新型超分子化合物的合成及在材料科學(xué)和醫(yī)藥學(xué)中的應(yīng)用*

曹高飛，張來新

（西安交通工程學(xué)院，陜西 西安710300）

基于原子間的共價鍵存在著分子化學(xué)，基于分子間的非共價鍵相互作用而形成的分子聚集體產(chǎn)生了超分子化學(xué)。超分子化學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展源于1967年美國化學(xué)家C Pederson（佩德森）合成了冠醚化合物，始于英國化學(xué)家J M Lehn（萊恩）首先提出了超分子化學(xué)的概念。即超分子化學(xué)是在佩德森發(fā)現(xiàn)和研究冠醚的基礎(chǔ)上，最先由超分子化學(xué)之父萊恩提出的，它是化學(xué)與生物學(xué)、物理學(xué)、生命科學(xué)、納米科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、材料科學(xué)、信息科學(xué)等多門學(xué)科交叉融合構(gòu)成的一門新興熱門邊緣學(xué)科。研究表明，超分子化學(xué)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、醫(yī)藥學(xué)、航空航天科學(xué)等領(lǐng)域已彰顯出廣闊的應(yīng)用前景。

1 新型超分子化合物的合成及在醫(yī)藥學(xué)中的應(yīng)用

1.1 新型脫氧野尻毒素兩親超分子組裝體的構(gòu)筑及在醫(yī)藥學(xué)中的應(yīng)用

研究表明，糖苷酶能催化斷裂多糖分子間的糖苷鍵，在生命體的運轉(zhuǎn)中起著至關(guān)重要的作用。許多疾病的發(fā)生如糖尿病、艾滋病等與糖苷酶水平異常有關(guān)。糖苷酶抑制劑可調(diào)節(jié)糖苷酶活性，用于相關(guān)疾病的治療[1]。脫氧野尻毒素是一種強效α-葡萄糖苷酶抑制劑，其衍生物米格列醇已在臨床中用于糖尿病治療[2]。為此，河北大學(xué)的李敏等人以脂肪鏈為親脂基團，脫氧野尻毒素為親水和活性基團，以苯丙氨酸二肽增強組裝作用，設(shè)計合成了脂肪酸-苯丙氨酸二肽-脫氧野尻毒素（FA-FF-DNJ）的兩親化合物，從自組裝研究發(fā)現(xiàn)其在水溶液中形成10nm 左右的超分子組裝體，而對α-葡萄糖苷酶的抑制活性為0.21μM，是米格列醇活性的153 倍[3]。該研究將在生物學(xué)、生命科學(xué)及醫(yī)藥學(xué)中得到應(yīng)用。

1.2 新型苯乙烯吡啶修飾的多金屬氧簇超分子單體及凝膠的制備及應(yīng)用

研究表明，POMs（多金屬氧簇）是一類結(jié)構(gòu)明確，性質(zhì)多樣的納米尺寸的無機多陰離子[4]，在催化、材料和生物醫(yī)藥學(xué)等領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用前景[5]。為此，吉林大學(xué)的丁婧波等人將 POMs（多金屬氧簇）引入超分子聚合物體系，從而為實現(xiàn)超分子聚合物的多功能化提供了新的材料基元。他們通過實驗設(shè)計合成了一種新型的苯乙烯吡啶基團雙側(cè)修飾的Mn-Anderson 型多金屬氧簇TBA3{MnMo6O18[（OCH2）3CNH-COCH2OC6H4CH=CHC5H5N]2}，并對其進行了表征。由于吡啶上的氮原子可以和羧基形成氫鍵，使得有機-無機多金屬氧簇交聯(lián)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)了凝膠化作用。被修飾后的多金屬氧簇以草酸作為交聯(lián)劑，在乙腈中成功地構(gòu)筑了一種新型含有無機組分的超分子凝膠。該凝膠可以在加熱或者改變pH 值的條件下被破壞。最終他們成功地構(gòu)筑了一種有機-無機雜化超分子凝膠，該凝膠且具有熱響應(yīng)性和pH 值響應(yīng)性能[6]。該研究將在催化科學(xué)、材料科學(xué)及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

