醫學與分離科學中的新型超分子應用研究*

張晉生， 張來新

（西安交通工程學院，陜西西安710300）

1967 年佩德森（Pederson）首先發現了冠醚類化合物，這可以說是世界上第一個發現的人工合成自組裝體。隨后，萊恩（Lehn）在佩德森工作的啟發下，最早提出了超分子化學的概念。故萊恩在1987 年諾貝爾獎獲獎演說中曾為超分子化學作了如下定義：即超分子化學是研究兩種或兩種以上的化學物種通過分子間力相互作用締結而成的具有特定結構和功能的聚集形分子體系的化學。研究表明，超分子化學是化學與生物學、物理學、材料科學、信息科學和環境科學等多門學科交叉構成的邊緣新科學。其研究的兩個方向為，超分子化學(主-客體化學)和超分子有序組裝體的化學；而研究內容主要包括：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；生物有機體系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、二維和三維的無機網絡；超分子化學中的物理方法；模板，自組裝和自組織；超分子技術，分為分子器件和分子技術的應用。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，著重強調了具有特定結構和功能的超分子體系，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、分子機器、分子馬達、環境科學、信息科學、能源科學、納米科學、材料科學和生命科學的發展開辟了一條嶄新的道路，是21 世紀的新興熱門邊緣學科，在工業、農業、國防、醫藥學、航空航天科學等領域已彰顯出廣闊的應用前景。

1 新型超分子化合物的組裝合成

1.1 超分子有機框架的構筑及應用

倡導大環化學與超分子化學進一步用多學科綜合交叉研究方法相結合，以緩解新時代當前人類正面臨著的生態環境、資源、能源、生命、材料、信息等領域的生存危機。為此，復旦大學的黎占亭等人基于有機小分子自組裝策略，利用疏水作用為驅動力，于2013 年以來首次在水中實現了均相周期性納米孔陣列超分子有機框架（SOF）的構建[1]。作為一類正離子型可溶性納米孔材料，SOF 具有疏水空腔，對負離子型客體和疏水性有機分子具有極強的吸收作用，并由此衍生新的功能。例如，SOF 吸收負離子雜多酸可以促進對質子還原產生氫氣反應的催化，對負離子和疏水性藥物的吸收可用于藥物輸送[2]。這一藥物輸送新策略省去了脂質體藥物的包埋過程，作為一種低成本平臺技術，值得進一步研究。另外，通過集成SOF、MOF（金屬有機框架）和COF（覆晶薄膜）自組裝原理，他們還組裝構建了基于過渡金屬絡合物的雜化孔結構，為發展新的均相催化體系提供了新的平臺[3]。該研究將在生命科學、材料科學、催化科學及醫藥學等領域得到應用。

1.2 雙吡唑橋聯雙金屬配體的雜金屬多功能超分子新體系的構筑

研究表明，超分子自組裝經過二十多年的發展，正在朝著功能化、復雜體系和精準可控的方向推進[4]。為此，北京工業大學的于澍燕等人在運用超金屬- 金屬成鍵導向的鈀三角自組裝過程催化室溫水解切斷二硫化碳的兩個C=S 雙鍵時發現，其在功能導向的可編程分級超分子自組裝方向中取得了一些新進展。他們通過設計新型功能有機配體HnAB（其中H 為質子，n 為質子數，A、B 為配位基團），提出質子開關的可編程自組裝策略[5]。結果有效地控制了不同類型金屬同多功能配體的配位次序，形成了基于雙吡唑橋聯雙金屬配體的雜金屬多功能超分子新體系。他們還設計了雙吡唑多功能有機配體，利用該系列配體已經成功自組裝得到雜金屬超分子，如Pd-Pt 雜金屬大環、Pd-Fe 雜金屬籠、Pd-Cu 雜金屬高分子、稀土- 過渡雜金屬超分子等，并發現這些新體系在發光和超分子催化方面具有重要的應用價值[6]。該研究將在光化學、催化科學、材料科學及合成化學中得到應用。

