植根深遠的超分子化學及應用*

胡省利，張來新

（西安交通工程學院，陜西西安710300）

分子化學主要研究原子間通過共價鍵或離子鍵形成的分子實體的結構與功能，而超分子化學是研究基于分子間的非共價鍵相互作用而形成的分子聚集體的化學。超分子化學的概念最早是由超分子化學之父，法國科學家萊恩（J.M Lehn）于1987年提出的，它是化學與生物學、物理學、材料科學、信息科學和環(huán)境科學等多門學科交叉構成的新興熱門邊緣科學。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限，著重強調(diào)了具有特定結構和功能的超分子體系，并將四大基礎化學(有機化學、無機化學、分析化學和物理化學)有機地融合為一個整體，從而為分子器件、材料科學和生命科學的發(fā)展開辟了一條嶄新的道路，被認為是21世紀新思想、新概念和高科技的重要源頭。由于超分子化學的應用無處不有，故為21世紀的熱門領域如環(huán)境科學、信息科學、能源科學、納米科學、材料科學和生命科學的發(fā)展開辟了一條嶄新的道路。不僅如此，超分子化學在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、醫(yī)藥學、航空航天科學等領域已彰顯出廣闊的應用前景。

1 新興超分子的合成及在催化科學中的應用

1.1 新型3d-4f金屬多核功能超分子配合物的合成及催 化性能研究

研究表明，模仿自然現(xiàn)象是最好的設計新型催化劑的策略。螺旋結構作為自然界中最重要的形態(tài)，為仿生科學提供了很好的模板[1-2]。為此，蘭州大學的汪力等人以仿生螺旋結構稀土配合物為對象，構筑了不同螺旋結構稀土配合物及過渡-稀土雜金屬螺旋結構超分子配合物，并研究了其在綠色催化領域，如催化環(huán)氧化合物與二氧化碳環(huán)加成反應中的應用。他們通過合理的配體設計，得到了一系列新穎的稀土及雜金屬多核螺旋結構，這與傳統(tǒng)的雙核雙螺旋結構相比，取得了更為結構豐富而復雜的螺旋體系。即從單一金屬拓展到雜金屬螺旋，從雙螺旋拓展到罕見的六重螺旋，從線性螺旋結構拓展到了環(huán)狀螺旋，并結合分子籠的特性，得到特殊的籠狀螺旋結構。結合當今溫室效應及能源問題，CO2資源轉化及利用顯得尤為重要。他們將該系列螺旋結構稀土配合物用于催化轉化CO2為環(huán)碳酸酯，并取得了很好的效果。此外，該系列螺旋結構稀土配合物在其它綠色催化反應中的研究也在進行。模擬生物體的復雜性是人們一直以來關注的熱點也是超分子化學家研究的終極目標，這在復雜多樣化螺旋結構的構筑、新型仿生體系的構筑及酶催化的模擬等方面有著重要的研究意義，它必將推動稀土螺旋結構的超分子化學在發(fā)光、催化等多學科領域取得更大的發(fā)展[3]。該研究將在合成化學、生物化學、催化科學及仿生科學中得到應用。

1.2 新型超分子多酶組裝體的構筑及生物級聯(lián)催化作用

研究表明，生物體內(nèi)化合物的生物合成通常需要很長的級聯(lián)反應。這些級聯(lián)反應涉及到多種酶。而在這過程中，中間體的局部濃度和運輸都至關重要[4-5]。為此，香港中文大學的夏江等人采用了兩對蛋白支架，一對是SpyCatcher和SpyTag，另一對是與之相似但是正交的SnoopCatcher和SnoopTag。他們將這種人造蛋白支架應用到細菌體內(nèi)番茄紅素和蝦青素的生物合成中。這兩種類胡蘿卜素具有非常重要的功能和藥學意義。通過運用蛋白支架形成超分子復合物，番茄紅素和蝦青素的產(chǎn)量分別提高了五倍和兩倍，從而證實了這個方法的普適性。與此同時他們還發(fā)現(xiàn)，這種體內(nèi)組裝的超分子復合物呈現(xiàn)了非常有趣的空心球結構，其直徑大約25nm。由此可見，這項工作是利用位點特異性共價蛋白反應組裝了多酶超分子復合物。通過模擬天然丙酮酸脫氫酶復合物，他們首次構建了在體內(nèi)具有出色催化功能的蛋白納米結構[6]。該研究將在催化科學、生命科學、仿生學及生物化學的研究中得到應用。

