新型大环主体化合物柱芳烃的合成及应用

张来新，马 琳

新型大环主体化合物柱芳烃的合成及应用

张来新，马 琳

（宝鸡文理学院 化学化工学院，陕西 宝鸡 721013）

介绍了柱芳烃的产生、发展、应用及结构特征，详细综述了：新型柱芳烃的合成与性能研究；新型柱芳烃的超分子自组装及应用；新型柱芳烃的合成及在医药中的应用。并对柱芳烃的发展进行了展望。

柱芳烃；合成；应用

柱芳烃(柱[n])作为一类大环分子于 2008年被Ogoshi首次合成报导[1]，它是由对苯二酚通过亚甲基桥接在苯环的对位连接而成的一类大环低聚物。它以其新颖的柱形结构，独特的主客体性质和高度可调性的功能化特性引起了人们极大的研究兴趣。正由于柱芳烃化合物具有由苯环围绕起来的对称的柱状结构，故取名“柱芳烃”。近年来，科学家对柱芳烃的合成方法、柱芳烃分子的功能化、柱芳烃分子的主客体化学、柱芳烃分子传感器的制备、柱芳烃的性能及自组装进行了深入研究。现今对柱芳烃的研究重心正在朝着基于这类新型大环受体分子的分子识别与组装的方向发展。研究表明：柱芳烃在21世纪的热点学科如生命科学、材料科学、环境科学、能源科学、信息科学等领域均有着广阔的应用前景，同时在工业、农业、国防、医药学各领域也彰显出巨大的应用潜力。目前已成为一门新兴的热门边缘学科-柱芳烃化学。

1 新型柱芳烃及其衍生物的合成与性能研究

1.1 柱芳烃糖类衍生物的合成及其性能研究

近年来，柱芳烃作为一类新型大环分子在超分子化学领域越来越受到人们的关注。由于柱芳烃具有独特的对称结构，分子构型相对刚性，与其它传统大环分子相比，它更易于进行化学修饰，故许多相关的新型衍生物相继问世[2,3]。特别是柱芳烃在分子识别、自组装、超分子聚合等领域的研究中取得了众多优秀成果。目前多数柱芳烃分子的衍生物都是非水溶性的，为了扩大这一类化合物在水溶液中的应用范围，国家纳米科学中心的李慧等人以柱芳烃为骨架，通过引入八十个糖基，得到了水溶性的柱芳烃衍生物，并与富勒烯分子分别在水溶液和有机溶液中进行了主客体识别等相关研究[4]。该研究期望能在材料科学、环境科学、及医药学研究中得到应用。

1.2 蒽柱[5]芳烃/离子液体温敏开关的设计合成

特定功能分子开关的设计合成是超分子化学中的一个研究热点。华中师范大学的毕家海等人设计合成了一种荧光蒽柱[5]芳烃(A)，通过单晶衍射和核磁共振确定了其结构。并研究了其与离子液体的作用，通过变温核磁共振和荧光等表征手段测试了其温度响应的性质。在30℃下主客体作用后化学位移有明显的变化，而当温度升高到780C后主客体的核磁共振没有任何变化。而且柱[5]分子的荧光也随着温度的升高而发生猝灭。因此说明化合物(A)与离子液体在常温下有包结作用而在高温下发生脱包作用[5]。该研究期望能在材料科学、生命科学、信息科学、温敏开关及医药学中得到应用。

1.3 “巯基-烯”点击反应合成水溶性柱[5]、柱[6]芳烃

水溶性大环主体化合物的合成是超分子化学研究领域的重要目标之一，柱芳烃作为一种新颖的主体化合物在主客体识别中具有十分独特和重要的地位及作用。给柱芳烃分子中引入羧基或氨(铵)基这些亲水基后，能够增加其在水中的溶解度，并在水中识别多种客体化合物。目前文献报道通常是给全羟基化的柱芳烃中引入酯基，再水解后得到羧基。这样需经过5步反应得到目标化合物。华中师范大学的马俊凯等人，从柱芳烃单体出发，经过“巯基-烯”点击反应共2步高产率合成了一系列水溶性柱[5]、柱[6]芳烃衍生物[6]。该方法具有产率高、反应快、引发剂用量少、反应后处理简单和底物适应性广等优点。这样的超分子主体化合物在当前提倡“环境友好化学”的背景下，对于识别水溶性客体具有重要意义。

