新型超分子化合物的合成分子識別及應(yīng)用新進展*

張來新，陳　琦

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

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新型超分子化合物的合成分子識別及應(yīng)用新進展*

張來新，陳琦

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

摘要：簡要介紹了超分子化學(xué)的產(chǎn)生發(fā)展及應(yīng)用；重點綜述了：①新型超分子化合物的合成及應(yīng)用；②新型超分子配體的合成分子識別及應(yīng)用；③新型超分子金屬配合物的合成及抗癌作用。并對超分子化學(xué)的發(fā)展進行了展望。

關(guān)鍵詞：超分子化合物，合成，分子識別，應(yīng)用

超分子化學(xué)是化學(xué)學(xué)科的一門新興熱門邊緣學(xué)科，是化學(xué)學(xué)科這棵枝繁葉茂的參天大樹上的一個新的分支，是化學(xué)發(fā)展史上的新的里程碑，是21世紀的朝陽學(xué)科。“超分子”一詞早在20世紀30年代已經(jīng)出現(xiàn)，但在科學(xué)界受到重視卻是50年代之后的事。萊恩1987年在獲得諾貝爾化學(xué)獎演講中曾將超分子化學(xué)定義為：超分子化學(xué)是研究兩種或其兩種以上的化學(xué)物質(zhì)通過分子間弱相互作用締結(jié)而成的復(fù)雜有序且具有特定結(jié)構(gòu)和特殊功能的超越分子體系的科學(xué)，故人們稱超分子化學(xué)的創(chuàng)始人萊恩為“超分子化學(xué)之父”。超分子的微觀單元是由若干乃至許許多多個不同化合物的分子或離子或其他可單獨存在的具有一定化學(xué)性質(zhì)的微粒聚集而成的物種，其聚集數(shù)可以確定或不確定，這與化學(xué)分子中原子個數(shù)嚴格確定具有本質(zhì)的區(qū)別。把多個組分的基本微觀單元聚集成“超分子”的凝聚力是非共價鍵的分子間作用力。超分子化合物可分為：大環(huán)多元醚超分子化合物、雜多酸類超分子化合物、多胺類超分子化合物、卟啉類超分子化合物、樹枝狀超分子化合物、液晶類超分子化合物、酞菁類超分子化合物等。超分子化學(xué)研究的內(nèi)容主要包括為：分子識別，分為離子客體的受體和分子客體的受體；大環(huán)化合物(如冠醚、環(huán)糊精、杯芳烴、柱芳烴、索烴、輪烷、咔咯、環(huán)蕃、葫蘆脲、大環(huán)內(nèi)酯、卟啉、大環(huán)席夫堿、C60、樹形化合物、大環(huán)多胺及其它大環(huán)化合物)；生物有機體和生物無機體系的超分子反應(yīng)性及傳輸；固態(tài)超分子化學(xué)，分為晶體工程、二維三維的無機網(wǎng)絡(luò)；超分子化學(xué)中的物理方法；模板即自組裝和自組織；分子催化、酶模擬；超分子技術(shù)，即分子器件和分子技術(shù)的應(yīng)用等。從某種意義上講，超分子化學(xué)淡化了有機化學(xué)、無機化學(xué)、生物化學(xué)和材料化學(xué)之間的界線，著重強調(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)中的有機化學(xué)、無機化學(xué)、分析化學(xué)和物理化學(xué)有機地融為一體，從而為分子器件、材料科學(xué)和生物科學(xué)的發(fā)展開辟了一條嶄新的道路。因之超分子化學(xué)作為一門植根深遠的新興熱門邊緣學(xué)科，目前已滲透到21世紀的熱門學(xué)科如生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、能源科學(xué)、信息科學(xué)、仿生學(xué)等領(lǐng)域，并在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥學(xué)及國防建設(shè)中彰顯出廣闊的應(yīng)用前景。

