用

改進(jìn)柱芳烴同系物的合成與分離方法是柱芳烴領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。低溫共熔溶劑(簡(jiǎn)稱(chēng)DES)作為一類(lèi)新型離子液體，具有綠色、 環(huán)保、無(wú)毒和可再生等優(yōu)點(diǎn)，其可以作為路易斯酸催化劑和反應(yīng)媒介，應(yīng)用于許多反應(yīng)以加快反應(yīng)速度和提高產(chǎn)率。其中應(yīng)用最廣泛的是氯化膽堿類(lèi)的DES[1]。為此，武漢大學(xué)的吳晨晨等利用低溫共熔溶劑具有路易斯酸的性質(zhì)，將其引入到合成柱芳烴的反應(yīng)中，這樣既拓寬了DES的應(yīng)用范圍，又尋求到了合成柱芳烴的新方法和新思路。為此，選用模板反應(yīng)，利用氯化膽堿和無(wú)水氯化鐵(物質(zhì)的量比為1∶3)合成的Lewis酸型低溫共熔溶劑催化1,4-二乙氧基苯和多聚甲醛進(jìn)行反應(yīng)，其反應(yīng)條件溫和，并可以高選擇性、高效率地制備柱[5]芳烴和柱[6]芳烴[2]。該研究將在有機(jī)合成化學(xué)、催化科學(xué)及材料科學(xué)的研究中得到應(yīng)用。

1.2 在溶劑和溫度控制下合成柱芳烴類(lèi)衍生物的手性逆轉(zhuǎn)及應(yīng)用

手性特征在自然界生命現(xiàn)象中普遍存在，在生命科學(xué)中也具有重要意義。通過(guò)超分子非共價(jià)作用來(lái)調(diào)控分子的構(gòu)象和實(shí)現(xiàn)分子的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及生化功能具有重要的理論和應(yīng)用前景。分子或超分子手性結(jié)構(gòu)在不對(duì)稱(chēng)合成、液晶、分子器件、分子機(jī)器及非線性光學(xué)等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)一些外部刺激，如溶劑極性[3]、溫度[4]、金屬離子[5]、化學(xué)計(jì)量比[6]等條件的改變可以實(shí)現(xiàn)研究體系中超分子手性的逆轉(zhuǎn)。為此，四川大學(xué)的姚家斌等合成了一類(lèi)柱芳烴與冠醚或烷烴結(jié)合的大環(huán)主體分子，通過(guò)手性拆分分別得到各自的一對(duì)對(duì)映異構(gòu)體，單晶結(jié)構(gòu)證實(shí)了其絕對(duì)構(gòu)型。這類(lèi)主體分子對(duì)不同極性溶劑分子和外部溫度刺激具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)的特征，通過(guò)改變外部非手性環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了這類(lèi)主體分子的構(gòu)象控制和手性逆轉(zhuǎn)，即實(shí)現(xiàn)了R和S型的相互轉(zhuǎn)變，推測(cè)這是溶劑分子與柱芳烴空腔以及側(cè)鏈冠醚或烷烴結(jié)構(gòu)之間綜合作用得到的結(jié)果[7]。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)不同溫度下也會(huì)發(fā)生手性逆轉(zhuǎn)，其熱力學(xué)數(shù)據(jù)分析表明，該手性逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象為熵驅(qū)動(dòng)的平衡現(xiàn)象。該研究將在手性合成、生命科學(xué)、材料科學(xué)、分子器件、分子機(jī)器及非線性光學(xué)等研究中得到應(yīng)用。

2 新型柱芳烴的合成自組裝及在分析分離科學(xué)中的應(yīng)用

2.1 氧化膦柱[5]芳烴的合成及在離子液體中的萃取性能研究

近年來(lái)，柱芳烴在液-液萃取分離上，特別是對(duì)鑭錒系離子的萃取分離方面展現(xiàn)出優(yōu)良的選擇性和高效性，但目前萃取體系僅限于分子溶劑體系[8-10]。離子液體作為一種較為綠色的溶劑在液-液萃取中得到了廣泛應(yīng)用，如四川大學(xué)的陳黎熙等將柱芳烴首先用離子液體中對(duì)金屬離子進(jìn)行萃取分離。即首先設(shè)計(jì)合成了氧化膦柱[5]芳烴，并發(fā)現(xiàn)氧化膦柱[5]芳烴在二氯甲烷為溶劑時(shí)對(duì)鈾酰離子表現(xiàn)出良好的萃取能力和選擇性能，還研究了其在1-甲基-3-辛基咪唑三氟磺酰亞胺離子液體中的萃取性能。結(jié)果表明，在離子液體中，氧化膦配體與鈾酰離子的絡(luò)合比為1∶1，萃取性能在一定酸度范圍內(nèi)比在二氯甲烷中提升較多，萃取行為遵循陽(yáng)離子交換機(jī)理，且離子液體在萃取過(guò)程中發(fā)揮了協(xié)同作用。該研究將為柱芳烴在鑭錒系元素分離應(yīng)用上提供新的溶劑萃取體系[11]，也將在環(huán)境科學(xué)、分析分離科學(xué)及貴金屬回收中得到應(yīng)用。