1.3 新型苝單酰亞胺-野尻霉素超分子糖苷酶抑制劑合成及應(yīng)用

眾所周知，糖尿病已成為嚴重危害人類健康的疾病之一，中國是糖尿病患病率增長最快的國家之一。其中糖苷酶抑制劑類藥物是治療糖尿病的主要用藥。近年來研究發(fā)現(xiàn)多效價糖苷酶抑制劑[7]要比單體具有更好的抑制效果，因此，多效價糖苷酶抑制劑的研究成為熱點。目前，基于共價鍵構(gòu)筑的多效價糖苷酶抑制劑的研究已被廣泛開展，而超分子糖苷酶抑制劑的研究則較少[8]。基于苝酰亞胺和L-苯丙氨酸形成的二肽的良好的自組裝能力，結(jié)合1-脫氧野尻毒素（1-DNJ）衍生物良好的糖苷酶抑制活性。為此，河北大學(xué)的李仁風(fēng)等人設(shè)計合成了苝酰亞胺-二肽-野尻霉素化合物（PBI-FF-DNJ），并初步研究了其自組裝行為[9]。該研究將在生物醫(yī)學(xué)、生物化學(xué)、生命科學(xué)及醫(yī)藥學(xué)中得到應(yīng)用。

1.4 新型糖肽修飾苝酰亞胺化合物的合成超分子自組裝及應(yīng)用

研究表明，糖肽化合物在人類生長發(fā)育過程中起著重要的作用，涉及人類激素、細胞生長、細胞識別以及生殖等方面，主導(dǎo)著人體的生長、發(fā)育、繁衍、代謝和免疫調(diào)節(jié)等生命過程。它們既是人體組織細胞再生的基礎(chǔ)物質(zhì)，又具有獨特的生理功能，因此，研究糖肽對于生命活動的影響作用已經(jīng)成為現(xiàn)在的研究熱點[10]。然而，糖肽衍生物的合成是其功能研究的難點。近年來，超分子方法構(gòu)筑的糖肽的研究取得了一定成果[11]。苝酰亞胺類化合物具有強的自組裝能力和光譜可調(diào)的特征，廣泛用于超分子組裝體的研究[12]。為此，河北大學(xué)的朱宏宇等人設(shè)計合成了糖肽修飾的苝酰亞胺化合物（PBI-FF-Lac）。實驗表明該化合物PBI-FF-Lac 具有良好的水溶性，在水溶性中形成H-型聚集體，且表現(xiàn)出了右手螺旋的超分子組裝[13]。該研究將在生物化學(xué)、生命科學(xué)及醫(yī)藥學(xué)中得到應(yīng)用。

2 新型超分子化合物的合成及在分析分離科學(xué)中的應(yīng)用

2.1 新型超分子熒光傳感器的合成及其在水溶液中對氟離子的識別

眾所周知，陰陽離子在自然科學(xué)和人類社會生活中扮演著十分重要的角色，因此，對于目標(biāo)離子或者分子的選擇性檢測一直吸引著廣大科研工作者[14,15]。為此，西北師范大學(xué)的鞏冠斐等人合成了一種由1,8-萘二甲酸酐衍生物構(gòu)建的新型超分子熒光傳感器分子（TNA）。這種新型超分子熒光傳感器（TNA）可以選擇性的熒光響應(yīng)水溶液中的 F-，同時它對氟離子也具有良好的循環(huán)檢測性能，對它的檢測線可以達到10-9M[16]。 該研究將在環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)及分析分離科學(xué)中得到應(yīng)用。

