醫(yī)學(xué)與分離科學(xué)中的新型超分子應(yīng)用研究*

張晉生， 張來(lái)新

（西安交通工程學(xué)院，陜西西安710300）

1967 年佩德森（Pederson）首先發(fā)現(xiàn)了冠醚類(lèi)化合物，這可以說(shuō)是世界上第一個(gè)發(fā)現(xiàn)的人工合成自組裝體。隨后，萊恩（Lehn）在佩德森工作的啟發(fā)下，最早提出了超分子化學(xué)的概念。故萊恩在1987 年諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)演說(shuō)中曾為超分子化學(xué)作了如下定義：即超分子化學(xué)是研究?jī)煞N或兩種以上的化學(xué)物種通過(guò)分子間力相互作用締結(jié)而成的具有特定結(jié)構(gòu)和功能的聚集形分子體系的化學(xué)。研究表明，超分子化學(xué)是化學(xué)與生物學(xué)、物理學(xué)、材料科學(xué)、信息科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等多門(mén)學(xué)科交叉構(gòu)成的邊緣新科學(xué)。其研究的兩個(gè)方向?yàn)?，超分子化學(xué)(主-客體化學(xué))和超分子有序組裝體的化學(xué)；而研究?jī)?nèi)容主要包括：分子識(shí)別，分為離子客體的受體和分子客體的受體大環(huán)化合物；生物有機(jī)體系和生物無(wú)機(jī)體系的超分子反應(yīng)性及傳輸；固態(tài)超分子化學(xué)，分為晶體工程、二維和三維的無(wú)機(jī)網(wǎng)絡(luò)；超分子化學(xué)中的物理方法；模板，自組裝和自組織；超分子技術(shù)，分為分子器件和分子技術(shù)的應(yīng)用。從某種意義上講，超分子化學(xué)淡化了有機(jī)化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、生物化學(xué)和材料化學(xué)之間的界限，著重強(qiáng)調(diào)了具有特定結(jié)構(gòu)和功能的超分子體系，將四大基礎(chǔ)化學(xué)(有機(jī)化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)和物理化學(xué)) 有機(jī)地融合為一個(gè)整體，從而為分子器件、分子機(jī)器、分子馬達(dá)、環(huán)境科學(xué)、信息科學(xué)、能源科學(xué)、納米科學(xué)、材料科學(xué)和生命科學(xué)的發(fā)展開(kāi)辟了一條嶄新的道路，是21 世紀(jì)的新興熱門(mén)邊緣學(xué)科，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、醫(yī)藥學(xué)、航空航天科學(xué)等領(lǐng)域已彰顯出廣闊的應(yīng)用前景。

1 新型超分子化合物的組裝合成

1.1 超分子有機(jī)框架的構(gòu)筑及應(yīng)用

倡導(dǎo)大環(huán)化學(xué)與超分子化學(xué)進(jìn)一步用多學(xué)科綜合交叉研究方法相結(jié)合，以緩解新時(shí)代當(dāng)前人類(lèi)正面臨著的生態(tài)環(huán)境、資源、能源、生命、材料、信息等領(lǐng)域的生存危機(jī)。為此，復(fù)旦大學(xué)的黎占亭等人基于有機(jī)小分子自組裝策略，利用疏水作用為驅(qū)動(dòng)力，于2013 年以來(lái)首次在水中實(shí)現(xiàn)了均相周期性納米孔陣列超分子有機(jī)框架（SOF）的構(gòu)建[1]。作為一類(lèi)正離子型可溶性納米孔材料，SOF 具有疏水空腔，對(duì)負(fù)離子型客體和疏水性有機(jī)分子具有極強(qiáng)的吸收作用，并由此衍生新的功能。例如，SOF 吸收負(fù)離子雜多酸可以促進(jìn)對(duì)質(zhì)子還原產(chǎn)生氫氣反應(yīng)的催化，對(duì)負(fù)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(zhì)體藥物的包埋過(guò)程，作為一種低成本平臺(tái)技術(shù)，值得進(jìn)一步研究。另外，通過(guò)集成SOF、MOF（金屬有機(jī)框架）和COF（覆晶薄膜）自組裝原理，他們還組裝構(gòu)建了基于過(guò)渡金屬絡(luò)合物的雜化孔結(jié)構(gòu)，為發(fā)展新的均相催化體系提供了新的平臺(tái)[3]。該研究將在生命科學(xué)、材料科學(xué)、催化科學(xué)及醫(yī)藥學(xué)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

