功能型超分子體系的合成與自組裝.pdf

1、1987年諾貝爾化學(xué)獎授予了C.J.Pedersen、J.M.Lehn和D.J.Cram三位科學(xué)家，以表彰他們在超分子化學(xué)理論與實踐方面的開創(chuàng)性工作。從此之后，超分子化學(xué)作為一門新興的邊緣科學(xué)快速發(fā)展起來，并受到科學(xué)家們越來越多的關(guān)注，逐漸滲透到化學(xué)乃至科學(xué)界的各個領(lǐng)域，并發(fā)揮了不可估量的作用。2005年美國Science雜志在其創(chuàng)刊125周年紀(jì)念專輯中提出了21世紀(jì)亟待人們解決的25個重大科學(xué)問題，唯一與化學(xué)相關(guān)的問題就是“我們能夠推

2、動化學(xué)自組裝走多遠(yuǎn)”，而化學(xué)自組裝，也正是超分子化學(xué)研究中的關(guān)鍵問題。
　　 從字面上看，超分子化學(xué)可定義為“超越分子的化學(xué)”，是關(guān)于若干化學(xué)物種通過分子間相互作用，包括氫鍵、主客體作用、疏水-疏水作用、靜電作用、π-π堆積等作用結(jié)合在一起構(gòu)筑的、具有高度復(fù)雜性和一定組織性的整體化學(xué)。由于并非通過共價鍵連接，所以整體中各組分在一定程度上還保持某些固有的物理和化學(xué)性質(zhì)，同時又因彼此間的相互影響或擾動而表現(xiàn)出某些整體的功能。

3、　　 超分子的概念目前已經(jīng)滲透到生物學(xué)、材料學(xué)以及物理學(xué)等領(lǐng)域并且隨之一起發(fā)展，構(gòu)成了超分子科學(xué)(supramolecular science)和超分子技術(shù)（supramolecular technology），而超分子科學(xué)的明顯成就就是導(dǎo)向信息科學(xué)，其表現(xiàn)是有組織的、復(fù)雜的和適應(yīng)的，研究領(lǐng)域從無生命到有生命。這個領(lǐng)域發(fā)展如此之快，以至于科學(xué)家在積極工作的間隙也在駐足冥想，并提出:“超分子化學(xué)，目前在哪里，將要去何方？”這也是20世紀(jì)

4、最后一屆“Supramolecular Science:Where It Is and Where It Is Going”（1998年）會議的主題。超分子化學(xué)之父J.M.Lehn教授曾提出了超分子化學(xué)相關(guān)的三個主題:信息和綱領(lǐng)性(information and programmability);動態(tài)和可逆性(dynamics and reversibility);聯(lián)合性質(zhì)和適應(yīng)性(combinatorial feature and a

5、daptability)。
　　 超分子科學(xué)同時也是研究生物功能、理解生命現(xiàn)象、探索生命起源的一個極其重要的研究領(lǐng)域，同時又是一個發(fā)展迅猛、充滿活力的領(lǐng)域，其交叉學(xué)科的本質(zhì)引起了物理學(xué)家、理論學(xué)家、晶體學(xué)家、無機固態(tài)化學(xué)家、有機合成化學(xué)家、生物化學(xué)家以及生物學(xué)家的廣泛關(guān)注。
　　 本文主要關(guān)注的是超分子化學(xué)中最為重要的研究方面—超分子自組裝。自組裝行為在我們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見，大至星系、云彩、礦產(chǎn)的形成，小至植物的生長、

6、細(xì)胞器的構(gòu)筑等。超分子自組裝行為是如此的普遍，如果我們對自組裝行為進行功能化以體現(xiàn)人為意志，將會產(chǎn)生其他行為手段所不能達到的效果，將對目前主要研究對象為共價鍵連接物質(zhì)的化學(xué)界甚至科學(xué)界產(chǎn)生震動式的影響。超分子功能化自組裝將打破共價鍵合成化學(xué)對各個領(lǐng)域（尤其是材料領(lǐng)域）近百年來的“壟斷”。超分子功能化自組裝，無疑是一個充滿嚴(yán)峻挑戰(zhàn)的課題，更是一個有著廣闊作為的研究領(lǐng)域。
　　 本論文主要由六部分組成，其具體內(nèi)容如下:
　　

7、 (1)發(fā)展了基于超分子催化合成苯并呋咱-N-氧化物的新方法:在中性室溫水體系中，環(huán)糊精作為納米反應(yīng)器超分子催化鄰硝基苯胺的氧化，環(huán)糊精可回收使用，在后續(xù)的催化過程中催化效果未見降低。在核磁氫譜、紅外吸收光譜對比的基礎(chǔ)上，對此反應(yīng)的機理進行了合理的猜測:環(huán)糊精通過氫鍵作用和和疏水-疏水作用與鄰硝基苯胺自組裝成超分子復(fù)合物，在這里環(huán)糊精不僅僅起了超分子相轉(zhuǎn)移催化劑的作用，更是通過氫鍵作用和空腔保護了生成的苯并呋咱-N-氧化物，防止其被過度

