新型雙親結構特殊功能性化合物分子設計、構筑與應用

章亞東

（鄭州大學化工與能源學院，河南 鄭州 450001）

新型雙親結構特殊功能性化合物分子設計、構筑與應用

章亞東

（鄭州大學化工與能源學院，河南 鄭州 450001）

眾所周知，表面活性劑分子是一類含有典型親水、親油雙親結構的特殊功能性化合物，其應用已遍及國民經濟的眾多行業領域，更有“工業味精”美稱。而從結構上來說，一類新的具有類似表面活性劑典型雙親結構，但并不是通常意義的表面活性劑的特殊結構物質，具有新的應用領域，其不僅擴展了表面活性劑傳統應用范圍，并給諸多高新技術領域帶來新的強烈沖擊，這一現象非常值得引起我們產學研各界高度重視，并深入開展基礎理論及應用研究。

引言

表面活性劑是一類典型的有序分子聚集體體系，其分子是由親水基和疏水基組成的雙親結構，能改變體系界面狀態，從而產生潤濕或反潤濕、乳化或破乳、起泡或消泡以及增溶等一系列作用。

隨著合成化學工業的發展，具有各種性能的表面活性劑陸續問世，使表面活性劑的應用有較為迅猛的發展。物質功能不僅依賴于構成體系基元分子的理化性質，在很大程度上還取決于分子的聚集形式，即分子以上層次的高級結構。多個分子聚集而成的有序聚集體，表現出單個分子不具備的特有性質。在生物體系、材料體系以及某些生態環境中，都有許多這種有序聚集體存在。

有序高級結構聚集體可以描述為由兩個以上的相同或不同的亞基（借用蛋白質結構的表述），通過分子間的弱相互作用，形成具有有序的高級結構的不連續的分子組合體。

尋找與高科技密切相關的光、電、磁、聲、催化功能以及生物功能的功能體系（聚集體），一直是國際上化學研究的熱點和前沿領域。

1 有序聚集體的基本構成及形式

有序聚集體的構成組分可以是小分子（含有機、無機分子）、大環分子（含穴醚、冠醚、富勒烯等）及聚合物等，聚集體存在于固相、液相及氣相中。實際上，聚集體的形成是多種弱相互作用力的協同、加合作用的總體效應的體現。其存在形式大體上可分為以下三種主要類型。

1.1 氫鍵體系

氫鍵因其方向性、選擇性而成為構筑有序高級結構中最廣泛的分子間相互作用，蛋白質、DNA等聚集體的結構與功能的調節及維系，很大程度上依賴于氫鍵的作用。氫鍵具有飽和性，需要選擇具有合適作用位點的互補分子作為組成單元。

1.2 疏水體系

亞基主要通過疏水相互作用結合而成聚集體。主要是環糊精體系，其疏水性內腔與疏水性基團形成2∶1或1∶1計量比的聚集體，分別為有限囊狀和無限堆積的管狀構型。原則上，任何大于環糊精空穴尺寸的疏水性基團，如硼烷、富勒烯、卟啉等都能夠誘導形成2∶1或2∶2型的環糊精： 客體聚集體，聚集狀態與客體的種類、濃度有關。

1.3 配位體系

金屬-配體間配位作用強且配位構型多樣，有利于構筑多個亞基組成的聚集體。金屬-配體間的非共價作用相對較強，得許多體系在溶液中也同樣能夠形成聚集體。常見體系有：兩配體體系及多組分體系等，拓撲結構有三角形、四方形、籠形等。例如，三個鈀原子與兩個三吡啶配體在客體疏水作用誘導下，形成納米級籠形顆粒，聚集體的產率受客體控制，要求客體同時包含疏水性基團和羧基等基團。