1.2 雙吡唑橋聯(lián)雙金屬配體的雜金屬多功能超分子新體系的構(gòu)筑

研究表明，超分子自組裝經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，正在朝著功能化、復(fù)雜體系和精準(zhǔn)可控的方向推進(jìn)[4]。為此，北京工業(yè)大學(xué)的于澍燕等人在運(yùn)用超金屬- 金屬成鍵導(dǎo)向的鈀三角自組裝過(guò)程催化室溫水解切斷二硫化碳的兩個(gè)C=S 雙鍵時(shí)發(fā)現(xiàn)，其在功能導(dǎo)向的可編程分級(jí)超分子自組裝方向中取得了一些新進(jìn)展。他們通過(guò)設(shè)計(jì)新型功能有機(jī)配體HnAB（其中H 為質(zhì)子，n 為質(zhì)子數(shù)，A、B 為配位基團(tuán)），提出質(zhì)子開(kāi)關(guān)的可編程自組裝策略[5]。結(jié)果有效地控制了不同類(lèi)型金屬同多功能配體的配位次序，形成了基于雙吡唑橋聯(lián)雙金屬配體的雜金屬多功能超分子新體系。他們還設(shè)計(jì)了雙吡唑多功能有機(jī)配體，利用該系列配體已經(jīng)成功自組裝得到雜金屬超分子，如Pd-Pt 雜金屬大環(huán)、Pd-Fe 雜金屬籠、Pd-Cu 雜金屬高分子、稀土- 過(guò)渡雜金屬超分子等，并發(fā)現(xiàn)這些新體系在發(fā)光和超分子催化方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值[6]。該研究將在光化學(xué)、催化科學(xué)、材料科學(xué)及合成化學(xué)中得到應(yīng)用。

1.3 以逐級(jí)自組裝法構(gòu)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(xué)研究的核心和前沿領(lǐng)域之一。在一個(gè)多組分的復(fù)雜體系中，如何利用多重非共價(jià)鍵作用力的協(xié)同作用，通過(guò)多級(jí)次、可控自組裝構(gòu)筑復(fù)雜有序的超分子組裝體系，一直是超分子自組裝領(lǐng)域中一個(gè)重要的課題。為此，華東師范大學(xué)的楊海波等人充分利用配位鍵鍵能較強(qiáng)且與其他弱相互作用力彼此不干涉的性質(zhì)[7]，開(kāi)創(chuàng)了以配位鍵為核心推動(dòng)力的逐級(jí)自組裝策略，并成功地構(gòu)筑了一系列具有刺激- 響應(yīng)性質(zhì)的功能化金屬有機(jī)超分子組裝體系[8]；此外，他們還將該策略成功拓展到復(fù)雜超分子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)筑中，并在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了高代數(shù)、以輪烷作為重復(fù)單元的金屬有機(jī)輪烷樹(shù)枝狀分子的高效構(gòu)筑；最近又成功實(shí)現(xiàn)了限域空間的精準(zhǔn)組裝[9]。該研究將在超分子化學(xué)、材料科學(xué)及有機(jī)合成化學(xué)中得到應(yīng)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(xué)、環(huán)境科學(xué)以及材料科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域中扮演了重要的角色[10]。然而，因陰離子特有的性質(zhì)和與受體（配體）之間的弱作用力使其化學(xué)發(fā)展相對(duì)緩慢。人們發(fā)現(xiàn)陰離子與過(guò)渡金屬離子表現(xiàn)相似的配位化學(xué)特性，如每一類(lèi)離子具有獨(dú)特的配位幾何與配位數(shù)。雖然這種規(guī)律還遠(yuǎn)沒(méi)有過(guò)渡金屬配位化學(xué)那么成熟，但這些初步的結(jié)論能為人們?cè)O(shè)計(jì)陰離子配體以及研究陰離子配位化合物性質(zhì)提供有效的指導(dǎo)[11]。為此，西北大學(xué)的吳彪等人設(shè)計(jì)合成了一系列帶有鄰苯橋聯(lián)的多脲配體，他們通過(guò)多個(gè)氫鍵與四面體含氧酸根離子，如磷酸根呈現(xiàn)出的良好配位性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)其磷酸根配合物和過(guò)渡金屬聯(lián)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(lèi)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(huán)和多面體。這類(lèi)超分子組裝體表現(xiàn)出豐富的主客體化學(xué)特征，如穩(wěn)定活潑物種（P4、As4 等）、識(shí)別生物相關(guān)客體（區(qū)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(xué)、環(huán)境科學(xué)、生物科學(xué)、材料科學(xué)及醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