1.3 以逐級自組裝法構筑功能化超分子組裝新體系

研究表明，超分子自組裝一直是超分子化學研究的核心和前沿領域之一。在一個多組分的復雜體系中，如何利用多重非共價鍵作用力的協同作用，通過多級次、可控自組裝構筑復雜有序的超分子組裝體系，一直是超分子自組裝領域中一個重要的課題。為此，華東師范大學的楊海波等人充分利用配位鍵鍵能較強且與其他弱相互作用力彼此不干涉的性質[7]，開創了以配位鍵為核心推動力的逐級自組裝策略，并成功地構筑了一系列具有刺激- 響應性質的功能化金屬有機超分子組裝體系[8]；此外，他們還將該策略成功拓展到復雜超分子拓撲結構的構筑中，并在國際上首次實現了高代數、以輪烷作為重復單元的金屬有機輪烷樹枝狀分子的高效構筑；最近又成功實現了限域空間的精準組裝[9]。該研究將在超分子化學、材料科學及有機合成化學中得到應用。

1.4 一種新型陰離子配位超分子組裝

研究表明，陰離子在生物化學、環境科學以及材料科學等多個領域中扮演了重要的角色[10]。然而，因陰離子特有的性質和與受體（配體）之間的弱作用力使其化學發展相對緩慢。人們發現陰離子與過渡金屬離子表現相似的配位化學特性，如每一類離子具有獨特的配位幾何與配位數。雖然這種規律還遠沒有過渡金屬配位化學那么成熟，但這些初步的結論能為人們設計陰離子配體以及研究陰離子配位化合物性質提供有效的指導[11]。為此，西北大學的吳彪等人設計合成了一系列帶有鄰苯橋聯的多脲配體，他們通過多個氫鍵與四面體含氧酸根離子，如磷酸根呈現出的良好配位性質，發現其磷酸根配合物和過渡金屬聯吡啶配合物具有高度的相似性。他們以此為配位基元，組裝出了多類以陰離子配位中心組成的超分子體系，如雙股、三股螺旋體、多元大環和多面體。這類超分子組裝體表現出豐富的主客體化學特征，如穩定活潑物種（P4、As4 等）、識別生物相關客體（區分膽堿及其衍生物）、超分子手性傳遞等[12]。該研究將在主客體化學、環境科學、生物科學、材料科學及醫藥學領域得到應用。

2 新型超分子化合物的構筑及在催化與分離科學中的應用

2.1 新型超分子聚輪烷骨架的構筑及在分析分離科學中的應用

研究發現，利用無機簇的多陰離子性質，可以實現多組分雜化組裝，從而獲得復合組裝體，實現結構調控和組裝體的功能化[13]。為此，吉林大學的張國華等人通過選用陽離子柱芳烴與多陰離子簇進行靜電結合，獲得表面為柱芳烴的離子復合物。隨后他們將獲得的柱芳烴- 多金屬氧簇復合物再與雙頭客體有機分子結合，獲得了一類A4B2 型主客體結合的聚輪烷網絡結構。在持續超聲條件下，這種多重主客體結合得到優化并形成超分子凝膠。對凝膠的結構進行表征發現為纖維組裝體，而纖維組裝結構則是由多金屬氧簇為結點、柱芳烴包結體為連接橋的骨架結構。這一凝膠結構帶來有價值的作用。骨架結構纖維可以大大穩定小分子凝膠纖維，使之具有類似高分子纖維的穩定性，故可以用于鋪展纖維膜。此外，他們還發現纖維內部形成的骨架結構可以容納溶劑分子，從而可以用來控制纖維膜表面的親疏水性。以此為基礎，他們發現了一種可以進行油水分離的小分子凝膠纖維膜。與此同時，他們通過油水互溶的溶劑調節，可以實現分離油和分離水的可逆轉換。實驗結果表面，這類交聯的小分子聚輪烷體系可以擴展到更多的應用領域，如藥物負載、輸運與釋放，催化與自動分離等[14]。該研究將在分析分離科學、環境科學、材料科學、醫藥學及催化科學中得到應用。

2.2 新型大環超分子化合物的合成及在識別與催化中的應用

超分子化學的誕生起源于大環化合物的問世。超分子化學的研究內涵特別是大環效應、協同互補原理決定了其可能成為提升催化反應效率和選擇性的重要手段，超分子化學與催化的結合——超分子催化，有望成為發展全新一代催化體系的重要途徑[15]。為此，中國科學院化學研究所的王其強等人通過在大環和籠狀分子骨架上嵌入識別位點和催化基團，營造內表面修飾的功能化空腔，從而發揮了受限空間內各個功能位點間的有效協同，構建出了高效高選擇性超分子識別- 催化體系。近兩年來，他們研發了一種通過大環對抗衡陰離子的捕獲以提高催化效率的超分子催化新策略，有望為提升一系列經由陽離子中間體的催化反應效率提供一種超分子途徑[16]。 同時經“錨合- 箍”策略高效構筑了具有獨特空腔結構的功能化 “分子桶”，研究表明其能提供孤對電子-π 作用顯著增強二氧化碳鍵合，為該類功能分子的催化轉化奠定了基礎[17]。該研究將在催化科學、材料科學及分析分離科學中得到應用。

