方興未艾的超分子化學及應用*

趙 征

（西安交通工程學院，陜西 西安 710300）

我們把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的科學稱為分子化學，而把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定義為超分子化學。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)有機地融為一體。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境科學、信息科學、能源科學、納米科學、材料科學和生命科學等的發展開辟了一條嶄新的道路。不僅如此，超分子化學在工業、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 新型超分子的合成及在分析分離科學 中的應用

1.1 新型三蝶烯三配位主體的拓撲結構組裝體的構建及應用

研究表明，發展新型拓撲結構超分子組裝體具有重要的理論價值與實際應用意義。基于三蝶烯結構基元的特殊功能[1]，中國科學院化學研究所的韓瑩等人，設計合成了一個含有三個鄰菲啰啉[2]片段的三配位主體分子，通過將其與三個含有兩個烯烴的鄰菲啰啉分子在銅離子的作用下配位，進一步通過關環復分解（RCM）反應構筑了一種新型超分子組裝體，如果相鄰兩個鄰菲啰啉之間連接長度比較長，當剝離銅離子時能夠得到大環分子；但如果相鄰兩個鄰菲啰啉之間連接長度比較短（5個碳數），即使剝離銅離子，小環也不會脫離主體，故因此可以得到一個新的拓撲結構組裝體[3]。該研究可用于分析分離科學、材料科學、環境科學及生命科學等領域。

1.2 新型大環受體的構筑及分子識別

研究發現，有機大環受體由于獨特的尺寸效應及預組織效應，在超分子識別領域具有重要的地位[4-5]。目前一些大環受體由于合成困難、難化學修飾及純化等缺點限制了其應用。鑒于點擊反應條件溫和、選擇性好、產率高等優點，故可用于高效合成有機大環受體。為此，南昌大學的曹遷永等人合成了一系列含熒光團的環三唑大環受體，并研究了其受體對不同客體分子離子，如金屬離子、陰離子、富勒烯等熒光識別能力，并對其作用機制進行了詳細的研究[6]。該研究將在分析分離科學、環境科學、生命科學及合成化學中得到應用。

1.3 新型陰離子配位超分子組裝體的構筑及應用

研究表明，陰離子在生物化學、分析分離科學、環境科學以及材料科學等多個領域中扮演著重要的角色[7]。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，通過多個氫鍵與四面體含氧酸根離子，如磷酸根，呈現良好的配位性質。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的超分子體系，如雙股、三股螺旋體，多元大環和多面體。他們的實驗表明，這類超分子組裝體表現出豐富的主客體化學特性，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）、超分子手性放大等[8]。該研究將在生物化學、分析分離科學、生命科學、環境科學以及材料科學等領域得到應用。

2 新型超分子的合成及在醫藥學中的應用

2.1 新型超分子卟啉組裝體的合成及醫藥學中的應用

研究表明，利用氫鍵、π-π堆積作用、主客體識別、配位作用等非共價鍵自組裝構筑獨特的、復雜的超兩親體是超分子自組裝領域研究的熱點。與傳統的兩親分子相比，這些超兩親體具有動態、可逆、可調控等優點，因而在分子識別、藥物傳遞、分子催化等領域具有廣闊的應用前景[9]。為此，杭州師范大學的李世軍等人基于四個氨基都朝向同一側的順式-四-(2-氨基苯基)卟啉衍生物（卟啉α, α, α, α-H2TamPP）設計、合成了帶有4個脲基的卟啉衍生物[10]，并發現它們對F-、Cl-、Br-、I-、NO3-、HSO4-、AcO-等陰離子具有主客體識別作用，其絡合常數高達1.1×108M-1。他們還進一步設計、合成了基于α, α, α, α-H2TamPP 的含四條醚鏈的兩親卟啉分子，在水溶液中該兩親分子通過π-π堆積作用形成超兩親體。他們的研究發現其組裝形貌可以通過加入暈苯、C60、氯離子等客體來進行調控；而兩親鋅卟啉衍生物中的鋅離子還可以與4,4’-bipyridine、2,4,6-tri-4-pyridinyl-1,3,5-triazine 配位分別形成不同結構的超兩親體，進而導致其組裝形貌也發生了很大的變化，從而使他們發現了一種通過主客體識別調控超分子兩親體結構和形貌的可控組裝新方法[11]。該研究將在藥物傳遞、分子識別及分子催化的領域得到應用。

