新型柱芳烴的合成及在分析分離科學和醫藥學中的應用*

陳 琦

(寶雞文理學院 化學化工學院，陜西 寶雞 721013)

柱芳烴的發現源于2008年Ogoshi和Nakamoto等的報道。由于該類化合物是由對苯二酚或對苯二酚醚通過亞甲基橋聯在苯環的對位連接而成的“柱”型環狀低聚物，故俗稱柱芳烴。由于柱芳烴同時兼備了多種已有大環超分子主體化合物的特點和優勢性能，如其化學組成和性能上類似于杯芳烴；也由于其具有高度對稱的空間結構和空腔，又可以不經過復雜修飾就能夠識別特定結構的客體分子和金屬離子，故它對客體分子的識別能力又類似于葫蘆脲(或叫瓜環)；由于其橋聯苯環結構兩側含有羥基等易于修飾的位點，使其在化學修飾方面又類似于環糊精；由于柱芳烴合成簡單，提純方便，又兼備了多種大環主體化合物的結構特征和優勢的化學特性，因而使其在21世紀的熱點領域，如生命科學、環境科學、能源科學、材料科學、納米科學、信息科學、分子機器、分子器件、光電智能材料、熒光探針、分子識別、自組裝、主客體化學、超分子化學等領域有著廣闊的應用前景。不僅如此，其在經典學科如化學、生物化學、生物物理、仿生學及原子能科學等領域也用途廣泛。同時在工業、農業及國防等領域也有著潛在而重要的應用價值。由于柱芳烴研究的蓬勃發展現已成為一門新興的熱門邊緣學科——柱芳烴化學。

1 新型柱芳烴的合成及應用

1.1 利用低溫共熔溶劑法合成柱[n]芳烴(n=5,6)及應用

改進柱芳烴同系物的合成與分離方法是柱芳烴領域研究的熱點之一。低溫共熔溶劑(簡稱DES)作為一類新型離子液體，具有綠色、 環保、無毒和可再生等優點，其可以作為路易斯酸催化劑和反應媒介，應用于許多反應以加快反應速度和提高產率。其中應用最廣泛的是氯化膽堿類的DES[1]。為此，武漢大學的吳晨晨等利用低溫共熔溶劑具有路易斯酸的性質，將其引入到合成柱芳烴的反應中，這樣既拓寬了DES的應用范圍，又尋求到了合成柱芳烴的新方法和新思路。為此，選用模板反應，利用氯化膽堿和無水氯化鐵(物質的量比為1∶3)合成的Lewis酸型低溫共熔溶劑催化1,4-二乙氧基苯和多聚甲醛進行反應，其反應條件溫和，并可以高選擇性、高效率地制備柱[5]芳烴和柱[6]芳烴[2]。該研究將在有機合成化學、催化科學及材料科學的研究中得到應用。

1.2 在溶劑和溫度控制下合成柱芳烴類衍生物的手性逆轉及應用

手性特征在自然界生命現象中普遍存在，在生命科學中也具有重要意義。通過超分子非共價作用來調控分子的構象和實現分子的動態響應及生化功能具有重要的理論和應用前景。分子或超分子手性結構在不對稱合成、液晶、分子器件、分子機器及非線性光學等方面具有重要的應用價值。通過一些外部刺激，如溶劑極性[3]、溫度[4]、金屬離子[5]、化學計量比[6]等條件的改變可以實現研究體系中超分子手性的逆轉。為此，四川大學的姚家斌等合成了一類柱芳烴與冠醚或烷烴結合的大環主體分子，通過手性拆分分別得到各自的一對對映異構體，單晶結構證實了其絕對構型。這類主體分子對不同極性溶劑分子和外部溫度刺激具有動態響應的特征，通過改變外部非手性環境，實現了這類主體分子的構象控制和手性逆轉，即實現了R和S型的相互轉變，推測這是溶劑分子與柱芳烴空腔以及側鏈冠醚或烷烴結構之間綜合作用得到的結果[7]。同時還發現不同溫度下也會發生手性逆轉，其熱力學數據分析表明，該手性逆轉現象為熵驅動的平衡現象。該研究將在手性合成、生命科學、材料科學、分子器件、分子機器及非線性光學等研究中得到應用。