8、氧化。超分子功能化自組裝即體現(xiàn)在形成的超分子復(fù)合物過渡態(tài)上?？傊覀兏锍怂釅A、有機溶劑的使用，提供了一種合成苯并呋咱-N-氧化物的綠色新途徑。另外，對傳統(tǒng)的貝魯特反應(yīng)進行了較大幅度的改進，使其更接近綠色化學(xué)的范疇。在良好的收率前提下在水相中進行了貝魯特反應(yīng)，環(huán)糊精可回收使用，在后續(xù)的催化過程中催化效果未見降低。在核磁氫譜(1H NMR)、傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)和紫外可見光譜(UV-vis)實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，對此反應(yīng)的機理進

9、行了合理的猜測。規(guī)避了有機溶劑在反應(yīng)中的使用，進而規(guī)避了爆炸的風(fēng)險，是一條實際操作性較強的路線。另外，在超分子催化領(lǐng)域，首次提出了“共價效應(yīng)”。
　　 (2)研究了一類新型表面活性劑——“超分子型表面活性劑”的設(shè)計、制備、表征和應(yīng)用。合成了九種葸醌烷胺基的衍生物;指出了要形成“超分子型表面活性劑”所需的烷基鏈長度。利用透射電子顯微鏡(Transmission electron microscopy,TEM)、掃描電子顯微鏡（sc

10、anning electron microscopy, SEM）、動態(tài)光散射（dynamic light scattering，DLS）以及熒光共聚焦顯微鏡(epi fluorescence microscopy, EFM)對“超分子型表面活性劑”自組裝形成的囊泡體系進行了充分的表征，其中EFM是首次被利用來表征熒光型囊泡，并觀測到了囊泡明顯的布朗運動。在實驗基礎(chǔ)上提出了基于這種“超分子型表面活性劑”在溶液中構(gòu)筑成為囊泡的機理過程，并指

11、出超分子包結(jié)作用是“超分子型表面活性劑”乃至于其構(gòu)筑的囊泡相的關(guān)鍵因素。基于對囊泡形成機理的考慮，指出這種囊泡應(yīng)該是多重響應(yīng)性和敏感性的，并利用其對外加H+，Cu2+以及外源競爭性客體分子的響應(yīng)來進行了驗證。利用其多重響應(yīng)性、敏感性與熒光型，實現(xiàn)了對活細(xì)胞的熒光染色，效果良好。這是囊泡首次被用來進行細(xì)胞染色，也是囊泡為數(shù)不多的真正實際應(yīng)用的例子之一。
　　 (3)合成了一種具有獨特結(jié)構(gòu)的新型蒽醌衍生物，有可能在染料行業(yè)上有特殊應(yīng)

12、用價值。利用這種葸醌衍生物作為超分子客體，首次研究基于“超分子型表面活性劑”的pH可逆型囊泡體系。利用TEM、SEM、DLS以及EFM對制各的囊泡體系進行了充分的表征。利用UV-Vis、熒光吸收光譜、1H NMR以及二維核磁氫氫相關(guān)技術(shù)，提出了基于這種“超分子型表面活性劑”在溶液中構(gòu)筑成為囊泡的機理過程。通過改變pH值可以控制囊泡的形成與消失，并且過程可逆。這個獨特的性質(zhì)將在智能材料設(shè)計、靶向釋藥等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。成功地將此囊泡體系應(yīng)用到

13、對癌細(xì)胞的染色領(lǐng)域，這個體系比原有染色體系有了更大的改進與提高，其實用價值更為明顯。
　　 (4)合成了新型的β-環(huán)糊精衍生物，成功的將具有強烈熒光性的蒽醌基團通過己二胺偶聯(lián)在環(huán)糊精上，這種分子在熒光探針領(lǐng)域可能也有著廣闊的應(yīng)用前景。它可以在水溶液中通過π-π堆積和氫鍵作用的形式形成納米棒，并通過UV-vis和二維氫氫相關(guān)(2D NMR ROESY)探究了產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。通過加入等摩爾量的β-環(huán)糊精，原來的納米棒可以逐漸轉(zhuǎn)變

14、成囊泡相。對于囊泡，我們利用TEM、SEM、DLS以及EFM進行了表征，并且在利用EFM進行表征的時候發(fā)現(xiàn)并首次報道了有趣的十字花現(xiàn)象。利用UV-vis、2D NMR ROESY、1H NMR以及FT-IR對這個轉(zhuǎn)化過程進行了機理研究。研究了囊泡體系的響應(yīng)性，指出了Cu2+或H+對于囊泡的形成均是不利因素，并且利用UV-vis對此機理進行了研究。設(shè)計的這個體系可能在具有可控和規(guī)則形貌的智能材料、分子機器設(shè)計、生物材料、生命過程模擬以及靶

