手性聚苯胺的合成及其手性識別研究*

舒 紋，常柄權(quán)，張聰聰，沈報春

(昆明醫(yī)科大學(xué) 藥學(xué)院暨云南省天然藥物藥理重點實驗室，云南 昆明 650500)

手性是生命系統(tǒng)的基本屬性之一，無論是宏觀世界，還是微觀世界都普遍存在手性現(xiàn)象[1-4]。震驚全世界的“沙利度胺”事件中[5]，沙利度胺是由呈現(xiàn)實物與鏡像關(guān)系且各占50%的兩種化合物組成，不良反應(yīng)是由于其中的S-構(gòu)型及其代謝物具有致畸作用。該事件使藥物中的手性得到了重視。不同構(gòu)型的對映體所發(fā)揮的效應(yīng)可能截然不同[5-6]。手性藥物對映體進入生物體內(nèi)，在藥效學(xué)、藥動學(xué)和毒理學(xué)方面可能存在立體選擇性差異，因而產(chǎn)生不同的藥理作用和不良反應(yīng)。

據(jù)不完全統(tǒng)計，《中華人民共和國藥典》2020版第二部收錄的1000余種原料藥中，具有手性的藥物近600種，但絕大部分以外消旋體供臨床使用；對藥物有明確手性構(gòu)型要求的僅159種，占全部藥物的16.0%[7]。因此，為了保證手性藥物使用過程中的安全、高效，建立手性藥物中兩種對映體的分離、分析方法，對高效、低毒、專一藥物的研發(fā)、評價和臨床使用，起著重要作用。

手性高聚物[8-9]是指，聚合物由于本身或構(gòu)象不對稱因素具有旋光性的高分子,引起不對稱性或含有手性原子基團而具有構(gòu)型上的特異性，能夠形成相對穩(wěn)定的單向螺旋鏈。手性高聚物多應(yīng)用于導(dǎo)電材料、微波吸收材料和電磁波等領(lǐng)域，由于其具有很強的光學(xué)活性，因此在手性領(lǐng)域有著極高的研究價值。

聚苯胺(polyaniline,PANI)由于具有親水性、低毒性、良好的環(huán)境穩(wěn)定性和納米結(jié)構(gòu)形態(tài)等優(yōu)點成為聚合物中的研究熱點[10-11]。手性聚苯胺具有規(guī)整的二級結(jié)構(gòu)，其手性來源于單方向空間螺旋結(jié)構(gòu)。

目前，合成手性聚苯胺的方法有：化學(xué)氧化法、電化學(xué)法、二次摻雜法、模板法、自組裝法、低聚物輔助法、界面聚合法等7種方法[12-13]，不同種方法可制備出相同、相近形貌的手性聚苯胺。

2008年,黃艷等[14]對手性聚苯胺的制備方法進行了簡單綜述，本文對手性聚苯胺的制備方法、形貌以及在手性識別領(lǐng)域的應(yīng)用進行論述。

1 手性聚苯胺的制備方法

1.1模板法

模板法是指，苯胺單體通過酸-基底相互作用，優(yōu)先在分子模板上進行排列聚合，通過靜電作用形成質(zhì)子化聚苯胺鏈，與陰離子聚合電解質(zhì)模板分子鏈相互纏繞，最后形成分子復(fù)合物。例如，Zou F等[15]在AOT的幫助下，AOT既是模板劑又是分散劑，以HRP為催化劑和手性誘導(dǎo)劑，一步合成了手性、導(dǎo)電和水溶性聚苯胺；Devendra K等[16]通過聚苯胺與氨基酸之間的靜電相互作用和氫鍵作用，以天然手性氨基酸為軟模板，合成了聚苯胺新型超結(jié)構(gòu)形態(tài)；Guo H等[17]提出了一種合成手性導(dǎo)電聚苯胺的綠色新方法，采用模板輔助聚合法合成了蛋白質(zhì)誘導(dǎo)的手性聚苯胺；Chen J等[18]首次對修飾血紅蛋白(Hb)誘導(dǎo)合成手性聚苯胺進行了深入研究；等等。