2有序分子聚集體體系的構筑與應用

2.1 藥物制劑領域應用

后基因組時代的新藥研究領域，一種新的研究模式正在形成，即從基因到蛋白，確定藥物作用靶點后，利用計算機虛擬篩選技術、組合化學及高通量篩選技術快速發現新藥。生物篩選的目的是得到競爭性、高親和力、可逆結合、特異性的配體。隨著分子生物學的迅猛發展，越來越多的基因被克隆和表達，大量新的藥物作用的理想靶標蛋白被發現和表達純化，基于聚集的作用機理，是很多藥物分子與蛋白作用的共同特性。因此藥物分子的分子形態、其與蛋白質作用的方式以及在體內的傳輸模式，引起人們的廣泛關注。在傳統藥物劑型中，有序分子聚集體可用于難溶性藥物的增溶、油的乳化、混懸液的分散助懸、增加藥物的穩定性等。隨著近幾年表面活性劑的發展日趨“綠色天然”，表面活性劑的研究轉向安全、溫和、無毒、易生物降解等方向，具有這些特點的表面活性劑在制藥工業中的應用將更為廣泛。可以預見，隨著表面活性劑的應用研究日益深入，它在制藥工業中的應用將會受到越來越多的重視，這將推動制藥工業向更深層次發展。

2.1.1微乳體系的應用

微乳液是指一種液體以粒徑在10nm～100nm的珠滴形式分散在另一種不相混溶的液體中形成的外觀透明或半透明分散體系。微乳液與一般乳液有明顯區別，它們不僅粒子大小不同，而且微乳液是可自發形成或稍加攪拌即可形成的外觀透明、黏度較低、表面活性劑用量較高的熱力學穩定體系。微乳有油包水型、水包油型和雙連續型。一般形成微乳液不僅需要油、水及乳化劑，還需要加入相當量的助乳化劑（通常為醇類物質） 。

微乳是一種具有發展潛力的給藥系統，主要用于藥物載體。藥物載體是指能改變藥物進入體內的方式和在體內的分布、控制藥物的釋放速率并將藥物輸送到靶向器官的體系。它可防止藥物過早降解、滅活、排泄以及發生人體免疫反應。人們研究的藥物載體較多，其中有膠束、微乳液、液晶和囊泡等。與膠束、液晶和囊泡相比，微乳液有其優點。微乳的穩定性較好，可以提高藥物的貯存穩定性，微乳作為藥物載體與細胞膜有很好的相容性，給藥途徑廣泛，且能增加藥物有效成分的溶解量從而提高藥物的生物利用度，因此受到了普遍關注。

2.1.2 在藥物新劑型中的應用

1）在靶向制劑中的應用。癌癥是人類健康的大敵，用化療方法治療癌癥，在產生治療作用的同時也殺傷人體的正常細胞，副作用極大；若將藥物制成靶向制劑，則藥物可以選擇性地達到靶器官而產生藥效，從而減少藥物對正常細胞的損傷。國外一些研究表明，一些非離子表面活性劑可單獨使用或與其它脂質混和物形成非離子表面活性劑囊泡，其在體內非常穩定，無毒，具有生物相容性和可降解性，易大量生產，已成為磷脂的首選替代材料。

2）在緩釋制劑中的應用。通過超聲波法制備囊泡包封藥物，作為藥物緩釋劑。以殼聚糖為載體制備了5-氟尿嘧啶殼聚糖微球。實驗表明，微球具有很好的緩釋效果，而且在酸性條件下的緩釋效果更好。殼聚糖與5-氟尿嘧啶之間有比較強的分子間作用力，微球球形規整，分散性好，粒徑分布在1～5μm之間。

微膠囊亦是緩釋制劑的重要一種。它通過成膜物質將囊內空間與囊外空間隔離開以形成特定幾何結構，其內部可以是填充的，也可以是中空的。傳統微膠囊尺寸通常在微米至毫米級，壁厚在亞微米至幾百微米。通過改變囊壁的結構、組成或引入功能性組分，可獲得各種功能性微膠囊。

利用自沉積技術可將多種水溶性物質如蛋白、DNA、酶、多肽、維生素、納米微粒及各種藥物自發包埋在微膠囊內。例如，沉積的辣根過氧化物酶（HRP）比自由的HRP具有更好的耐溫性能、耐溶劑性能和時間穩定性能山抗癌藥物柔紅霉素、順鉑、卡鉑和阿霉素等同樣能夠被高效率地沉積在膠囊內，膠囊內外藥物的比例可達50∶1，沉積的藥物在生理條件下又能夠被緩慢釋放出來將沉積了藥物的膠囊與癌細胞共培養發現，癌細胞可被逐漸殺死（凋亡）。