15、向釋藥等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用。
　　 (5)利用乙二胺偶聯(lián)，合成了另外一種新型的環(huán)糊精和葸醌的偶聯(lián)化合物，可在水溶液中自組裝成囊泡，對囊泡進行了TEM、SEM、EFM及DLS等的充分表征。通過UV-vis、2D NMR ROESY及分子動力模擬給出了囊泡的形成機理。這種囊泡對H+和Cu2+具有刺激響應(yīng)性，在紫外可見吸收光譜的實驗結(jié)果給出了相應(yīng)的機理。這種雙層膜上固載有大環(huán)化合物的囊泡體系可以增溶和負(fù)載疏水性的紫杉醇分子，負(fù)載效率大

16、概為50％。對環(huán)糊精衍生物和紫杉醇的超分子復(fù)合作用進行了研究。在1H NMR、2D NMR ROESY、FT-IR及XRD的實驗結(jié)果上，提出了這種囊泡體系負(fù)載紫杉醇的機理。以兩種人肝癌細(xì)胞為例，對這種負(fù)載有紫杉醇的囊泡體系的抗癌效果進行了研究，該體系在紫杉醇有效濃度低的情況下，卻有更好的抗癌活性，說明這是一種高效的運輸和治療體系，并對該囊泡體系提高藥物效果的原因進行了大膽推測。
　　 (6)成功合成了三種基于萘基團的偶氮籠鎖化合

17、物，并優(yōu)化了反應(yīng)過程.研究了此類化合物結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)偶氮基團連在萘的α位可有效地降低激發(fā)能量，進而可以改進所需激發(fā)光的波長，降低構(gòu)型反轉(zhuǎn)所需能量。成功的將所需要的激發(fā)光的波長區(qū)域轉(zhuǎn)移至可見光區(qū)，使構(gòu)型反轉(zhuǎn)所需能量大幅降低，這將大大拓展此類化合物生物學(xué)上的應(yīng)用范圍。另外磺酸基的引入，大大提高了此類化合物的水溶性，基本實現(xiàn)了在水相中利用可見光操控此類分子。
　　 本論文的主要創(chuàng)新點如下:
　　 (1)利用超分子催

18、化，將原來只能在有機相中發(fā)生的反應(yīng)成功轉(zhuǎn)移到水相中，大幅度優(yōu)化了反應(yīng)條件，催化劑還可以重復(fù)使用，符合綠色化學(xué)的要求，在能源和資源日益緊缺的今天顯得尤為重要。在此基礎(chǔ)上，首次提出了超分子催化中的“共價效應(yīng)”。
　　 (2)研究了基于新型敏感型“超分子型表面活性劑”的敏感型囊泡體系，包括設(shè)計、客體分子合成、囊泡制備及表征、機理提出及驗證、細(xì)胞染色領(lǐng)域的應(yīng)用等。提出了“敏感型”囊泡體系的概念及成因，首次將囊泡體系應(yīng)用于活細(xì)胞染色體系。

19、
　　 (3)首次研究了基于“超分子型表面活性劑”的pH可逆型囊泡體系，進行了充分的形貌表征，提出了囊泡形成及pH可逆的機理，并將此體系應(yīng)用于癌細(xì)胞的染色領(lǐng)域。這種pH可逆型囊泡體系將在抗癌藥物的負(fù)載及靶向運輸領(lǐng)域有潛在應(yīng)用。
　　 (4)合成了新型的葸醌.環(huán)糊精偶聯(lián)體系，并研究了其在水溶液中的自組裝行為:在室溫下可以自組裝成規(guī)整的納米棒的形態(tài)，并且在外加母體環(huán)糊精的誘導(dǎo)下，該納米棒狀結(jié)構(gòu)可以轉(zhuǎn)變成囊泡相。該研究將在人為

20、可控形貌的材料制備、分子機器設(shè)計等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。
　　 (5)合成了另一種新型的葸醌.環(huán)糊精偶聯(lián)體系，并研究了其在水中的自組裝行為。對其自組裝的囊泡進行了充分表征和機理探討。成功地將疏水性極強的抗癌藥物紫杉醇負(fù)載到此囊泡體系中，并且發(fā)現(xiàn)這種負(fù)載藥物的囊泡對癌細(xì)胞的殺滅效果非常好。這會對新型載藥體系的設(shè)計有所啟發(fā)。
　　 (6)合成了新型的光控籠狀分子，對質(zhì)子的光控制釋放研究提升了新臺階:成功地將原來僅對紫外光區(qū)響應(yīng)的