2 新型超分子化合物的構(gòu)筑及在催化與分離科學(xué)中的應(yīng)用

2.1 新型超分子聚輪烷骨架的構(gòu)筑及在分析分離科學(xué)中的應(yīng)用

研究發(fā)現(xiàn)，利用無(wú)機(jī)簇的多陰離子性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)多組分雜化組裝，從而獲得復(fù)合組裝體，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)調(diào)控和組裝體的功能化[13]。為此，吉林大學(xué)的張國(guó)華等人通過(guò)選用陽(yáng)離子柱芳烴與多陰離子簇進(jìn)行靜電結(jié)合，獲得表面為柱芳烴的離子復(fù)合物。隨后他們將獲得的柱芳烴- 多金屬氧簇復(fù)合物再與雙頭客體有機(jī)分子結(jié)合，獲得了一類(lèi)A4B2 型主客體結(jié)合的聚輪烷網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在持續(xù)超聲條件下，這種多重主客體結(jié)合得到優(yōu)化并形成超分子凝膠。對(duì)凝膠的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征發(fā)現(xiàn)為纖維組裝體，而纖維組裝結(jié)構(gòu)則是由多金屬氧簇為結(jié)點(diǎn)、柱芳烴包結(jié)體為連接橋的骨架結(jié)構(gòu)。這一凝膠結(jié)構(gòu)帶來(lái)有價(jià)值的作用。骨架結(jié)構(gòu)纖維可以大大穩(wěn)定小分子凝膠纖維，使之具有類(lèi)似高分子纖維的穩(wěn)定性，故可以用于鋪展纖維膜。此外，他們還發(fā)現(xiàn)纖維內(nèi)部形成的骨架結(jié)構(gòu)可以容納溶劑分子，從而可以用來(lái)控制纖維膜表面的親疏水性。以此為基礎(chǔ)，他們發(fā)現(xiàn)了一種可以進(jìn)行油水分離的小分子凝膠纖維膜。與此同時(shí)，他們通過(guò)油水互溶的溶劑調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)分離油和分離水的可逆轉(zhuǎn)換。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表面，這類(lèi)交聯(lián)的小分子聚輪烷體系可以擴(kuò)展到更多的應(yīng)用領(lǐng)域，如藥物負(fù)載、輸運(yùn)與釋放，催化與自動(dòng)分離等[14]。該研究將在分析分離科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、材料科學(xué)、醫(yī)藥學(xué)及催化科學(xué)中得到應(yīng)用。

2.2 新型大環(huán)超分子化合物的合成及在識(shí)別與催化中的應(yīng)用

超分子化學(xué)的誕生起源于大環(huán)化合物的問(wèn)世。超分子化學(xué)的研究?jī)?nèi)涵特別是大環(huán)效應(yīng)、協(xié)同互補(bǔ)原理決定了其可能成為提升催化反應(yīng)效率和選擇性的重要手段，超分子化學(xué)與催化的結(jié)合——超分子催化，有望成為發(fā)展全新一代催化體系的重要途徑[15]。為此，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所的王其強(qiáng)等人通過(guò)在大環(huán)和籠狀分子骨架上嵌入識(shí)別位點(diǎn)和催化基團(tuán)，營(yíng)造內(nèi)表面修飾的功能化空腔，從而發(fā)揮了受限空間內(nèi)各個(gè)功能位點(diǎn)間的有效協(xié)同，構(gòu)建出了高效高選擇性超分子識(shí)別- 催化體系。近兩年來(lái)，他們研發(fā)了一種通過(guò)大環(huán)對(duì)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(jīng)由陽(yáng)離子中間體的催化反應(yīng)效率提供一種超分子途徑[16]。 同時(shí)經(jīng)“錨合- 箍”策略高效構(gòu)筑了具有獨(dú)特空腔結(jié)構(gòu)的功能化 “分子桶”，研究表明其能提供孤對(duì)電子-π 作用顯著增強(qiáng)二氧化碳鍵合，為該類(lèi)功能分子的催化轉(zhuǎn)化奠定了基礎(chǔ)[17]。該研究將在催化科學(xué)、材料科學(xué)及分析分離科學(xué)中得到應(yīng)用。