2.2 功能化柱[5]芳烴與鐵配合物的合成及對(duì)氟離子的熒光檢測(cè)

基于柱芳烴及其衍生物的超分子功能材料可應(yīng)用于包括細(xì)菌病毒抑制、有機(jī)光功能材料、超分子聚合物材料、藥物控釋、人工跨膜傳輸通道、多壁碳納米管的分散、生物傳感與成像、農(nóng)藥檢測(cè)等多個(gè)研究領(lǐng)域，西北師范大學(xué)的蘇軍霞等將柱芳烴用于離子識(shí)別，實(shí)現(xiàn)了氨基苯并咪唑功能化的柱[5]芳烴和金屬Fe3+形成金屬配合物對(duì)F-的選擇性識(shí)別，并通過(guò)核磁、質(zhì)譜、熒光、紅外等進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，金屬配合物對(duì)F-具有很好的單一識(shí)別效果，其最低檢測(cè)限可達(dá)2.50×10-7mol/L，且該熒光傳感器可以循環(huán)5次以上，可作為很好的對(duì)F-單一選擇的熒光傳感器[12]。該研究將在材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)、分析分離科學(xué)及醫(yī)藥學(xué)研究中得到應(yīng)用。

2.3 柱[5]芳烴的氰根傳感器承接的新型氰根誘導(dǎo)自組裝行為及應(yīng)用

近年來(lái)，柱芳烴在分析分離科學(xué)中的應(yīng)用越來(lái)越受到人們的關(guān)注，為此，西北師范大學(xué)的程曉斌等設(shè)計(jì)合成了一種新型的基于氰根傳感器的共聚柱[5]芳烴(PQ5)，它連接的8-羥基喹啉可作為識(shí)別位點(diǎn)和信號(hào)基團(tuán)，通過(guò)利用一種新型的氰根誘導(dǎo)自組裝機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了這種基于柱[5]芳烴的傳感器在水相中高的選擇性和靈敏性。當(dāng)把氰根加入到PQ5的溶液中，有強(qiáng)的黃綠色熒光出現(xiàn)。其中，PQ5對(duì)氰根的熒光最低檢測(cè)限是1.08×10-8mol /L，他們還制備了PQ5檢測(cè)性試紙，可用于定量檢測(cè)氰根。另外，他們還將其用于生活中的食品檢測(cè)，即利用PQ5檢測(cè)發(fā)芽土豆提取物中的氰根。顯然基于這種傳感器所提出的氰根誘導(dǎo)自組裝機(jī)理是一種新型的策略和方法[13]。該研究將在分析分離科學(xué)、化學(xué)傳感器科學(xué)、環(huán)境科學(xué)及食品分析科學(xué)中得到應(yīng)用。

3 新型柱芳烴的合成及在醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 新型水溶性柱芳烴的合成及超分子藥物運(yùn)轉(zhuǎn)作用

柱芳烴作為新一代超分子主體大環(huán)化合物[14]，憑借其優(yōu)異的性能已被廣泛應(yīng)用于納米材料、 超分子聚合物、液晶、藥物轉(zhuǎn)運(yùn)等領(lǐng)域。為此，南京大學(xué)的劉昕等人設(shè)計(jì)合成了具有良好生物相容性的新型磷酸鹽柱[5,6]芳烴(WP5P 和 WP6P)以及吡啶烷基鏈客體分子(G)。將WP5P和WP6P分別與G在不同位點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合，得到具有不同親-疏水比例的超分子兩親體，并在水中進(jìn)一步組裝得到具有不同納米結(jié)構(gòu)的聚集體。WP5P與G在水中自組裝形成膠束，而WP6P與G 在水中可以組裝得到囊泡，這兩種納米粒子均具有Zn2+和pH的響應(yīng)性。自組裝形成的膠束可用于疏水性抗癌藥物多柔比星(DOX)的包載，而囊泡則可以包載親水性抗癌藥物米托蒽醌(MTZ)，并能夠在Zn2+以及酸性環(huán)境下將所包載的藥物釋放，達(dá)到對(duì)抗癌藥物的可控釋放。與此同時(shí)，體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證實(shí)載藥粒子與裸藥相比具有較低的生物毒性以及相似的抗癌活性[15]。該研究將在材料科學(xué)、納米科學(xué)、主客體化學(xué)、超分子化學(xué)及醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