2 新型超分子的合成及在分析分離科學中 的應用

2.1 新型陰離子-π協(xié)同超分子大環(huán)超化合物的合成及應用

眾所周知，非共價相互作用是超分子化學研究中的核心問題，新型非共價相互作用的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展往往能推動超分子化學及相關領域的發(fā)展[7]。陰離子-π作用作為一種新近被認識的非共價相互作用力近年來受到了廣泛關注，在早期的理論研究和實驗證據(jù)的基礎上，其在陰離子識別、超分子組裝與催化方面展示出優(yōu)異的應用前景[8]。為此，中國科學院化學研究所的羅建等人利用缺電子的三嗪環(huán)為基元的大環(huán)分子為探針，獲得了電中性受體分子與陰離子之間經(jīng)典陰離子-π作用的證據(jù)，從而揭示了其普遍性和方向性，拓展了其在陰離子識別和陰離子-π作用控制的超分子組裝方面的應用。故他們基于陰離子-π作用的協(xié)同性原理設計并合成了大環(huán)超分子，并系統(tǒng)研究了大環(huán)超分子的結構和對離子的識別性能[9]。該研究將在分析分離科學、環(huán)境科學及催化科學中得到應用。

2.2 新型大環(huán)多胺超分子金屬配合物熒光傳感器對硫離 子的識別研究

研究表明，針對不同物質(zhì)包括陽離子、陰離子、氨基酸等具有環(huán)境和生物意義的離子或中性分子具有靈敏選擇性的熒光傳感器的開發(fā)是超分子化學的重要研究方向[10-11]。作為生物和環(huán)境中重要的陰離子之一，硫化物通常作為紙張、石化和皮革工業(yè)的副產(chǎn)品而產(chǎn)生。若持續(xù)暴露于高濃度硫化物中會導致各種生理問題，如硫化物陰離子被質(zhì)子化后，由于形成HS-或H2S甚至可引起窒息、神志不清和呼吸麻痹。因此，硫化物陰離子檢測對于監(jiān)測其毒性以及生物系統(tǒng)中的信號傳導功能已變得非常重要。為此，湖北師范大學的王旭等人研制出一系列對硫離子有選擇性響應的熒光傳感器。即在DMSO（二甲亞砜）:H2O=9:1（HEPES（4-羥乙基哌嗪乙磺酸）緩沖液，0.01M，pH7.4）的配合物溶液中加入S2-可引起熒光強度的大幅度增強，故可知超分子配合物對S2-具有高度的選擇性[12]，并能確定其濃度。該研究將在環(huán)境科學、分析分離科學、生命科學及生物化學中得到應用。

3 新型超分子的合成及在材料科學中的應用

3.1 新型超分子配位絡合物的合成及應用

研究表明，依據(jù)金屬-配體配位相互作用的方向性和可預測性，配位驅(qū)動的自組裝是制備超分子體系結構的一種強有力的策略。通過控制配體的尺寸、幾何形狀和化學計量來合成一系列復雜的超分子配位絡合物已成為可能，包括2D（物質(zhì)的微觀結構）多邊形[13]、3D多面體[14]等。熒光材料在生物成像、化學傳感、光電子等領域有著廣泛的應用，由于傳統(tǒng)的有機熒光團常在高濃度或固態(tài)下顯示減弱甚至完全猝滅的發(fā)射，故開發(fā)性能優(yōu)越的有機熒光團迫在眉睫。分子間的電荷轉移如D-A、A-D-A、A-π-D-π-A 等，對有機熒光團的發(fā)光性能有著重要影響[15]，由于后修飾金屬熒光大環(huán)改變分子間電荷轉移的方式，進而改變了金屬大環(huán)的熒光。為此，華東師范大學的霍桂飛等人通過多組分自組裝設計合成了3種高熒光的超分子配位金屬大環(huán)化合物[16]，該3種熒光材料將在生物成像、化學傳感、光電子等領域有著廣泛的應用前景。

3.2 新型超分子萘啶類熒光分子探針的合成及應用

研究表明，萘啶類化合物與過渡金屬的絡合物具有豐富的光物理性質(zhì)，已經(jīng)在太陽能轉換，超分子組裝以及金屬離子探針和生物小分子探針等的研究中得到普遍應用[17-18]。由于萘啶是由兩個芳香環(huán)構成的稠合雜環(huán)，每一個芳香環(huán)包含有一個N原子，組成了一個共軛平面剛性雜環(huán)，因而具有良好的熒光信號。為此，華中師范大學的任瑞等人基于尼克酰胺合成酶（NAS）識別機理，合成了以2,7-萘啶為基本分子骨架的新型熒光探針，該探針能夠有效地識別苯硫酚，表現(xiàn)出高靈敏度、快速響應的優(yōu)點。更為重要的是所合成的萘啶類熒光探針展現(xiàn)出的斯托克斯位移高達225nm。具有大斯托克斯位移的熒光探針，由于其分開的激發(fā)和發(fā)射帶可以有效地減少自吸或自發(fā)熒光引起的干擾，故非常適用于熒光顯微鏡研究。因此該類熒光探針材料在生物成像方面表現(xiàn)出良好的應用前景[19]。該研究在材料科學、生物化學、能源科學及生命科學的領域?qū)⒌玫綉谩?/p>

