方興未艾的超分子化學(xué)及應(yīng)用*

趙 征

（西安交通工程學(xué)院，陜西 西安 710300）

我們把研究原子間通過共價(jià)鍵或離子鍵形成的分子實(shí)體的結(jié)構(gòu)與功能的科學(xué)稱為分子化學(xué)，而把研究基于分子間的非共價(jià)鍵相互作用而形成的分子聚集體的化學(xué)定義為超分子化學(xué)。超分子化學(xué)的概念最早是由超分子化學(xué)之父，法國(guó)科學(xué)家萊恩（J.M Lehn）于1987年提出的，它是化學(xué)與生物學(xué)、物理學(xué)、材料科學(xué)、信息科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等多門學(xué)科交叉構(gòu)成的新興熱門邊緣科學(xué)。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)之間的界限，著重強(qiáng)調(diào)了具有特定結(jié)構(gòu)和功能的超分子體系，并將四大基礎(chǔ)化學(xué)(有機(jī)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)和物理化學(xué))有機(jī)地融為一體。由于超分子化學(xué)的應(yīng)用無處不有，故為21世紀(jì)的熱門領(lǐng)域如環(huán)境科學(xué)、信息科學(xué)、能源科學(xué)、納米科學(xué)、材料科學(xué)和生命科學(xué)等的發(fā)展開辟了一條嶄新的道路。不僅如此，超分子化學(xué)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)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 新型超分子的合成及在分析分離科學(xué) 中的應(yīng)用

1.1 新型三蝶烯三配位主體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組裝體的構(gòu)建及應(yīng)用

研究表明，發(fā)展新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)超分子組裝體具有重要的理論價(jià)值與實(shí)際應(yīng)用意義。基于三蝶烯結(jié)構(gòu)基元的特殊功能[1]，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所的韓瑩等人，設(shè)計(jì)合成了一個(gè)含有三個(gè)鄰菲啰啉[2]片段的三配位主體分子，通過將其與三個(gè)含有兩個(gè)烯烴的鄰菲啰啉分子在銅離子的作用下配位，進(jìn)一步通過關(guān)環(huán)復(fù)分解（RCM）反應(yīng)構(gòu)筑了一種新型超分子組裝體，如果相鄰兩個(gè)鄰菲啰啉之間連接長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，當(dāng)剝離銅離子時(shí)能夠得到大環(huán)分子；但如果相鄰兩個(gè)鄰菲啰啉之間連接長(zhǎng)度比較短（5個(gè)碳數(shù)），即使剝離銅離子，小環(huán)也不會(huì)脫離主體，故因此可以得到一個(gè)新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組裝體[3]。該研究可用于分析分離科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)及生命科學(xué)等領(lǐng)域。

1.2 新型大環(huán)受體的構(gòu)筑及分子識(shí)別

研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)大環(huán)受體由于獨(dú)特的尺寸效應(yīng)及預(yù)組織效應(yīng)，在超分子識(shí)別領(lǐng)域具有重要的地位[4-5]。目前一些大環(huán)受體由于合成困難、難化學(xué)修飾及純化等缺點(diǎn)限制了其應(yīng)用。鑒于點(diǎn)擊反應(yīng)條件溫和、選擇性好、產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，故可用于高效合成有機(jī)大環(huán)受體。為此，南昌大學(xué)的曹遷永等人合成了一系列含熒光團(tuán)的環(huán)三唑大環(huán)受體，并研究了其受體對(duì)不同客體分子離子，如金屬離子、陰離子、富勒烯等熒光識(shí)別能力，并對(duì)其作用機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的研究[6]。該研究將在分析分離科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)及合成化學(xué)中得到應(yīng)用。

1.3 新型陰離子配位超分子組裝體的構(gòu)筑及應(yīng)用

研究表明，陰離子在生物化學(xué)、分析分離科學(xué)、環(huán)境科學(xué)以及材料科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域中扮演著重要的角色[7]。為此，西北大學(xué)的吳彪等人設(shè)計(jì)合成了一系列帶有鄰苯橋聯(lián)的多脲配體，通過多個(gè)氫鍵與四面體含氧酸根離子，如磷酸根，呈現(xiàn)良好的配位性質(zhì)。其磷酸根配合物和過渡金屬聯(lián)吡啶配合物具有高度的相似性。他們以此為配位基元，組裝出了多類以陰離子配位中心的超分子體系，如雙股、三股螺旋體，多元大環(huán)和多面體。他們的實(shí)驗(yàn)表明，這類超分子組裝體表現(xiàn)出豐富的主客體化學(xué)特性，如穩(wěn)定活潑物種（P4、AS4等）、識(shí)別生物相關(guān)客體（區(qū)分膽堿及其衍生物）、超分子手性放大等[8]。該研究將在生物化學(xué)、分析分離科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)以及材料科學(xué)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