3 新型超分子化合物的合成及在醫藥學中的應用

3.1 新型超分子有機體的合成及在醫學中的應用

研究表明，程序化的有機分子的自組裝可以通過不同的超分子化學手段，如疏水相互作用、靜電相互作用、π-π 相互作用和氫鍵相互作用等來實現。為此，中國科學院長春應用化學研究所的謝志剛等人探索了多種有機染料和抗腫瘤藥物等小分子的自組裝，所形成的納米材料，可以應于活細胞的熒光成像以及對腫瘤細胞的殺傷。基于有機分子的組裝基元，通過多層次組裝方法，可以獲得具有特殊功能與應用前景的組裝體[18-19]。他們首先在BODIPY（氟硼二吡咯）和紫杉醇分子間引入含二硒的分子連接基團，進而得到了它們的二聚體，二聚體在水溶性中可以自組裝形成穩定性的納米顆粒，由于二硒鍵的還原敏感特性，所形成的紫杉醇納米前藥顯示了對腫瘤細胞的選擇性殺傷效果，而BODIPY 納米材料可以用于細胞的成像。如何將兩種具有相似結構的分子共組裝，可以得到混合納米材料，同時具有生物成像和腫瘤殺傷功能[20]。該研究將在醫藥學、材料科學及納米科學中得到應用。

3.2 新型超分子磺酰基橋連杯[4]芳烴金屬配合物的合成及在醫學中的應用

研究發現，具有特定空腔結構的分子籠化合物可以選擇性束縛或包含具有特定的客體化合物，從而實現封裝不穩定的化合物促進化學轉化、儲存及傳輸小分子化合物、分子催化以及藥物傳輸等目的，而這些一直受到科學研究工作者的廣泛關注[21-22]。為此，中國科學院福建物質結構研究所的戴楓榮等人以具有空穴結構的有機大環分子磺酰基橋連杯[4] 芳烴為構筑單元，與金屬離子以及合適的有機橋聯配體進行超分子組裝，獲得了具有獨特納米空腔結構的金屬配合物或配位超分子籠化合物。而這些新穎的磺酰基橋連杯[4] 芳烴金屬配合物表現出良好的化學和熱穩定性以及顯著的主客體包容等特征。同時通過對橋聯有機羧酸配體的結構功能修飾，可以進一步實現這類超分子配合物的結構功能調控。他們通過溶液的主客體化學行為研究，從而實現了其在向異性正向協同主客體效應、酸堿調控熒光開關、客體識別、致癌物質的體外檢測等方面的應用。這種超分子容器的功能化策略為設計和構筑多功能化的配位超分子容器提供了一種新的思路[23]。該研究將在材料科學、催化科學及醫學中得到應用。

綜上所述，超分子化學所涉及的領域極其廣泛，它不僅包括了傳統的化學( 如無機化學、有機化學、物理化學、分析化學等)，而且還涉及到21 世紀的眾多熱點學科如材料科學、能源科學、納米科學、環境科學、信息科學和生命科學等。超分子化學的興起與發展促進了許多相關學科的發展，也為它們提供了新的機遇。基于超分子化學中的分子識別，通過分子組裝等方法構筑的有序超分子體系已展示了電子轉移、能量傳遞、物質傳輸、化學轉換以及光、電、磁和機械運動等多種新穎特征。超分子功能材料及智能器件、分子器件與機器、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，將逐一成為現實。科學界有人預言，隨著超分子化學的發展，使得分子計算機和生物計算機的實現也將指日可待。在信息科學方面，超分子材料正向傳統材料挑戰，一旦突破，將帶動信息及相關領域的產業技術革命，會對世界經濟產生深遠的影響。我們堅信，超分子科學將成為21 世紀新思想、新概念和高新技術的重要源頭。