3 新型超分子化合物的合成及在醫(yī)藥學(xué)中的應(yīng)用

3.1 新型超分子有機(jī)體的合成及在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

研究表明，程序化的有機(jī)分子的自組裝可以通過(guò)不同的超分子化學(xué)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(lái)實(shí)現(xiàn)。為此，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所的謝志剛等人探索了多種有機(jī)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(yīng)于活細(xì)胞的熒光成像以及對(duì)腫瘤細(xì)胞的殺傷。基于有機(jī)分子的組裝基元，通過(guò)多層次組裝方法，可以獲得具有特殊功能與應(yīng)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(tuán)，進(jìn)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(wěn)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(duì)腫瘤細(xì)胞的選擇性殺傷效果，而B(niǎo)ODIPY 納米材料可以用于細(xì)胞的成像。如何將兩種具有相似結(jié)構(gòu)的分子共組裝，可以得到混合納米材料，同時(shí)具有生物成像和腫瘤殺傷功能[20]。該研究將在醫(yī)藥學(xué)、材料科學(xué)及納米科學(xué)中得到應(yīng)用。

3.2 新型超分子磺?；鶚蜻B杯[4]芳烴金屬配合物的合成及在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

研究發(fā)現(xiàn)，具有特定空腔結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)封裝不穩(wěn)定的化合物促進(jìn)化學(xué)轉(zhuǎn)化、儲(chǔ)存及傳輸小分子化合物、分子催化以及藥物傳輸?shù)饶康?，而這些一直受到科學(xué)研究工作者的廣泛關(guān)注[21-22]。為此，中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所的戴楓榮等人以具有空穴結(jié)構(gòu)的有機(jī)大環(huán)分子磺?；鶚蜻B杯[4] 芳烴為構(gòu)筑單元，與金屬離子以及合適的有機(jī)橋聯(lián)配體進(jìn)行超分子組裝，獲得了具有獨(dú)特納米空腔結(jié)構(gòu)的金屬配合物或配位超分子籠化合物。而這些新穎的磺?；鶚蜻B杯[4] 芳烴金屬配合物表現(xiàn)出良好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性以及顯著的主客體包容等特征。同時(shí)通過(guò)對(duì)橋聯(lián)有機(jī)羧酸配體的結(jié)構(gòu)功能修飾，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)這類(lèi)超分子配合物的結(jié)構(gòu)功能調(diào)控。他們通過(guò)溶液的主客體化學(xué)行為研究，從而實(shí)現(xiàn)了其在向異性正向協(xié)同主客體效應(yīng)、酸堿調(diào)控?zé)晒忾_(kāi)關(guān)、客體識(shí)別、致癌物質(zhì)的體外檢測(cè)等方面的應(yīng)用。這種超分子容器的功能化策略為設(shè)計(jì)和構(gòu)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(xué)、催化科學(xué)及醫(yī)學(xué)中得到應(yīng)用。

綜上所述，超分子化學(xué)所涉及的領(lǐng)域極其廣泛，它不僅包括了傳統(tǒng)的化學(xué)( 如無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、分析化學(xué)等)，而且還涉及到21 世紀(jì)的眾多熱點(diǎn)學(xué)科如材料科學(xué)、能源科學(xué)、納米科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、信息科學(xué)和生命科學(xué)等。超分子化學(xué)的興起與發(fā)展促進(jìn)了許多相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，也為它們提供了新的機(jī)遇?；诔肿踊瘜W(xué)中的分子識(shí)別，通過(guò)分子組裝等方法構(gòu)筑的有序超分子體系已展示了電子轉(zhuǎn)移、能量傳遞、物質(zhì)傳輸、化學(xué)轉(zhuǎn)換以及光、電、磁和機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(jī)器、DNA 芯片、導(dǎo)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(xiàn)實(shí)?？茖W(xué)界有人預(yù)言，隨著超分子化學(xué)的發(fā)展，使得分子計(jì)算機(jī)和生物計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)也將指日可待。在信息科學(xué)方面，超分子材料正向傳統(tǒng)材料挑戰(zhàn)，一旦突破，將帶動(dòng)信息及相關(guān)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)技術(shù)革命，會(huì)對(duì)世界經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。我們堅(jiān)信，超分子科學(xué)將成為21 世紀(jì)新思想、新概念和高新技術(shù)的重要源頭。