1新型超分子化合物的合成及應(yīng)用

1.1樺木醛縮氨基硫脲金屬超分子配合物的合成及應(yīng)用

樺木醇是一種羽扇烷五環(huán)三萜類化合物，具有消炎、抗病毒、抗腫瘤等功效。縮氨基硫脲基團是含硫酰胺鍵的特殊希夫堿，其配位能力強、配位形式多樣，也具有抗腫瘤、抗菌等生物活性。研究表明，多數(shù)縮氨基硫脲金屬配合物比其相應(yīng)的縮氨基硫脲配體具有更好的生物活性[1]。為此，延邊大學(xué)的張奪等人利用拼合原理將樺木醇骨架與縮氨基硫脲金屬配合物進行拼合，以樺木醇為基本骨架，經(jīng)三苯基氯甲烷進行28號位羥基的保護形成樺木醇三苯基醚，再用乙酸酐與3號位羥基反應(yīng)成酯，后經(jīng)28號位 PPTS脫保護，PCC氧化得到樺木醛后，接入硫代氨基脲，最后與金屬鹽進行反應(yīng)，制得到了樺木醛縮氨基硫脲銀、銅、鎘金屬配合物，并對其三種金屬配合物進行了表征。新合成出的3種樺木醛縮氨基硫脲金屬配合物，兼有樺木醇和縮氨基硫脲金屬配合物的結(jié)構(gòu)單位，其應(yīng)具有更強的抗菌活性和抗癌活性。此研究為樺木醇的開發(fā)利用，以及其在抗菌、抗癌活性的研究方面提供了基礎(chǔ)理論依據(jù)[2-3]。該研究將在生命科學(xué)、生物化學(xué)、生物物理、仿生學(xué)及醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

1.2一種檢測半胱氨酸的可逆型熒光探針超分子配體的合成及應(yīng)用

硫醇類化合物對生命體起到了非常重要的作用，但是這類化合物非常容易被氧化，從而可引發(fā)很多疾病。目前有效快捷的檢測硫醇類化合物的方法是熒光探針法，其檢測機理主要依靠硫醇誘導(dǎo)探針而引起的不可逆變化。然而，合成一種可逆性靶向半胱氨酸的抑制劑與位點循環(huán)作用，可達到反復(fù)治療的目的，并減少了不可逆作用帶來的潛在危害[4]。因此可逆型探針可以實時檢測溶液中半胱氨酸隨濃度的變化情況。為此，延邊大學(xué)的柳志學(xué)等人通過 7-(二乙胺基)香豆素-3-甲醛與丙二酸二乙酯合成了一種識別半胱氨酸的比率型熒光探針(1-Cys)，其測試表明該探針在半胱氨酸濃度為探針的 100 倍時反應(yīng)達到平衡。然而，當(dāng)平衡的溶液稀釋 10 倍情況下，產(chǎn)物1-Cys紫外吸收峰下降，探針(1-Cys)的吸收強度上升。可逆機理是由于稀釋過程中半胱氨酸的濃度下降，導(dǎo)致反應(yīng)向逆方向進行從而維持了反應(yīng)的平衡，達到了探針回復(fù)的效果。其稀釋實驗表明反應(yīng)是可逆反應(yīng)，可以實時監(jiān)測半胱氨酸濃度的變化。故該探針可以作為一種很有潛力的檢測半胱氨酸的可逆型熒光探針[5]。該研究將在生命科學(xué)、生物物理、仿生學(xué)及醫(yī)藥學(xué)中得到應(yīng)用。

1.3NO供體與氯硝柳胺分子偶聯(lián)的合成及應(yīng)用

氯硝柳胺是一種殺血吸蟲宿主——釘螺的最有效農(nóng)藥，把 NO 供體分子連接到氯硝柳胺分子中，可以提高其藥效性，并減少毒副作用。為此，贛南師范學(xué)院的黃慶等人用對氯苯硫酚與一氯乙酸在氫氧化鈉的乙酸溶液中反應(yīng)得對氯苯硫基乙酸(A)，然后用30%的雙氧水將化合物A氧化成對氯苯磺酰基乙酸，再與濃硝酸反應(yīng)合成NO供體(B)，NO 供體與氯硝柳胺分子進行偶聯(lián)，得 NO 供體與氯硝柳胺雜合藥物分子(C)，該C化合物具有比原來藥物分子有更好的藥效性和穩(wěn)定性，其既可減少副作用，又可提高藥效時間[6]。

1.4幾種雙二酮橋聯(lián)雙核氧釩(Ⅱ)超分子配合物的合成及應(yīng)用

由于金屬配合物的穩(wěn)定性和良好的脂溶性，易于滲入細胞，與病毒的核酸進行各種化學(xué)反應(yīng)，因而是一種潛在有效的殺菌藥物。當(dāng)金屬配合物進入細胞與細菌的微量金屬生成藥物-金屬-酶的混合物配合物阻止病毒的復(fù)制時，同時，細菌的核酸和蛋白又是極好的配位體，可以和從金屬配合物中釋放出來的金屬離子作用，使一些官能團失活。考慮到金屬橋聯(lián)多核結(jié)構(gòu)廣泛存在于生物體的金屬蛋白及金屬酶中，它們對生物體有著微妙的生物活性，宜春學(xué)院的李文等人以二苯甲酰甲烷(dbm)為端基配體，3，4-二乙酰-2，5-己二酮(diacac)、4，4′-聯(lián)苯二乙酰丙酮(bphdiacac)和 9，10-蒽-3，3′-雙(1，3-戊二烯-2，4-二醇)(andiacac)三種雙β-二酮為橋聯(lián)配體，自組裝了三種雙核金屬氧釩配合物，并用濃度稀釋法對它們的抑菌活性進行測試，實驗結(jié)果表明，所有受試樣品均具有一定的抑菌活性。在四種配體中，dbm 和 diacac 的抑菌活性最強；金屬配合物的抑菌活性比配體抑菌活性強，抗菌性也比配體廣泛，并且對唾液乳桿菌的最小抑菌濃度均大于 500g/mL，說明金屬離子對配體的抑菌性能起到了增強效應(yīng)[7]。該研究將在生命科學(xué)、生物化學(xué)、生物物理、仿生學(xué)及醫(yī)藥學(xué)中得到應(yīng)用。