3）在中藥制劑中的應用。丹參酮是丹參脂溶性成分中最主要的成分。丹參的各種制劑已廣泛應用于治療心血管、肝炎、皮膚病和潰瘍等。

2.2 有序介孔材料的制備

有序介孔材料是指以表面活性劑為模板劑（結構導向劑），利用溶膠-凝膠、乳化或微乳等化學反應，通過有機物和無機物之間的界面作用，組裝生成的一類孔徑在2～50nm之間，孔徑分布窄且具有規則孔道結構的無機多孔材料。這對于沸石分子篩難以完成的大分子催化、吸附與分離等過程是十分有意義的。同時有序介孔材料具有的規則、有序、可調的納米級孔道結構，使其可作為納米微粒的“微反應器”，為人們從微觀角度研究納米材料“客體”在介孔材料“主體”中組裝可能具有的小尺寸效應、界面效應、量子效應等提供了重要的物質基礎。

有序介孔材料作為一種新型的納米結構材料，在催化、分離、納米技術、智能材料等領域有著廣闊的應用前景，已成為國際上化學、物理、材料、生物及信息等領域的研究熱點。

介孔材料的合成一般需要無機物種（形成介孔材料骨架元素的物質源）、表面活性劑（形成介孔材料的結構導向劑）、溶劑（通常為水，非水體系中也有報道）。有時為了摻雜和組裝還需加入其它物質源等。

盡管合成的路線多種多樣，但其共同點是表面活性劑與無機物種之間的界面組裝作用力。改變兩相界面作用力的類型（靜電、氫鍵、配位鍵），或調節界面作用力、表面活性劑間作用力、無機物種間作用力的相對大小，就使合成的路線多樣化，從而適合合成不同結構、組成和性質介孔材料的需要。

2.3 肥料緩釋/控釋技術

據統計，化肥對我國農作物增產的作用占30%～40%，僅殺蟲劑和除草劑的使用也能避免30%～40%的糧食損失。但是，在農用化學品長期使用過程中，最突出的問題就是利用率低，在肥料上表現為高耗能和高污染，在農藥上則是長期殘留和安全性低。環境意識、資源保護、使用成本及人類自身安全都促使人們去研制高效、安全、環保的技術。

緩釋/控釋技術是指在一個特定體系內，采取某些措施來減慢某種活性制劑的釋放速度，從而在某段時間內，體系活性制劑可以維持有效濃度。通過一定加工工藝和應用特定緩釋/控釋材料等手段，可以使活性制劑緩慢或受控制釋放，提高利用效率。

一般來說，農作物在一個生長期中需肥動態大致呈S型，即開始較慢，隨后加快，再逐漸變慢。如果某種肥料能夠按照作物的需肥規律供給養分，那么肥料的損失將降到最小，且利用率提高。這也是緩釋/控釋肥料的最終目標。

目前還很難嚴格區分緩釋和控釋肥料，美國植物養分稽查協會（AAPFCO）認為這兩種名稱可以通用，按照習慣將對土壤較敏感、不易控制、能為微生物分解的含氮化合物如脲醛類稱為緩釋肥料，而將那些養分釋放速率能與作物需肥規律相匹配的肥料如包裹或包膜肥料稱為控釋肥料，即緩釋肥料的高級形式。緩釋/控釋肥料主要技術有：

1）包膜主要是無機物和有機聚合物包膜兩類。在肥料的表面通過涂覆惰性的包膜物質來控制養分的釋放，成膜后可以減少肥料與外界的直接接觸、改善肥料的理化性能。

2）載體吸附固定將肥料均勻地分散、吸附于控釋材料中，形成多孔網絡體系，隨著控釋材料的解吸、溶蝕、降解而釋放出來。應用控釋材料主要有高表面活性礦物質，如包括層狀結構的蒙脫石等、層鏈狀結構的海泡石等和架狀結構的沸石硅藻土等，其他的還有橡膠、石蠟、瀝青、凝膠體及聚合體等。

2.4 農藥緩釋/控釋技術

農藥主要以噴施為主，實際應用中，因光解（尤其是紫外線）、水解、生物降解、揮發、流失等造成農藥的利用率低，持效期縮短。緩釋/控釋農藥主要是根據病蟲害發生規律、特點及環境條件，通過農藥加工手段，使農藥按照需要劑量、特定時間持續穩定地釋放，以達到最經濟、安全、有效地控制病蟲害的目的。