2 新型柱芳烃的超分子自组装及应用

2.1 柱[5]芳烃对中性烯烃和炔烃客体的选择性键合

烯烃和炔烃是重要的化工原料，因此能够通过柱芳烃对烯烃和炔烃具有选择性键合作用，便可能提供一种分离提纯烯烃和炔烃的新方法，同时拓展了柱芳烃对各种中性客体的识别范围。为此，上海大学的王晓阳等人对柱[5]芳烃主体与客体烯烃和炔烃之间的相互作用进行了系统的研究，对键合的驱动力也进行了深入的探讨。通过核磁谱图的对比，键合常数的横向和纵向分析，以及结合主客体络合物的单晶结构和数据进行佐证，总结出了柱[5]芳烃与烯烃和炔烃的选择性识别规律[7]。该研究在分析分离科学、材料科学及环境科学的研究中将得到应用。

2.2 羧基柱[5]芳烃量子点设计合成及赖氨酸选择性可逆响应

量子点荧光传感器是近年来研究的热点。华中师范大学的石方丹等人通过巯基点击设计合成了一种羧基柱[5]芳烃[WP5]，并且通过核磁研究了其与赖氨酸的相互作用，他们利用这种主客体体系构建了一种超分子量子点材料，通过柱芳烃与赖氨酸的包结作用，把柱芳烃从量子点表面竞争下来，从而实现对赖氨酸在溶液和宏观形态上的选择性响应[8]。该研究将在分析分离科学、生命科学、环境科学及材料科学的研究中得到应用。

2.3 柱[6]芳烃紫外响应的超分子两亲化合物的合成自组装以及在多壁碳纳米管分散中的应用

柱芳烃作为一类新颖的大环主体化合物，到目前为止，主要研究工作集中到柱[5]芳烃和柱[6]芳烃的合成、主客体化学以及自组装等方面展开。浙江大学的杨杰等人选择了两亲性的含官能团2-硝基苯酯的和芘的分子G作为客体，由于G在水中具有很强的-堆积作用，它能自组装形成二维的纳米片。加入柱[6]芳烃(WP6)后，在静电相互作用及亲疏水相互作用的驱动力下，G和WP6相互作用形成准轮烷结构。由于位阻和WP6之间的静电相互作用，纳米片转变成为500 nm左右的纳米棒。另一方面，G具有UV响应性，这种纳米棒到纳米片的转换可以实现UV调控。芘基团在水中能够与碳纳米管形成很好的-堆积作用，因此可进一步把这种主客体识别应用于多壁碳纳米管的分散[9]。

3 新型柱芳烃的合成及在医药学中的应用

3.1 柱芳烃的超分子囊泡用于抗癌药物的转运研究

纳米药物系指将药物包封于纳米载体中，此类药物在相对于传统的游离药物而表现出多方面的治疗优势，即有较高的疗效和生物利用率以及较小的毒副作用。因此，开发可以主动或被动靶向癌细胞的“智能”型药物转运体系是非常有意义也极具挑战性的研究工作。为此，南京大学的胡晓玉等人成功的构筑了基于水溶性柱[6]芳烃(WP6)和偶氮苯衍生物(G1和G2)的具有pH和UV双重刺激响应的首例超分子纳米载体，包括：1）由WP6G1复合物形成的分子囊泡，它表现出显著的pH和UV刺激响应性；2）由WP6G2复合物形成分子胶束，但该胶束结构不稳定，可以逐渐转化成具有液晶性质的层状结构。而WP6G1超分子囊泡可以实现对抗癌药物米托蒽醌(MTZ)的高效包封(包封率达76%)，同时，药物释放实验表明，所得到的载药囊泡在酸性或UV刺激下将所负载的 MTZ快速且高效地释放出来。更重要的是，细胞毒性试验表明，MTZ被该超分子囊泡体系包封后不影响 MTZ的药效，载药囊泡表现出与游离药物几乎相同的抗癌效果尤其是在UV刺激响应下；但其对正常细胞的毒副作用却明显降低了。该研究充分证明该超分子囊泡是非常理想的药物转运体系，因此在开发新型抗癌药物制剂方面具有潜在而广阔的应用前景[10]。

3.2 荧光型柱[5]芳烃的合成及其对农药分子的选择性识别作用

设计合成一种新型功能化柱[5]芳烃衍生物作为主体分子，并研究其在分子识别上的应用，具有重要的理论意义和实用性，同时也是超分子化学研究的热点和亮点。为此，华中师范大学的曹贤梁等人通过经典的Williamson反应，将4-甲基-7-羟基香豆素与柱[5]芳烃衍生物(A)，通过亲核取代反应，成功的合成了荧光型柱[5]芳烃衍生物[11]。并通过荧光、质谱、NMR研究了其对磷胺类农药分子的识别性能。结果表明，甲基对硫磷能够使(A)发生明显的荧光猝灭，说明了荧光型柱[5]芳烃衍生物(A)对甲基对硫磷有较好的选择性识别。该研究将在农药检测方面具有较好的应用前景。