2新型超分子配體的合成分子識別及其應(yīng)用

2.1高選擇性離子比色-熒光傳感器超分子的設(shè)計合成及應(yīng)用

離子識別研究在化學(xué)、生命科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。目前該領(lǐng)域的研究熱點是如何提高對客體離子的識別選擇性、靈敏性和在純水相中的檢測能力。為了解決上述問題，西北師范大學(xué)的魏太保等人在該領(lǐng)域多年研究工作的基礎(chǔ)上從主體分子的設(shè)計，識別機理的改進和水溶性調(diào)節(jié)等方面做了許多針對性的研究，得到了一些能高選擇性高靈敏度識別氰根離子、氟離子、汞離子和鎘離子等有毒或重金屬離子的傳感器分子，其內(nèi)容主要體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)提出了一種新穎的通過競爭超分子自組裝識別氰根的識別機理，實現(xiàn)了純水中對氰根單一選擇性的熒光識別，并制備了相應(yīng)的氰根檢測試紙；(2)設(shè)計合成了一種基于酰腙基和苯并咪唑基的傳感器分子，通過親核加成反應(yīng)高選擇性高靈敏度瞬時檢測氰根，檢測靈敏度達 2×10-9mol/L，并制備了相應(yīng)的氰根檢測試紙；(3)用綠色合成的方法在純水中反應(yīng)合成了一類含二腈乙烯基識別位點的傳感器分子，能高選擇性識別氰根離子；(4)設(shè)計合成了一系列芳基咪唑并吩嗪類傳感器分子，實現(xiàn)了對汞離子、鐵離子和磷酸二氫根離子的高選擇性識別，并制備了相應(yīng)的離子檢測試紙；(5)設(shè)計合成了一系列羧酸及其衍生物功能化的苯并咪唑類傳感器分子，實現(xiàn)了對鐵離子、氟離子和氰根的高選擇性高靈敏度檢測，檢測靈敏度達 2×10-10mol/L，并制備了相應(yīng)的檢測試紙和分子鍵盤[8]。該系列研究將在分析分離科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)及醫(yī)藥學(xué)研究中有著廣闊的應(yīng)用前景。

2.2以酚羥基作為識別位點的BODIPY基陰離子熒光探針的設(shè)計合成識別性能及應(yīng)用研究

具有分子識別功能的熒光探針分子的設(shè)計與合成是當(dāng)今超分子化學(xué)領(lǐng)域研究的熱點之一。作為一類重要的有機熒光染料，氟硼熒(BODIPY)類化合物及其熒光探針研究倍受關(guān)注。通過分子設(shè)計，有效組合各種不同的活性單元制備的功能化 BODIPY 類熒光探針已應(yīng)用于質(zhì)子、金屬離子、陰離子、有機分子和氣體分子檢測。為此，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所的李欠等人將酚羥基基團引入到 BODIPY 骨架中，設(shè)計合成了系列含有酚羥基的 BODIPY 類陰離子熒光探針，使酚羥基基團與熒光分子 BODIPY 通過 C=N 雙鍵共價連接，研究了酚羥基所處位置不同、取代基對識別性能與傳感機制的影響。即當(dāng)酚羥基處于鄰位時受體可以通過分子內(nèi)氫鍵形成穩(wěn)定的六元環(huán)結(jié)構(gòu)，只有電負性最強的氟離子可以打破分子內(nèi)氫鍵，競爭性與受體酚羥基通過氫鍵結(jié)合；當(dāng)在該受體中引入供電子基團時，可以有效改變受體的電子特性，增強分子內(nèi)氫鍵，而此時只有硫酸氫根離子可以打破分子內(nèi)氫鍵，形成新的多重氫鍵體系，有效抑制受體的 PET 過程，導(dǎo)致受體熒光增強。該研究將為新型高效 OFF-ON 型熒光探針分子的設(shè)計提供了新思路[9]。