1）物理型緩釋/控釋農藥。(i)開放式系統：空心纖維（如醋酸纖維素等）、吸附性載體（如硅藻土）等多孔制品沒有控制膜包裹，稱為開放式系統。其普遍特點是不與有效成分發生化學反應，而且能全部將藥液釋放出來。(ii)控制膜系統：利用包裹、掩蔽、吸附等原理，將原藥貯存于聚合物中的不均一體系如微膠囊劑、包結化合物或多層制品等有外層膜保護的，稱為控制膜系統。包結化合物亦稱為分子膠囊，即某種化合物通過氫鍵、范德華力、極化與偶極矩感應等作用與另外的化合物形成不同空間結構的新分子化合物。多層制品由富集農藥的多孔纖維或高分子化合物的貯藥層和決定藥劑擴散的膜層構成。

2）化學型緩釋/控釋農藥。按照聚合物與農藥的主要聯結方式，化學型農藥緩釋劑主要分為兩類：(i)原藥與高分子化合物直接結合；(ii)通過交（橋）聯劑與高分子化合物結合。

2.5 新型無機-有機雜化材料的構筑

通過配位鍵或氫鍵的形成而從簡單小分子配體和金屬離子構筑具有高級有序結構分子聚集體，已成為當前配位化學、超分子化學及材料和生命科學等領域中的主流和熱點之一，并呈現出突飛猛進、方興未艾的發展趨勢。可以預期，對這些新型體系結構和性能的研究不僅能開拓化學發展的新局面并會促進相關學科的交叉融合，并將進一步拓展其在醫藥、電子、光學、電化學、催化等諸多高技術領域中的廣闊應用前景。

近年來人們借助剛性小分子配體與金屬離子的配位自組裝獲得了各式各樣、精彩紛呈的零維、一維、二維和三維網絡結構的功能配合物。這類剛性配體在配位過程中，配體配位齒間的間距和夾角不發生明顯變化，使得它們在配合物形成過程中具有最少的不確定因素。而以柔性配體構筑高級有序結構配合物的研究還很少。由于σ鍵可以自由旋轉，這類配體可以根據配位環境的變化采取多種構型，這樣的連接基團在配位時具有較大的變形能力，從而使配位齒間距離、夾角及連接基團的形狀都能進行調整以適應配位環境的改變，從而更易形成獨特結構。此外，配體的這種變形能力使所形成的結構具有一定的彈性，可能容納體積不同的客體分子或離子，使得客體基團的吸附、釋放、交換更容易進行。

前述構成的配合物可具有結構多樣性、空穴大小的可調性以及其它剛性配體配合物所不具備的特殊性質和功能等。另外，從非手性配體構筑手性高級結構配合物也是富有挑戰性和重要意義的工作。分子手性和手性分子一直是化學和生命及材料科學研究中的熱點和前沿領域，而有限多核手性配合物或分子聚集體的構筑和探索則是目前這一領域中最具挑戰性和最引人注目的熱點和難點之一。它們在非線性光學材料、磁性和超導材料、催化及生物活性等方面可能有良好的應用前景。

3結語

有序分子聚集體體系家族，已從簡單的液體構筑向固體層面迅速擴大，尤其是來自天然或無毒、易合成或易表面修飾的有機或無機高分子材料表面有序分子的聚集體體系所表現的奇異性質，以及在高技術領域的應用，正在迅速改變人們的知識視野。因此，在分子以上層次研究分子聚集體高級結構的形成、結構和功能的關系是十分必要和迫切的。

高級結構的有序性在決定分子聚集體的功能上起重要作用。具有有序高級結構的分子聚集體往往表現出單個分子所不具有的性質與功能。我們需要進一步探討分子聚集體內和分子聚集體之間的弱相互作用的本質；闡明分子間如何相互識別、尋找結合位點以及分子間如何通過協同效應組裝形成穩定的有序高級結構；弄清分子結構與分子聚集體高級結構之間的關系和聚集體結構與性質的關系；揭示新現象，發展新理論，開拓新技術，就成為分子以上層次化學的核心和基礎。同時，這一領域的研究也將對生命、材料、信息、能源和環境科學在介觀尺度上的問題提供科學支撐和認識上的飛躍。