综上所述：自2008年Ogoshi和Nakmoto等报导了一种通过对位桥联苯酚形成的结构对称的柱形大环超分子主体化合物-柱芳烃后，目前已合成和研究的柱芳烃主要是五元(五棱柱形)和六元(六棱柱形)结构。由于其独特的化学性质和空间结构，目前在超分子组装、超分子催化、分子识别、分子机器、分子马达、分子开关、离子通道、缓释剂及分子器件功能材料、超分子生物学、纳米科学、贵金属回收、超分子药物等领域凸现出广阔的应用前景。其研究重心已朝着这类新型大环受体分子的分子识别与自组装和智能材料的开发方向发展。即其发展方向有如下几个方面：(1)合成出更多元的柱芳烃及其衍生物，增强其主客体包合和分子识别的选择性，创造更多的应用价值；(2)在主客体包合和分子识别领域，开发更多的具有水溶性的柱芳烃，扩大水相分子识别种类，以实现在环境化学、环境保护、环境监测及水处理等领域的应用；(3)在“锁式”结构的构筑中，制备一些常见的“锁式”结构-索烃；(4)更进一步开发柱芳烃在超分子催化、生物模拟等领域的应用。

［1］Ogoshi T, Kanai S, Fujinami S, et al. para-Bridged Symmetrical Pillar[5]arenes: Their Lewis Acid Catalyzed Synthesis and Host– Guest Property[J]. J. Am. Chem. Soc., 2008, 130(15): 5022-5023.

［2］Dong S, Zheng B, Yao Y, et al. LCST-Type Phase Behavior Induced by Pillar[5]arene/Ionic Liquid Host–Guest Complexation[J]. Adv. Mater.,2013, 25: 6864-6867.

［3］Yang F, Chen Q, Cheng Q Y. Sugar-Functionalized Water-Soluble Cyclotriveratrylene Derivatives: Preparation and Interaction with Fullerene[J]. J. Org. Chem., 2012, 77(2): 971-976.

［4］李慧,陈琦,韩宝航.新型柱芳烃及衍生物的合成与性能研究[C].全国十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集.吉林延吉:边大学,2014-08：110-111.

［5］毕家海,田德美,李海兵.蒽柱[5]芳烃/离子液体温敏开关的设计合成[C].全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集.吉林延吉:延边大学,2014-08：108-109.

［6］马俊凯,田德美,李海兵.“巯基-烯”点击反应合成水溶性柱[5]、柱[6]芳烃[C].全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集.吉林延吉：延边大学，2014-08：106-107.

［7］王晓阳,贾学顺,李春举.柱[5]芳烃对中性烯烃和炔烃客体的选择性键合[C].全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集.吉林延吉：延边大学，2014-08：78-79.

［8］石方丹,田德美,李海兵.羧基柱[5]芳烃量子点设计合成及赖氨酸选择性可逆响应[C].全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集.吉林延吉：延边大学，2014-08：101-102.

［9］杨杰,黄飞鹤.基于柱[6]芳烃紫外响应的超分子两亲化合物:合成、自组装以及在多壁碳纳米管分散中的应用[C].全国第十七届大环化学暨第 九届超分子化学学术讨论会论文集.吉林延吉：延边大学，2014-08：270-271.

［10］胡晓玉,曹煜,王乐勇.基于柱芳烃的超分子囊泡用于抗癌药物转运[C].全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集.吉林延吉：边大学，2014-08：104-105.

［11］曹贤梁,张凡,田德美,等.荧光型柱[5]芳烃的合成及其对农药分子的选择性识别[C].全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论集.吉林延吉：延边大学，2014-08：101-102.

Synthesis and Application of New Macrocyclic Host Compounds-Pillararenes

ZHANG Lai-xin, MA Lin
（Department of Chemistry & Chemical Engineering, Baoji University of Arts and Sciences, Shaanxi Baoji 721013, China）

Synthesis, development, application and structure features of pillararenes were introduced. Three aspects were discussed, such as synthesis and characteristics of new pillararenes, supramolecular self-assembly and application of new pillararenes, application of new pillararenes in medicine. Development trend of the pillararenes was prospected.

Pillararenes; Synthesis; Application

TQ 241.4

： A

： 1671-0460（2015）04-0723-03

陕西省植物化学重点实验室基金资助项目（09JS066）；陕西省教育厅自然科学基金资助课题(04JK147)；宝鸡文理学院自然科学基金资助课题(zk12014)。

2014-11-01

张来新（1955-），男，陕西周至人，教授，1979年毕业于宝鸡师范学院化学系，研究方向：大环化学。E-mail：zhanglx1215@sina.com。