2.3類Salen超分子配體的合成分子識別及應(yīng)用

分子識別是當(dāng)今超分子化學(xué)研究的重點和熱點。而Salen配體一般以C=N為標(biāo)志，其中C=N是由兩分子的醛基和一分子二胺發(fā)生脫水縮合反應(yīng)而得到的。隨著研究的深入，如果將N原子換做其它雜原子，則可得到一些類Salen配體，這些結(jié)構(gòu)新穎的類Salen配體[10]及其配合物有望通過配位原子的改變或化合物對稱性、手性等的變化提供更為廣闊的應(yīng)用前景，且具有重要的理論意義和實踐價值。為此，河北工業(yè)大學(xué)的王詠梅等人以醛類和二胺類化合物作為起始原料，通過分子間縮合反應(yīng)制得了2種類Salen配體，并通過溶劑自由揮發(fā)法得到并解析了它們的單晶結(jié)構(gòu)。通過紫外光譜測試可知，2種配體與 Cu(Ⅱ)的配合物對含氮的小分子咪唑、N-咪唑(N-MIm)等具有較明顯的識別性能[11]。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)藥學(xué)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

3新型超分子金屬配合物的合成及其抗癌作用

碳水化合物是生命體重要的能量供給體，是構(gòu)筑 DNA 和 RNA 的骨架，是復(fù)雜脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的重要組成部分。碳水化合物不僅是有機生命體營養(yǎng)三大要素之一，而在許多的藥物中，如許多抗生素和抗癌藥物分子中均包含碳水化合物單元。因此，將碳水化合物單元引入金屬鉑配合物中，有望得到具有更好生物活性、較低毒性和水溶性的鉑配合物。為此，福建師范大學(xué)的施繼成等人將N，N-雙(甲基 3-脫氧-4，6-O-芐叉基-α-D-阿卓吡喃糖苷-3-基)乙二胺與 cis-Pt(DMSO)2C12在甲醇中室溫下反應(yīng)48h后，TLC 發(fā)現(xiàn)原料點完全消失。減壓蒸除 70%溶劑，過濾，在空氣中靜置得黃色片狀晶體(產(chǎn)率 79%)。通過對黃色片狀結(jié)晶的表征，得到的是一種手性二胺配位二氯化鉑二聚超分子絡(luò)合物。該二聚鉑絡(luò)合物中存在多種氫鍵作用。初步抗癌活性測定發(fā)現(xiàn)，該化合物對白血病細胞K562 的生長有一定抑制作用。該研究將在生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生物化學(xué)、仿生學(xué)及醫(yī)藥學(xué)中會得到應(yīng)用。

綜上所述，超分子化學(xué)是一門處于近代化學(xué)、材料化學(xué)和生命科學(xué)交匯點的新興熱門邊緣學(xué)科。目前超分子化學(xué)的學(xué)科體系正在形成，并與生命科學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)與納米科學(xué)組成新的科學(xué)群，推動著世界科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展。多學(xué)科的交融、交叉與碰撞產(chǎn)生的超分子科學(xué)必然會成為21世紀新思路、新概念與高新技術(shù)發(fā)展的一個重要源頭。2005年《世界科學(xué)中的中國》研究報告顯示，在超分子化學(xué)—分子自組裝研究領(lǐng)域，中國南開大學(xué)發(fā)表SCI論文數(shù)量已擠身世界4強(僅次于德、英、法)，并超越日本東京大學(xué)等院校位于亞洲首位。我們堅信，隨著世界科學(xué)工作者對超分子化學(xué)研究的不斷深入，超分子化學(xué)這朵含苞待放的艷麗之花必將在人類文明進步、生活生產(chǎn)及可持續(xù)發(fā)展的偉大事業(yè)中結(jié)出更豐碩的成果，為人類幸福安康、科學(xué)的發(fā)展進步做出更大的貢獻。

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Synthetic Molecular Recognition and Recent Applications of New Supramolecular Compounds

ZHANG Lai-xin，CHEN Qi

(Chemistry & Chemical Engineering Department，Baoji University of Arts and Sciences，Baoji 721013，Shaanxi，China)

Abstract：The generation，development，and applications of supramolecular chemistry were introduced briefly in this paper. Emphases were put on from three parts：①synthesis and applications of new supramolecular compounds；②synthetic molecular recognition and applications of new supramolecular compounds；③synthesis and anticancer effect of new supramolecular metal complexes. Future developments of supramolecular chemistry were prospected in the end.

Key words：supramolecular compounds，synthesis，molecular recognition，application

*基金項目：陜西省重點實驗室科研計劃項目(2010JS067)；陜西省教育廳自然科學(xué)基金資助課題(04JK147)；寶雞文理學(xué)院自然科學(xué)基金資助課題(zk12014)

中圖分類號：TQ 61