1.2 化學(xué)氧化法

化學(xué)氧化法是指，把氧化劑直接加入到手性酸的苯胺溶液中，進行氧化聚合得到手性聚苯胺。該方法操作簡便，可實現(xiàn)聚苯胺的大量制備。例如，Caramyshev A V等[19]研究了十二烷基苯磺酸(DBSA)存在下膠束過氧化物酶催化手性聚苯胺的合成；Naar N等[20]以二苯甲酰酒石酸(DBTA)為摻雜劑，通過手性苯胺單體重復(fù)單元氧化聚合成手性聚苯胺；Zhou C等[21]與袁干印等[22]在HCl/異丙醇/水酸性水體系中中，通過化學(xué)氧化苯胺制備了手性納米結(jié)構(gòu)的聚苯胺；等等。

1.3 電化學(xué)法

電化學(xué)法是利用電極形成的電位差作為聚合反應(yīng)的引發(fā)力和驅(qū)動力，在一定的電化學(xué)條件下，苯胺在陽極上發(fā)生氧化聚合反應(yīng)，最后得到粘附在電極表面的薄膜或者沉積在電極表面的聚苯胺。例如，Barisci J N等[23]研究苯胺的聚合，在D/L-CSA溶液中，以聚乙烯氧化物為穩(wěn)定劑，通過恒電位在流體力學(xué)條件下在電化學(xué)流池中進行電合成，用圓二色光譜法表征到聚苯胺的光學(xué)活性；Aboutanos V等[24]以直徑20nm的細二氧化硅為分散劑，在D/L-CSA存在的情況下，苯胺通過電流體動力聚合，可制備出穩(wěn)定的、具有光學(xué)活性的聚苯胺；Li W等[25]通過電化學(xué)方法在氧化銦錫(ITO)襯底上聚合苯胺，制備了具有高光學(xué)活性的聚苯胺；Kim E等[26]采用動態(tài)電位沉積的方法制備了二元摻雜劑D-CSA/HCL的手性聚苯胺；等等。

1.4 二次摻雜法

二次摻雜法是指，直接利用EB進行二次摻雜，將EB溶于大分子手性酸溶劑中，手性酸作為摻雜劑進入分子鏈內(nèi)，同時進行靜電和氫鍵鍵合，由于手性誘導(dǎo)而優(yōu)先以單一螺旋構(gòu)型進行重排，最終獲得具有單一的螺旋構(gòu)型的手性聚苯胺。例如，楊倩等[27]采用手性摻雜酸直接對本征態(tài)聚苯胺進行二次摻雜得到手性聚苯胺。

1.5 自組裝法

自組裝法是指，將手性酸和苯胺單體先混合形成一種手性鹽的絡(luò)合物，作為后續(xù)聚合過程中的類模板，同時還能起到自催化作用，最后生成手性聚苯胺。例如，Zhang L等[28]采用無外模板自組裝法合成了摻雜手性D/L-CSA的手性聚苯胺納米管；Li X等[29]以手性酸為摻雜劑，采用自組裝技術(shù)，通過原位聚合成功合成了超螺旋手性聚苯胺；Yang Y[30]等通過化學(xué)自組裝將分子手性轉(zhuǎn)移到納米和微尺度上的超分子手性制備手性聚苯胺；等等。

1.6 低聚物輔助法

低聚物輔助法是將少量苯胺低聚物加入反應(yīng)體系中，與其他合成法相比，該法在手性摻雜酸濃度較高時作用明顯。由于苯胺低聚物的氧化電位低于苯胺單體，所以在聚合的初始反應(yīng)階段，首先被氧化的是苯胺低聚物，從而加快聚合反應(yīng)速率并可作為種子來誘導(dǎo)手性聚苯胺的鏈增長。例如，Li W等[31]和Wang Y等[32]使用苯胺低聚物加速聚合反應(yīng)，并向單體溶液中添加氧化劑，合成手性聚苯胺納米纖維；Li W等[33]認為生產(chǎn)高手性納米纖維的關(guān)鍵是CSA與生長中的聚合物鏈的最大相互作用，以及使用低聚物分子作為催化聚合的“種子”；等等。