4 新型超分子的合成及在醫(yī)藥學中的應用

4.1 新型主客體納米超分子物質(zhì)的合成及應用

近年來，利用共價自組裝策略構筑二維共價高分子納米膠囊已受到人們廣泛的關注。為此，吉林大學的付爽等人利用橫向修飾的柱芳烴成功地構筑出完美的共價高分子納米膠囊，而這種納米膠囊能夠成功地用于藥物釋放[20-21]。即他們借助主客體作用力，用橋連環(huán)糊精作為聯(lián)結劑，與側位修飾香豆素的柱芳烴反應（環(huán)糊精與香豆素的主客體相互作用），通過共價自組裝策略構筑了一種新的二維超分子單層納米膠囊。由于構筑基元之間是通過超分子相互作用交聯(lián)的，又由于超分子作用力的可逆以及及時修復性，這樣在超分子聚合過程中形成的缺陷就可以及時得到彌補，從而使構筑出的二維超分子單層納米膠囊結構缺陷微弱。其次，由于超分子主客體相互作用具有競爭性，再加入另一種作用力更強的客體分子之后可以把原來的客體分子競爭掉，這種新型超分子納米膠囊可以通過主客體競爭來刺激它的解散與再形成，已構筑出一種新型的刺激響應材料，該材料能夠作為超分子納米膠囊成功地用于藥物釋放。該材料另一個突出的特點是由于柱芳烴的大環(huán)主客體性質(zhì)，這種囊泡表面可以很容易通過非共價作用修飾出各種功能基團而賦予其各種特效功能[22]。該研究將在醫(yī)藥學、材料科學及納米科學的研究中得到應用。

4.2 新型人血清白蛋白和紫杉醇二聚體的超分子組裝及 生物醫(yī)用功能

研究表明，紫杉醇在水中的低溶解性以及嚴重的毒副作用已成為臨床應用的瓶頸。若用生物相容的、可降解的雙親聚合物制備紫杉醇納米超分子藥物可以改善上述問題[23]。即把紫杉醇中間用氧化還原響應的單硫鍵連接體連接，在正常組織中，紫杉醇不釋放，在腫瘤組織中（高的氧化環(huán)境和還原環(huán)境下）紫杉醇二聚體釋放出活性藥物紫杉醇而發(fā)揮抗癌療效。這樣就降低了紫杉醇的系統(tǒng)毒性，從而提高了化療藥物的選擇性。而且從本質(zhì)上改善了藥物突釋的問題。人血清白蛋白，作為血清蛋白的重要組成成分，由于它固有的生物相容性以及富足性，故在藥物輸送中扮演多種多樣的角色。為此，中國科學院長春應用化學研究所的裴晴等人把人的血清白蛋白和紫杉醇二聚體構筑成超分子復合物，由于兩者較強的相互作用，使藥物制劑的穩(wěn)定性良好，并展現(xiàn)出其在臨床應用的優(yōu)勢。此外，由于人血清白蛋白是內(nèi)源蛋白，改善了載體免疫原性的問題，使其在體內(nèi)可以長循環(huán)，為其更多的在腫瘤組織聚集提供了可能。這種把抗癌藥物紫杉醇原藥制備成智能響應的前藥，既極大程度地改善了其載藥量和載藥效率低的問題，又在保證其能具有和原藥相似的抗癌療效的前提下，降低其在正常組織中的毒副作用。而且由于白蛋白的包裹，延長了納米制劑在體內(nèi)的循環(huán)時間，增加在藥物在腫瘤組織的聚集。這種白蛋白紫杉醇二聚體超分子體系有望成為新一代的抗癌藥物并用于臨床應用[24]。

5 結語

綜上所述，方興未艾的超分子化學作為一門新興的熱門交叉邊緣學科得到了迅猛發(fā)展，其應用無處不有。今天我們有理由相信，隨著人們對超分子化學研究的不斷深入，超分子功能材料及智能器件、分子器件與機器、分子馬達、DNA芯片、導向及程控藥物釋放與催化抗體、高選擇催化劑等等，將被逐一實現(xiàn)。而分子計算機和生物計算機的實現(xiàn)也將指日可待。在信息科學方面，超分子材料正向傳統(tǒng)材料挑戰(zhàn)，這些難關一旦被突破，必將帶動信息及相關領域的產(chǎn)業(yè)技術革命，從而對世界經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。故我們應該確信，超分子科學已成為21世紀新思想、新概念和高新技術的重要源頭。