2 新型超分子的合成及在醫(yī)藥學(xué)中的應(yīng)用

2.1 新型超分子卟啉組裝體的合成及醫(yī)藥學(xué)中的應(yīng)用

研究表明，利用氫鍵、π-π堆積作用、主客體識(shí)別、配位作用等非共價(jià)鍵自組裝構(gòu)筑獨(dú)特的、復(fù)雜的超兩親體是超分子自組裝領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)的兩親分子相比，這些超兩親體具有動(dòng)態(tài)、可逆、可調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)，因而在分子識(shí)別、藥物傳遞、分子催化等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[9]。為此，杭州師范大學(xué)的李世軍等人基于四個(gè)氨基都朝向同一側(cè)的順式-四-(2-氨基苯基)卟啉衍生物（卟啉α, α, α, α-H2TamPP）設(shè)計(jì)、合成了帶有4個(gè)脲基的卟啉衍生物[10]，并發(fā)現(xiàn)它們對(duì)F-、Cl-、Br-、I-、NO3-、HSO4-、AcO-等陰離子具有主客體識(shí)別作用，其絡(luò)合常數(shù)高達(dá)1.1×108M-1。他們還進(jìn)一步設(shè)計(jì)、合成了基于α, α, α, α-H2TamPP 的含四條醚鏈的兩親卟啉分子，在水溶液中該兩親分子通過π-π堆積作用形成超兩親體。他們的研究發(fā)現(xiàn)其組裝形貌可以通過加入暈苯、C60、氯離子等客體來進(jìn)行調(diào)控；而兩親鋅卟啉衍生物中的鋅離子還可以與4,4’-bipyridine、2,4,6-tri-4-pyridinyl-1,3,5-triazine 配位分別形成不同結(jié)構(gòu)的超兩親體，進(jìn)而導(dǎo)致其組裝形貌也發(fā)生了很大的變化，從而使他們發(fā)現(xiàn)了一種通過主客體識(shí)別調(diào)控超分子兩親體結(jié)構(gòu)和形貌的可控組裝新方法[11]。該研究將在藥物傳遞、分子識(shí)別及分子催化的領(lǐng)域得到應(yīng)用。

2.2 新型嵌入功能的超分子管狀組裝體的合成及應(yīng)用

研究表明，傳統(tǒng)的抗生素和抗腫瘤藥物等藥物分子主要是靶向于生物大分子。由于生物大分子尺寸太小，不容易被藥物分子捕獲，導(dǎo)致藥物的研發(fā)需要消耗大量的時(shí)間、人力和物力。細(xì)胞膜是細(xì)胞內(nèi)最大尺寸的組成部分。因此，發(fā)展靶向細(xì)胞膜的藥物分子將有可能縮短藥物研發(fā)周期，為藥物的開發(fā)提供新的研究思路[12]。為此，復(fù)旦大學(xué)的侯軍利等人在他們前期研究單分子管狀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上[13]，分別利用細(xì)菌細(xì)胞膜和哺乳動(dòng)物細(xì)胞膜中磷脂分子的結(jié)構(gòu)特征，通過在管狀分子中引入多位點(diǎn)的識(shí)別基團(tuán)，構(gòu)筑了對(duì)細(xì)菌細(xì)胞膜和哺乳動(dòng)物細(xì)胞膜具有選擇性識(shí)別與嵌入功能的管狀超分子。由于這類管狀超分子在細(xì)胞膜內(nèi)形成跨膜的離子通道，以破壞細(xì)胞內(nèi)的微環(huán)境，進(jìn)而分別高效地殺死細(xì)菌和腫瘤細(xì)胞，從而研發(fā)了一種構(gòu)筑細(xì)胞膜活性抗生素和抗腫瘤藥物的新策略[14]。該研究將在醫(yī)藥學(xué)、生物化學(xué)及生命科學(xué)中得到應(yīng)用。

2.3 新型超分子水溶性碳納米角-藻藍(lán)蛋白的制備及診 療作用

近年的醫(yī)學(xué)研究表明，腫瘤診斷和治療是目前腫瘤學(xué)研究的熱點(diǎn)[15]。碳納米材料如石墨烯、碳納米管(CNTs)、碳納米角(CNHs)等因其獨(dú)特的理化性質(zhì)使其在癌癥的診療研究領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力[16]。但是由于 CNTs、CNHs 等碳納米材料自身難溶于水，嚴(yán)重制約了其在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用[17]。為此，廣西師范大學(xué)的林肇星等人以水溶性藻藍(lán)蛋白(PC)為表面修飾試劑，通過非共價(jià)作用一步法構(gòu)建了單壁CNHs-PC復(fù)合材料(SWCNHs-PC)，成功地解決了CNHs 水性差的缺點(diǎn)，且體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物模型研究證實(shí)SWCNHs-PC具有良好的近紅外光熱成像(TI)、光聲成像(PA)及協(xié)同的近紅外光熱治療(PTT)/光動(dòng)力治療(PDT)效果，由此證明該超分子納米材料具有優(yōu)異的腫瘤診療和應(yīng)用潛力[18]。