1.7 界面聚合法

界面聚合反應(yīng)是在兩種不混溶的液體界面上進行，生成的聚苯胺由于鏈上摻雜劑分子的存在而具有一定的親水性，一經(jīng)生成立即就擴散到水相，遠離反應(yīng)界面，一方面阻止了產(chǎn)物的進一步生長，另一方面避免團聚現(xiàn)象的發(fā)生，又使界面處產(chǎn)物的濃度降低，這樣反應(yīng)就會在界面處持續(xù)進行，可合成出大量手性聚苯胺。例如，Lee K P等[34]和王芳等[35]以手性試劑D/L-CSA為摻雜劑和構(gòu)象誘導(dǎo)劑，通過簡單的界面聚合制備了手性聚苯胺；杜咪咪等[36]在合成鋰鋅鐵氧體(LZFO)并用硅烷偶聯(lián)劑(APTS)對其改性的基礎(chǔ)上，采用界面聚合法制備了手性PANI復(fù)合吸波材料；等等。

1.8 小結(jié)

手性聚苯胺的制備方法主要有以上7種，目前制備手性聚苯胺大多采用化學(xué)氧化法、電化學(xué)法、模板法、自組裝法。制備出的聚苯胺均采用圓二色譜表征其手性，但多數(shù)研究并未對產(chǎn)物形貌進行表征，因此本文將對手性聚苯胺形貌以及制備方法與產(chǎn)物形貌的聯(lián)系進行討論。

2 手性聚苯胺的形貌結(jié)構(gòu)

2.1 納米纖維

Yan Y等[37]采用自組裝法，以手性摻雜劑誘導(dǎo)聚苯胺形成了主要的螺旋狀構(gòu)象，并進一步形成螺旋狀納米纖維；Zhang X等[38]采用化學(xué)氧化法，在手性誘導(dǎo)劑存在下，將苯胺與氧化劑PTC和APS聚合，合成了手性聚苯胺納米纖維；Weng S等[39]采用電化學(xué)法，以D/L-CSA為摻雜劑，采用不含模板的直接電聚合方法制備了兩種手性螺旋聚苯胺納米纖維；Li R等[40]采用自組裝法，通過胺封端低聚苯胺的自組裝過程，可以顯著增強聚苯胺超分子結(jié)構(gòu)的手性，獲得了摩爾度高的聚苯胺納米纖維。

2.2 納米管

Yang Y等[41]采用自組裝法，首次以(S)-(-)-2-吡咯烷酮-5-羧酸(S)- pca或(R)-(+)-2-吡咯烷酮-5-羧酸(R)- pca為摻雜劑，采用無模板法成功合成了聚苯胺的手性納米管；Zhang L等[42]采用自組裝法，合成了手性D/L-CSA摻雜的手性聚苯胺納米管；Li G等[43]采用化學(xué)氧化法，以十二烷基苯磺酸鈉為原料，制備了形貌可控的聚苯胺管。

2.3 其他納米形貌

Li Y等[44]采用模板法，在飽和L-苯丙氨酸溶液中，調(diào)節(jié)L-苯丙氨酸與苯胺的物質(zhì)的量比從0.25到40，合成了片狀、球形、海膽狀的手性聚苯胺；Movahedifar F等[45]采用化學(xué)氧化法，以過硫酸銨(APS)和氯化鐵(FeCl3·6H2O)為氧化劑，采用無模板法快速混合，以單體(±)-2-仲丁基苯胺為原料，制備了手性聚苯胺的納米微球。

2.4 小結(jié)

制備出的手性聚苯胺均在納米范圍內(nèi)，目前采用自組裝法、化學(xué)氧化法、電化學(xué)法、模板法可制備得到特定形貌的手性聚苯胺，不同種方法可制備出相同、相近形貌的手性聚苯胺，可根據(jù)不同的應(yīng)用需求選取制備方法。

從手性識別領(lǐng)域角度出發(fā)，電化學(xué)法和化學(xué)氧化法制備出的手性聚苯胺在手性識別領(lǐng)域具有更高的研究價值，對多種手性物質(zhì)表現(xiàn)出手性識別能力；其他方法制備出的手性聚苯胺主要用于催化劑、微波吸收材料、軍事隱身和電磁波屏蔽等領(lǐng)域。下文將對手性聚苯胺在手性識別領(lǐng)域的應(yīng)用進行論述。