2.2 新型嵌入功能的超分子管狀組裝體的合成及應用

研究表明，傳統的抗生素和抗腫瘤藥物等藥物分子主要是靶向于生物大分子。由于生物大分子尺寸太小，不容易被藥物分子捕獲，導致藥物的研發需要消耗大量的時間、人力和物力。細胞膜是細胞內最大尺寸的組成部分。因此，發展靶向細胞膜的藥物分子將有可能縮短藥物研發周期，為藥物的開發提供新的研究思路[12]。為此，復旦大學的侯軍利等人在他們前期研究單分子管狀結構的基礎上[13]，分別利用細菌細胞膜和哺乳動物細胞膜中磷脂分子的結構特征，通過在管狀分子中引入多位點的識別基團，構筑了對細菌細胞膜和哺乳動物細胞膜具有選擇性識別與嵌入功能的管狀超分子。由于這類管狀超分子在細胞膜內形成跨膜的離子通道，以破壞細胞內的微環境，進而分別高效地殺死細菌和腫瘤細胞，從而研發了一種構筑細胞膜活性抗生素和抗腫瘤藥物的新策略[14]。該研究將在醫藥學、生物化學及生命科學中得到應用。

2.3 新型超分子水溶性碳納米角-藻藍蛋白的制備及診 療作用

近年的醫學研究表明，腫瘤診斷和治療是目前腫瘤學研究的熱點[15]。碳納米材料如石墨烯、碳納米管(CNTs)、碳納米角(CNHs)等因其獨特的理化性質使其在癌癥的診療研究領域有著巨大的應用潛力[16]。但是由于 CNTs、CNHs 等碳納米材料自身難溶于水，嚴重制約了其在生物醫學中的應用[17]。為此，廣西師范大學的林肇星等人以水溶性藻藍蛋白(PC)為表面修飾試劑，通過非共價作用一步法構建了單壁CNHs-PC復合材料(SWCNHs-PC)，成功地解決了CNHs 水性差的缺點，且體外細胞實驗和動物模型研究證實SWCNHs-PC具有良好的近紅外光熱成像(TI)、光聲成像(PA)及協同的近紅外光熱治療(PTT)/光動力治療(PDT)效果，由此證明該超分子納米材料具有優異的腫瘤診療和應用潛力[18]。

2.4 新型超分子透明質酸-釕納米粒子的制備及光診療作用

近來的研究表明，大量的無機或有機納米材料由于其優良的理化等特性被廣泛應用于癌癥的診斷和治療[19]。透明質酸(HA)作為一種酸性粘多糖具有良好的生物相容性和水溶性[20]，且可以較好地用作靶向部分癌細胞表面高表達的腫瘤干細胞表面標記物（CD44）受體。因此，利用HA對材料進行修飾不僅能夠賦予超分子納米材料良好的水溶性和生物相容性，也可以實現對癌細胞的特異性靶向。為此，廣西師范大學的王文龍等人采用半胱氨酸(Cys)接枝的HA與RuCl3反應制備得到了水溶性好、穩定性高的HA修飾的超分子Ru納米粒子(HA-Ru NPs)。其體外和體內實驗結果表明，該超分子納米粒子具有顯著的近紅外光誘導光熱治療(PTT)、光動力治療(PDT)性質及X射線計算機斷層掃描(CT)成像、光聲(PA)成像等成像能力。此外，由于HA的修飾，HA-Ru NPs 對CD44高表達的腫瘤細胞具有特異性靶向，可以有效抑制腫瘤生長[21]。該研究將在醫藥學、生命科學及材料科學中得到應用。

3 新型超分子的合成及在催化科學中的應用

研究表明，β-環糊精及其衍生物作為超分子配體被廣泛應用于有機合成中[22]。基于Pitchumani和Jung等人報道了2-氨基吡啶修飾的β-環糊精在 Suzuki、Heck 和 Sonogashira 偶聯反應中應用[23]，云南大學的羅開秀等人設計完成了β-環糊精與吡啶酰胺、環己二胺的鍵合，再與二價鈀配位得到兩種β-cyclodextrin/Pd (II)超分子催化劑，他們將其用于對Suzuki及Sonogashira偶聯反應研究，實現了環糊精/Pd(II)超分子配體催化C-C的偶聯反應。實驗表明，該催化反應還可在水相中進行，并表現出優良的催化活性和轉化率(81%～95%)，且可多次循環使用并具有綠色環保的優點[24]。該研究將在催化科學、材料科學及大環化學等領域得到應用。

4 結語

綜上所述，超分子化學作為一門植根深遠的新興熱門邊緣學科，其應用無處不有，如在自然科學的各個領域，如物理學、催化科學、生物學、生物化學、石油化工、航空航天、醫藥學、國防科學等均有廣泛的應用。即超分子化學的產生和發展促進了眾多學科的興起和發展，也為它們提供了新的機遇與挑戰。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出了電子轉移、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。為此，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，將逐一被實現。與此同時科學家預言，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，其必將帶動信息及相關領域的產業技術革命，且將對世界經濟發展產生深遠的影響。