2.4 新型超分子透明質(zhì)酸-釕納米粒子的制備及光診療作用

近來的研究表明，大量的無機(jī)或有機(jī)納米材料由于其優(yōu)良的理化等特性被廣泛應(yīng)用于癌癥的診斷和治療[19]。透明質(zhì)酸(HA)作為一種酸性粘多糖具有良好的生物相容性和水溶性[20]，且可以較好地用作靶向部分癌細(xì)胞表面高表達(dá)的腫瘤干細(xì)胞表面標(biāo)記物（CD44）受體。因此，利用HA對(duì)材料進(jìn)行修飾不僅能夠賦予超分子納米材料良好的水溶性和生物相容性，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)癌細(xì)胞的特異性靶向。為此，廣西師范大學(xué)的王文龍等人采用半胱氨酸(Cys)接枝的HA與RuCl3反應(yīng)制備得到了水溶性好、穩(wěn)定性高的HA修飾的超分子Ru納米粒子(HA-Ru NPs)。其體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該超分子納米粒子具有顯著的近紅外光誘導(dǎo)光熱治療(PTT)、光動(dòng)力治療(PDT)性質(zhì)及X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)成像、光聲(PA)成像等成像能力。此外，由于HA的修飾，HA-Ru NPs 對(duì)CD44高表達(dá)的腫瘤細(xì)胞具有特異性靶向，可以有效抑制腫瘤生長(zhǎng)[21]。該研究將在醫(yī)藥學(xué)、生命科學(xué)及材料科學(xué)中得到應(yīng)用。

3 新型超分子的合成及在催化科學(xué)中的應(yīng)用

研究表明，β-環(huán)糊精及其衍生物作為超分子配體被廣泛應(yīng)用于有機(jī)合成中[22]?；赑itchumani和Jung等人報(bào)道了2-氨基吡啶修飾的β-環(huán)糊精在 Suzuki、Heck 和 Sonogashira 偶聯(lián)反應(yīng)中應(yīng)用[23]，云南大學(xué)的羅開秀等人設(shè)計(jì)完成了β-環(huán)糊精與吡啶酰胺、環(huán)己二胺的鍵合，再與二價(jià)鈀配位得到兩種β-cyclodextrin/Pd (II)超分子催化劑，他們將其用于對(duì)Suzuki及Sonogashira偶聯(lián)反應(yīng)研究，實(shí)現(xiàn)了環(huán)糊精/Pd(II)超分子配體催化C-C的偶聯(lián)反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，該催化反應(yīng)還可在水相中進(jìn)行，并表現(xiàn)出優(yōu)良的催化活性和轉(zhuǎn)化率(81%～95%)，且可多次循環(huán)使用并具有綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)[24]。該研究將在催化科學(xué)、材料科學(xué)及大環(huán)化學(xué)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，超分子化學(xué)作為一門植根深遠(yuǎn)的新興熱門邊緣學(xué)科，其應(yīng)用無處不有，如在自然科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，如物理學(xué)、催化科學(xué)、生物學(xué)、生物化學(xué)、石油化工、航空航天、醫(yī)藥學(xué)、國(guó)防科學(xué)等均有廣泛的應(yīng)用。即超分子化學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展促進(jìn)了眾多學(xué)科的興起和發(fā)展，也為它們提供了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)?；诔肿踊瘜W(xué)中的分子識(shí)別，通過分子組裝等方法構(gòu)筑的有序超分子體系已展示出了電子轉(zhuǎn)移、能量傳遞、物質(zhì)傳輸、化學(xué)轉(zhuǎn)換以及光、電、磁和機(jī)械運(yùn)動(dòng)等多種新穎特征。為此，我們有理由相信，隨著人們對(duì)超分子化學(xué)研究的不斷深入，超分子功能材料及智能器件、分子器件與機(jī)器、分子馬達(dá)、DNA芯片、導(dǎo)向及程控藥物釋放與催化抗體、高選擇催化劑等等，將逐一被實(shí)現(xiàn)。與此同時(shí)科學(xué)家預(yù)言，分子計(jì)算機(jī)和生物計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)也將指日可待。在信息科學(xué)方面，超分子材料正向傳統(tǒng)材料挑戰(zhàn)，一旦突破，其必將帶動(dòng)信息及相關(guān)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)技術(shù)革命，且將對(duì)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。