3 手性聚苯胺在手性識別領(lǐng)域中的應(yīng)用

Zhou C等[46]采用化學(xué)氧化法，在HCl/異丙醇/水的酸性水體系中對苯胺進行化學(xué)氧化，制備具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的手性聚苯胺空心納米纖維。在早期反應(yīng)階段的OANI(低聚苯胺)扭曲納米帶已被確定為誘導(dǎo)手性聚苯胺空心納米扭曲生長的反應(yīng)模板。通過調(diào)節(jié)體系中異丙醇含量可控的制備單手性聚苯胺，對色氨酸等4種手性外消旋混合物表現(xiàn)出優(yōu)異的對映選擇性分離。

He S等[47]采用化學(xué)氧化法，以樟腦磺酸為原料，通過化學(xué)氧化法合成了手性聚苯胺，形成了特殊扭曲納米帶。利用手性聚苯胺構(gòu)建了用于色氨酸異構(gòu)體(D/L-Trp)識別的電化學(xué)手性傳感器。開發(fā)了一種新型的電化學(xué)手性傳感器，將手性聚苯胺修飾在GCE上用于D/L-色氨酸的識別。結(jié)合S-PANI/D-Trp和R-PANI/L-Trp的結(jié)合常數(shù)，證明S-PANI對手性氨基酸的識別效果優(yōu)于R-PANI。

張峰等[48]采用電化學(xué)法，進行了手性聚苯胺對小分子外消旋氨基酸的手性識別研究。通過測試了手性聚苯胺在丙氨酸(D/L-Ala)電解液中電化學(xué)性能的差異，表明手性聚苯胺對外消旋氨基酸具有一定的的手性識別能力，從而確定氨基酸的構(gòu)型。

Saksena K等[49]采用電化學(xué)法，以L-抗壞血酸為模板，通過電生成分子印跡聚合物超薄膜，研制了手性電化學(xué)傳感器，并對其生物學(xué)性能進行了分析。將電化學(xué)阻抗譜技術(shù)應(yīng)用于分子印跡電極，定量測定L-抗壞血酸，檢測限為 1 μmol/L。最后，該傳感器在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域為血清樣品中抗壞血酸的簡單、快速和經(jīng)濟有效的手性定量提供了良好的前景。

Pandey I等[50]采用電化學(xué)法，提出了一種簡單、新穎的手性分離人腦脊液和血漿中L-抗壞血酸和D-抗壞血酸的方法。通過電聚合分子印跡聚苯胺二茂鐵磺酸c點修飾鉛筆石墨電極可以對水和一些生物樣品中D/L-抗壞血酸進行分離和定量分析。與D-抗壞血酸相比，L-抗壞血酸選擇性傳感器對L-抗壞血酸表現(xiàn)出優(yōu)異的選擇性，反之亦然。該傳感器用于藥物和人體血漿樣品(孕婦和非孕婦)的L-抗壞血酸的手性檢測，具有良好的選擇性和靈敏度。

楊倩等[27]采用二次摻雜法、自組裝法制備手性聚苯胺，再通過 St?ber 法以 PANI 為核，正硅酸乙酯水解在其表面包覆SiO2制備PANI@SiO2。將制備得到的D-PANI和D-PANI@SiO2分別用于丙氨酸對映體選擇性結(jié)晶,L-丙氨酸均優(yōu)先結(jié)晶,且D-PANI@SiO2手性識別能力更強。

4 展望

隨著研究工作的深入，進一步優(yōu)化手性聚苯胺制備方法，制備出手性識別能力更強的聚苯胺，進一步擴大可拆分手性物質(zhì)的范圍，將成為手性識別領(lǐng)域今后研究的熱點和具有挑戰(zhàn)性的研究課題。

近十年無相關(guān)文章對手性聚苯胺的制備方法、產(chǎn)物形貌以及在手性領(lǐng)域的應(yīng)用進行系統(tǒng)論述，因此本文對手性聚苯胺在后續(xù)的研究具有較高的借鑒意義。