2 新型柱芳烴的合成自組裝及在分析分離科學中的應用

2.1 氧化膦柱[5]芳烴的合成及在離子液體中的萃取性能研究

近年來，柱芳烴在液-液萃取分離上，特別是對鑭錒系離子的萃取分離方面展現出優良的選擇性和高效性，但目前萃取體系僅限于分子溶劑體系[8-10]。離子液體作為一種較為綠色的溶劑在液-液萃取中得到了廣泛應用，如四川大學的陳黎熙等將柱芳烴首先用離子液體中對金屬離子進行萃取分離。即首先設計合成了氧化膦柱[5]芳烴，并發現氧化膦柱[5]芳烴在二氯甲烷為溶劑時對鈾酰離子表現出良好的萃取能力和選擇性能，還研究了其在1-甲基-3-辛基咪唑三氟磺酰亞胺離子液體中的萃取性能。結果表明，在離子液體中，氧化膦配體與鈾酰離子的絡合比為1∶1，萃取性能在一定酸度范圍內比在二氯甲烷中提升較多，萃取行為遵循陽離子交換機理，且離子液體在萃取過程中發揮了協同作用。該研究將為柱芳烴在鑭錒系元素分離應用上提供新的溶劑萃取體系[11]，也將在環境科學、分析分離科學及貴金屬回收中得到應用。

2.2 功能化柱[5]芳烴與鐵配合物的合成及對氟離子的熒光檢測

基于柱芳烴及其衍生物的超分子功能材料可應用于包括細菌病毒抑制、有機光功能材料、超分子聚合物材料、藥物控釋、人工跨膜傳輸通道、多壁碳納米管的分散、生物傳感與成像、農藥檢測等多個研究領域，西北師范大學的蘇軍霞等將柱芳烴用于離子識別，實現了氨基苯并咪唑功能化的柱[5]芳烴和金屬Fe3+形成金屬配合物對F-的選擇性識別，并通過核磁、質譜、熒光、紅外等進行了表征。結果表明，金屬配合物對F-具有很好的單一識別效果，其最低檢測限可達2.50×10-7mol/L，且該熒光傳感器可以循環5次以上，可作為很好的對F-單一選擇的熒光傳感器[12]。該研究將在材料科學、環境科學、生命科學、分析分離科學及醫藥學研究中得到應用。

2.3 柱[5]芳烴的氰根傳感器承接的新型氰根誘導自組裝行為及應用

近年來，柱芳烴在分析分離科學中的應用越來越受到人們的關注，為此，西北師范大學的程曉斌等設計合成了一種新型的基于氰根傳感器的共聚柱[5]芳烴(PQ5)，它連接的8-羥基喹啉可作為識別位點和信號基團，通過利用一種新型的氰根誘導自組裝機理，實現了這種基于柱[5]芳烴的傳感器在水相中高的選擇性和靈敏性。當把氰根加入到PQ5的溶液中，有強的黃綠色熒光出現。其中，PQ5對氰根的熒光最低檢測限是1.08×10-8mol /L，他們還制備了PQ5檢測性試紙，可用于定量檢測氰根。另外，他們還將其用于生活中的食品檢測，即利用PQ5檢測發芽土豆提取物中的氰根。顯然基于這種傳感器所提出的氰根誘導自組裝機理是一種新型的策略和方法[13]。該研究將在分析分離科學、化學傳感器科學、環境科學及食品分析科學中得到應用。

3 新型柱芳烴的合成及在醫藥學領域的應用

3.1 新型水溶性柱芳烴的合成及超分子藥物運轉作用

柱芳烴作為新一代超分子主體大環化合物[14]，憑借其優異的性能已被廣泛應用于納米材料、 超分子聚合物、液晶、藥物轉運等領域。為此，南京大學的劉昕等人設計合成了具有良好生物相容性的新型磷酸鹽柱[5,6]芳烴(WP5P 和 WP6P)以及吡啶烷基鏈客體分子(G)。將WP5P和WP6P分別與G在不同位點進行結合，得到具有不同親-疏水比例的超分子兩親體，并在水中進一步組裝得到具有不同納米結構的聚集體。WP5P與G在水中自組裝形成膠束，而WP6P與G 在水中可以組裝得到囊泡，這兩種納米粒子均具有Zn2+和pH的響應性。自組裝形成的膠束可用于疏水性抗癌藥物多柔比星(DOX)的包載，而囊泡則可以包載親水性抗癌藥物米托蒽醌(MTZ)，并能夠在Zn2+以及酸性環境下將所包載的藥物釋放，達到對抗癌藥物的可控釋放。與此同時，體外細胞實驗證實載藥粒子與裸藥相比具有較低的生物毒性以及相似的抗癌活性[15]。該研究將在材料科學、納米科學、主客體化學、超分子化學及醫藥學領域得到應用。