2.2 新型三足超分子傳感器的合成及對苦味酸和CN-檢測

眾所周知，炸藥如苦味酸和有毒化合物如氰化物的準確高效檢測一直是科研工作者重要的研究課題[17,18]。為此，西北師范大學(xué)的關(guān)曉文等人設(shè)計合成了一種新型萘二甲酰亞胺的三足主體化合物（TG）。他們用TG 自組裝成超分子體系并出顯示聚集誘導(dǎo)發(fā)射（AIE）。然后，他們采用基于TG 的超分子體系作為超分子傳感器（S-TG），發(fā)現(xiàn)S-TG 可以選擇性檢測苦味酸（PA,），其檢測限為9.92×10-9M。他們還發(fā)現(xiàn)在此過程中S-TG 的自組裝被破壞，并且S-TG的AIE 被淬滅，同時形成TG 和PA 的復(fù)合體（TGPA）。更有趣的是，TG-PA 可以作為一種新型的超分子傳感器，可用于AIE 熒光“打開”更靈敏的檢測CN-，其中 TG-PA 對 CN-的檢測限為 7.45×10-7M[19]。該研究將在分析分離科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

3 新型超分子化合物的合成及在材料科學(xué)中的應(yīng)用

3.1 新型三咪唑鎓環(huán)蕃籠與無機金屬鹽構(gòu)筑的超分子化合物的合成應(yīng)用

研究表明，通過組合有機陽離子和無機金屬鹽所產(chǎn)生的有機-無機雜化材料在眾多領(lǐng)域彰顯出廣闊的應(yīng)用前景[20,21]。3D 咪唑鎓籠分子可以通過靜電作用、陽離子-π 相互作用等與無機、有機陰離子或兩性、中性分子結(jié)合，形成超分子體系。為此，鄭州大學(xué)的王福榮等人在實驗室以三咪唑鎓環(huán)蕃籠作有機模板劑，與金屬鹵（擬鹵）化物進行自組裝得到了結(jié)構(gòu)新穎的有機-無機雜化材料,目前，對于將不對稱的環(huán)蕃籠應(yīng)用于超分子組裝的研究鮮有報道，而對于能將二價鉛離子誘導(dǎo)成五配位的研究更不多見[22]。該研究將在材料科學(xué)、配位化學(xué)、金屬有機化學(xué)及結(jié)構(gòu)化學(xué)的研究中得到應(yīng)用。

3.2 新型硼烷簇超分子自組裝可控構(gòu)筑磁性納米金復(fù)合材料的合成及應(yīng)用

研究表明，由于納米材料較之于宏觀材料具有其獨特的理化性質(zhì)，故常被應(yīng)用于生物傳感、成像、催化以及藥物傳遞等領(lǐng)域，因而使得其凸顯出廣闊的應(yīng)用前景[23]。為此，武漢大學(xué)的漆斌等人利用硼簇（Cs2B12H12）的雙功能性（還原劑和保護劑）首先獲得硼簇包覆的納米金，并能通過改變原料的投料比獲得不同粒徑的納米金顆粒。在此基礎(chǔ)上，他們利用硼烷簇與-環(huán)糊精之間存在的超分子作用力（鍵合常數(shù)可以達到 9.6×105M-1），成功地將硼簇 @AuNPs 錨定在環(huán)糊精包覆的磁性Fe3O4上。整個錨定過程可以在30s 之內(nèi)完成，且制備的磁性納米金產(chǎn)物非常穩(wěn)定，并成功的將4-硝基苯酚還原制備出4-氨基苯酚的體系，此循環(huán)利用15 次仍然可以達到95%的轉(zhuǎn)化率，且對于硝基苯類的衍生物還原也具有普適性，因而具有廣闊的應(yīng)用前景[24]。該研究將在生物傳感器、催化、成像科學(xué)及醫(yī)藥學(xué)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

4 結(jié)語

綜上所述，超分子化學(xué)作為一門植根深遠的新興熱門邊緣學(xué)科，其應(yīng)用無處不在，所涉及的領(lǐng)域極其廣泛。由于超分子較之于傳統(tǒng)的共價分子有著獨特的特性和功能，即超分子具有分子識別、主客體作用、天然的酶功能、電子轉(zhuǎn)移、能量傳遞、物質(zhì)傳輸、化學(xué)轉(zhuǎn)換以及光、電、磁和機械運動等眾多的新穎特征，故世界科學(xué)家預(yù)言，分子計算機和生物計算機的實現(xiàn)也將指日可待。我們堅信，隨著人們對超分子化學(xué)研究的不斷深入，超分子化學(xué)必將成為21 世紀新思想、新概念和高新技術(shù)的重要源頭。