新型超分子化合物的合成分子識別及應用新進展*

張來新，陳　琦

(寶雞文理學院化學化工學院，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用新進展*

張來新，陳琦

(寶雞文理學院化學化工學院，陜西寶雞 721013)

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

關鍵詞：超分子化合物，合成，分子識別，應用

超分子化學是化學學科的一門新興熱門邊緣學科，是化學學科這棵枝繁葉茂的參天大樹上的一個新的分支，是化學發展史上的新的里程碑，是21世紀的朝陽學科。“超分子”一詞早在20世紀30年代已經出現，但在科學界受到重視卻是50年代之后的事。萊恩1987年在獲得諾貝爾化學獎演講中曾將超分子化學定義為：超分子化學是研究兩種或其兩種以上的化學物質通過分子間弱相互作用締結而成的復雜有序且具有特定結構和特殊功能的超越分子體系的科學，故人們稱超分子化學的創始人萊恩為“超分子化學之父”。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性質的微粒聚集而成的物種，其聚集數可以確定或不確定，這與化學分子中原子個數嚴格確定具有本質的區別。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。超分子化學研究的內容主要包括為：分子識別，分為離子客體的受體和分子客體的受體；大環化合物(如冠醚、環糊精、杯芳烴、柱芳烴、索烴、輪烷、咔咯、環蕃、葫蘆脲、大環內酯、卟啉、大環席夫堿、C60、樹形化合物、大環多胺及其它大環化合物)；生物有機體和生物無機體系的超分子反應性及傳輸；固態超分子化學，分為晶體工程、二維三維的無機網絡；超分子化學中的物理方法；模板即自組裝和自組織；分子催化、酶模擬；超分子技術，即分子器件和分子技術的應用等。從某種意義上講，超分子化學淡化了有機化學、無機化學、生物化學和材料化學之間的界線，著重強調了具有特定結構和功能的超分子體系，并將四大基礎化學中的有機化學、無機化學、分析化學和物理化學有機地融為一體，從而為分子器件、材料科學和生物科學的發展開辟了一條嶄新的道路。因之超分子化學作為一門植根深遠的新興熱門邊緣學科，目前已滲透到21世紀的熱門學科如生命科學、材料科學、環境科學、能源科學、信息科學、仿生學等領域，并在工業、農業、醫藥學及國防建設中彰顯出廣闊的應用前景。

1新型超分子化合物的合成及應用

1.1樺木醛縮氨基硫脲金屬超分子配合物的合成及應用

樺木醇是一種羽扇烷五環三萜類化合物，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，多數縮氨基硫脲金屬配合物比其相應的縮氨基硫脲配體具有更好的生物活性[1]。為此，延邊大學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號位羥基反應成酯，后經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，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構單位，其應具有更強的抗菌活性和抗癌活性。此研究為樺木醇的開發利用，以及其在抗菌、抗癌活性的研究方面提供了基礎理論依據[2-3]。該研究將在生命科學、生物化學、生物物理、仿生學及醫藥學領域得到應用。

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作用，可達到反復治療的目的，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，延邊大學的柳志學等人通過 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 倍時反應達到平衡。然而，當平衡的溶液稀釋 10 倍情況下，產物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，導致反應向逆方向進行從而維持了反應的平衡，達到了探針回復的效果。其稀釋實驗表明反應是可逆反應，可以實時監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、生物物理、仿生學及醫藥學中得到應用。

1.3NO供體與氯硝柳胺分子偶聯的合成及應用

氯硝柳胺是一種殺血吸蟲宿主——釘螺的最有效農藥，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，再與濃硝酸反應合成NO供體(B)，NO 供體與氯硝柳胺分子進行偶聯，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幾種雙二酮橋聯雙核氧釩(Ⅱ)超分子配合物的合成及應用

由于金屬配合物的穩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反應，因而是一種潛在有效的殺菌藥物。當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。考慮到金屬橋聯多核結構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[7]。該研究將在生命科學、生物化學、生物物理、仿生學及醫藥學中得到應用。

2新型超分子配體的合成分子識別及其應用

2.1高選擇性離子比色-熒光傳感器超分子的設計合成及應用

離子識別研究在化學、生命科學和環境科學等領域有著廣闊的應用前景。目前該領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，西北師范大學的魏太保等人在該領域多年研究工作的基礎上從主體分子的設計，識別機理的改進和水溶性調節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，其內容主要體現在以下幾個方面：(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，實現了純水中對氰根單一選擇性的熒光識別，并制備了相應的氰根檢測試紙；(2)設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，并制備了相應的氰根檢測試紙；(3)用綠色合成的方法在純水中反應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)設計合成了一系列芳基咪唑并吩嗪類傳感器分子，實現了對汞離子、鐵離子和磷酸二氫根離子的高選擇性識別，并制備了相應的離子檢測試紙；(5)設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，并制備了相應的檢測試紙和分子鍵盤[8]。該系列研究將在分析分離科學、生命科學、環境科學及醫藥學研究中有著廣闊的應用前景。

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

具有分子識別功能的熒光探針分子的設計與合成是當今超分子化學領域研究的熱點之一。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注。通過分子設計，有效組合各種不同的活性單元制備的功能化 BODIPY 類熒光探針已應用于質子、金屬離子、陰離子、有機分子和氣體分子檢測。為此，中國科學院蘭州化學物理研究所的李欠等人將酚羥基基團引入到 BODIPY 骨架中，設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。即當酚羥基處于鄰位時受體可以通過分子內氫鍵形成穩定的六元環結構，只有電負性最強的氟離子可以打破分子內氫鍵，競爭性與受體酚羥基通過氫鍵結合；當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，增強分子內氫鍵，而此時只有硫酸氫根離子可以打破分子內氫鍵，形成新的多重氫鍵體系，有效抑制受體的 PET 過程，導致受體熒光增強。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用

分子識別是當今超分子化學研究的重點和熱點。而Salen配體一般以C=N為標志，其中C=N是由兩分子的醛基和一分子二胺發生脫水縮合反應而得到的。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，這些結構新穎的類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用前景，且具有重要的理論意義和實踐價值。為此，河北工業大學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制得了2種類Salen配體，并通過溶劑自由揮發法得到并解析了它們的單晶結構。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、環境科學、生命科學及醫藥學等領域得到應用。

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，是構筑 DNA 和 RNA 的骨架，是復雜脂質和蛋白質的重要組成部分。碳水化合物不僅是有機生命體營養三大要素之一，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48h后，TLC 發現原料點完全消失。減壓蒸除 70%溶劑，過濾，在空氣中靜置得黃色片狀晶體(產率 79%)。通過對黃色片狀結晶的表征，得到的是一種手性二胺配位二氯化鉑二聚超分子絡合物。該二聚鉑絡合物中存在多種氫鍵作用。初步抗癌活性測定發現，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、環境科學、生物化學、仿生學及醫藥學中會得到應用。

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

參考文獻

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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基金資助課題(04JK147)；寶雞文理學院自然科學基金資助課題(zk12014)

中圖分類號：TQ 61