3.2 超分子囊泡的構筑與調控對溫度和氧化的響應性及應用

利用主體作用的兩親性超分子兩嵌段共聚物構筑的超分子聚合物囊泡已成為生物醫學領域中一種潛在的納米載體，它可響應于多種外部刺激，包括 pH值、光、電壓、溫度以及氧化還原，從而實現對染料、抗癌藥物的控制釋放。近年來，南京大學的王賽等報道了超分子大環主體柱[6]芳烴與二茂鐵/二茂鐵鎓離子客體衍生物在有機相和水溶液中的主客體作用，并研究了其構筑的用于藥物傳遞的囊泡和水凝膠[16-18]。在此基礎上，他們還進一步研究了柱[6]芳烴末端修飾的聚(N-異丙基丙烯酰胺)聚合物主體(PNIPAM-BP[6])與二茂鐵末端修飾的聚乙二醇單甲醚聚合物客體(mPEG-Fe)在 37 ℃水相中正交自組裝形成的兩親性超分子兩嵌段共聚物 PNIPAM-BP[6]?mPEG-Fe，且成功地構筑了超分子聚合物囊泡，并發現該囊泡因主體聚合物在不同溫度下的溶解度變化規律和客體聚合物上二茂鐵基團的氧化刺激而表現出良好的溫度和氧化響應性。更為重要的是，該超分子聚合物囊泡能夠進一步應用于抗癌藥物(DOX·HCl)的包載和控制釋放[19]。該研究將在醫藥學、納米科學、超分子化學、主客體化學、材料科學及生命科學的研究中有著極大的應用潛力。

3.3 新型水溶性柱[5]芳烴誘導的主體對超分子雙親體的光降解催化劑的應用

光作為一種非侵入的外界刺激，是調控分子組裝微觀結構和相關理化性質的高效手段。由于光降解材料在生物醫學、組裝工程等方面的巨大應用潛力而備受關注，且由于超分子組裝體構建的光降解材料可以實現更加良好的調控。為此，南京大學的郭書文等人設計合成了水溶性羧酸鈉鹽柱[5]芳烴(WPS)和一個兩端為季銨鹽、中間為光學活性的9,10-烷氧基蒽基團的客體(G)，WPS可誘導G組裝體形成具有單分子層的Bola型囊泡。并發現WP5誘導G組裝后，組裝體中的G在紫外光照射下的分解速度大大加速，即明顯高于單獨的客體G在相同濃度下的分解速度。同時結合曙紅Y(ESY)和9,10-烷氧基蒽基團之間具有良好的π-π堆積作用，從而實現了WPS、G和痕跡ESY的共組裝，進而證實了一個在可見光照射下而降解的組裝體，結果使這一共組裝體實現了對模型藥物米托蒽醌的包載[20]。該研究將在醫藥學中的光治療、生物醫學、組裝工程學、材料科學、生物化學、催化科學等領域有著潛在而廣闊的應用價值。

4 結束語

綜上所述，由于植根深遠的柱芳烴具有對水和空氣不敏感、有較強的穩定性、易于功能化、制備簡單、提純方便、對紫精衍生物和四級銨鹽等客體分子均有良好的鍵合能力，因而展現出良好的主客體化學性能和無處不在的廣泛用途。現今由于柱芳烴研究的蓬勃發展，促進了上述眾多新學科的形成和發展，它們之間相得益彰、互相促進。作者認為，未來的柱芳烴研究將朝著如下幾個方面發展。(1)通過模板法和空間位阻效應來合成出空穴尺寸更大的柱芳烴分子；(2)合成出更多的手性柱芳烴衍生物以用于手性識別和手性催化中；(3)合成出更多的柱芳烴有機納米管、線體；(4)利用分子自組裝構筑用途廣泛的更復雜的超分子聚合物；(5)模擬人工跨膜質子通道的組裝研究和生物功能開發；(6)開發柱芳烴在藥物傳輸及釋放領域的應用；(7)深入研究柱芳烴的機械互鎖型分子的構筑，并開發其在電子學、納米藥物、分子機器、分子器件、熒光探針及納米等離子體電子學等高新領域的應用。隨著人們對柱芳烴化學研究的不斷深入，柱芳烴將為科學事業的發展、人類文明的進步和可持續發展創造新的輝煌。

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