3.2 超分子囊泡的構(gòu)筑與調(diào)控對(duì)溫度和氧化的響應(yīng)性及應(yīng)用

利用主體作用的兩親性超分子兩嵌段共聚物構(gòu)筑的超分子聚合物囊泡已成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中一種潛在的納米載體，它可響應(yīng)于多種外部刺激，包括 pH值、光、電壓、溫度以及氧化還原，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)染料、抗癌藥物的控制釋放。近年來(lái)，南京大學(xué)的王賽等報(bào)道了超分子大環(huán)主體柱[6]芳烴與二茂鐵/二茂鐵鎓離子客體衍生物在有機(jī)相和水溶液中的主客體作用，并研究了其構(gòu)筑的用于藥物傳遞的囊泡和水凝膠[16-18]。在此基礎(chǔ)上，他們還進(jìn)一步研究了柱[6]芳烴末端修飾的聚(N-異丙基丙烯酰胺)聚合物主體(PNIPAM-BP[6])與二茂鐵末端修飾的聚乙二醇單甲醚聚合物客體(mPEG-Fe)在 37 ℃水相中正交自組裝形成的兩親性超分子兩嵌段共聚物 PNIPAM-BP[6]?mPEG-Fe，且成功地構(gòu)筑了超分子聚合物囊泡，并發(fā)現(xiàn)該囊泡因主體聚合物在不同溫度下的溶解度變化規(guī)律和客體聚合物上二茂鐵基團(tuán)的氧化刺激而表現(xiàn)出良好的溫度和氧化響應(yīng)性。更為重要的是，該超分子聚合物囊泡能夠進(jìn)一步應(yīng)用于抗癌藥物(DOX·HCl)的包載和控制釋放[19]。該研究將在醫(yī)藥學(xué)、納米科學(xué)、超分子化學(xué)、主客體化學(xué)、材料科學(xué)及生命科學(xué)的研究中有著極大的應(yīng)用潛力。

3.3 新型水溶性柱[5]芳烴誘導(dǎo)的主體對(duì)超分子雙親體的光降解催化劑的應(yīng)用

光作為一種非侵入的外界刺激，是調(diào)控分子組裝微觀結(jié)構(gòu)和相關(guān)理化性質(zhì)的高效手段。由于光降解材料在生物醫(yī)學(xué)、組裝工程等方面的巨大應(yīng)用潛力而備受關(guān)注，且由于超分子組裝體構(gòu)建的光降解材料可以實(shí)現(xiàn)更加良好的調(diào)控。為此，南京大學(xué)的郭書(shū)文等人設(shè)計(jì)合成了水溶性羧酸鈉鹽柱[5]芳烴(WPS)和一個(gè)兩端為季銨鹽、中間為光學(xué)活性的9,10-烷氧基蒽基團(tuán)的客體(G)，WPS可誘導(dǎo)G組裝體形成具有單分子層的Bola型囊泡。并發(fā)現(xiàn)WP5誘導(dǎo)G組裝后，組裝體中的G在紫外光照射下的分解速度大大加速，即明顯高于單獨(dú)的客體G在相同濃度下的分解速度。同時(shí)結(jié)合曙紅Y(ESY)和9,10-烷氧基蒽基團(tuán)之間具有良好的π-π堆積作用，從而實(shí)現(xiàn)了WPS、G和痕跡ESY的共組裝，進(jìn)而證實(shí)了一個(gè)在可見(jiàn)光照射下而降解的組裝體，結(jié)果使這一共組裝體實(shí)現(xiàn)了對(duì)模型藥物米托蒽醌的包載[20]。該研究將在醫(yī)藥學(xué)中的光治療、生物醫(yī)學(xué)、組裝工程學(xué)、材料科學(xué)、生物化學(xué)、催化科學(xué)等領(lǐng)域有著潛在而廣闊的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，由于植根深遠(yuǎn)的柱芳烴具有對(duì)水和空氣不敏感、有較強(qiáng)的穩(wěn)定性、易于功能化、制備簡(jiǎn)單、提純方便、對(duì)紫精衍生物和四級(jí)銨鹽等客體分子均有良好的鍵合能力，因而展現(xiàn)出良好的主客體化學(xué)性能和無(wú)處不在的廣泛用途。現(xiàn)今由于柱芳烴研究的蓬勃發(fā)展，促進(jìn)了上述眾多新學(xué)科的形成和發(fā)展，它們之間相得益彰、互相促進(jìn)。作者認(rèn)為，未來(lái)的柱芳烴研究將朝著如下幾個(gè)方面發(fā)展。(1)通過(guò)模板法和空間位阻效應(yīng)來(lái)合成出空穴尺寸更大的柱芳烴分子；(2)合成出更多的手性柱芳烴衍生物以用于手性識(shí)別和手性催化中；(3)合成出更多的柱芳烴有機(jī)納米管、線體；(4)利用分子自組裝構(gòu)筑用途廣泛的更復(fù)雜的超分子聚合物；(5)模擬人工跨膜質(zhì)子通道的組裝研究和生物功能開(kāi)發(fā)；(6)開(kāi)發(fā)柱芳烴在藥物傳輸及釋放領(lǐng)域的應(yīng)用；(7)深入研究柱芳烴的機(jī)械互鎖型分子的構(gòu)筑，并開(kāi)發(fā)其在電子學(xué)、納米藥物、分子機(jī)器、分子器件、熒光探針及納米等離子體電子學(xué)等高新領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著人們對(duì)柱芳烴化學(xué)研究的不斷深入，柱芳烴將為科學(xué)事業(yè)的發(fā)展、人類(lèi)文明的進(jìn)步和可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造新的輝煌。

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