新型超分子化合物的合成分子识别及应用新进展*

张来新，陈　琦

(宝鸡文理学院化学化工学院，陕西宝鸡 721013)



新型超分子化合物的合成分子识别及应用新进展*

张来新，陈琦

(宝鸡文理学院化学化工学院，陕西宝鸡 721013)

摘要：简要介绍了超分子化学的产生发展及应用；重点综述了：①新型超分子化合物的合成及应用；②新型超分子配体的合成分子识别及应用；③新型超分子金属配合物的合成及抗癌作用。并对超分子化学的发展进行了展望。

关键词：超分子化合物，合成，分子识别，应用

超分子化学是化学学科的一门新兴热门边缘学科，是化学学科这棵枝繁叶茂的参天大树上的一个新的分支，是化学发展史上的新的里程碑，是21世纪的朝阳学科。“超分子”一词早在20世纪30年代已经出现，但在科学界受到重视却是50年代之后的事。莱恩1987年在获得诺贝尔化学奖演讲中曾将超分子化学定义为：超分子化学是研究两种或其两种以上的化学物质通过分子间弱相互作用缔结而成的复杂有序且具有特定结构和特殊功能的超越分子体系的科学，故人们称超分子化学的创始人莱恩为“超分子化学之父”。超分子的微观单元是由若干乃至许许多多个不同化合物的分子或离子或其他可单独存在的具有一定化学性质的微粒聚集而成的物种，其聚集数可以确定或不确定，这与化学分子中原子个数严格确定具有本质的区别。把多个组分的基本微观单元聚集成“超分子”的凝聚力是非共价键的分子间作用力。超分子化合物可分为：大环多元醚超分子化合物、杂多酸类超分子化合物、多胺类超分子化合物、卟啉类超分子化合物、树枝状超分子化合物、液晶类超分子化合物、酞菁类超分子化合物等。超分子化学研究的内容主要包括为：分子识别，分为离子客体的受体和分子客体的受体；大环化合物(如冠醚、环糊精、杯芳烃、柱芳烃、索烃、轮烷、咔咯、环蕃、葫芦脲、大环内酯、卟啉、大环席夫碱、C60、树形化合物、大环多胺及其它大环化合物)；生物有机体和生物无机体系的超分子反应性及传输；固态超分子化学，分为晶体工程、二维三维的无机网络；超分子化学中的物理方法；模板即自组装和自组织；分子催化、酶模拟；超分子技术，即分子器件和分子技术的应用等。从某种意义上讲，超分子化学淡化了有机化学、无机化学、生物化学和材料化学之间的界线，着重强调了具有特定结构和功能的超分子体系，并将四大基础化学中的有机化学、无机化学、分析化学和物理化学有机地融为一体，从而为分子器件、材料科学和生物科学的发展开辟了一条崭新的道路。因之超分子化学作为一门植根深远的新兴热门边缘学科，目前已渗透到21世纪的热门学科如生命科学、材料科学、环境科学、能源科学、信息科学、仿生学等领域，并在工业、农业、医药学及国防建设中彰显出广阔的应用前景。

1新型超分子化合物的合成及应用

1.1桦木醛缩氨基硫脲金属超分子配合物的合成及应用

桦木醇是一种羽扇烷五环三萜类化合物，具有消炎、抗病毒、抗肿瘤等功效。缩氨基硫脲基团是含硫酰胺键的特殊希夫碱，其配位能力强、配位形式多样，也具有抗肿瘤、抗菌等生物活性。研究表明，多数缩氨基硫脲金属配合物比其相应的缩氨基硫脲配体具有更好的生物活性[1]。为此，延边大学的张夺等人利用拼合原理将桦木醇骨架与缩氨基硫脲金属配合物进行拼合，以桦木醇为基本骨架，经三苯基氯甲烷进行28号位羟基的保护形成桦木醇三苯基醚，再用乙酸酐与3号位羟基反应成酯，后经28号位 PPTS脱保护，PCC氧化得到桦木醛后，接入硫代氨基脲，最后与金属盐进行反应，制得到了桦木醛缩氨基硫脲银、铜、镉金属配合物，并对其三种金属配合物进行了表征。新合成出的3种桦木醛缩氨基硫脲金属配合物，兼有桦木醇和缩氨基硫脲金属配合物的结构单位，其应具有更强的抗菌活性和抗癌活性。此研究为桦木醇的开发利用，以及其在抗菌、抗癌活性的研究方面提供了基础理论依据[2-3]。该研究将在生命科学、生物化学、生物物理、仿生学及医药学领域得到应用。

1.2一种检测半胱氨酸的可逆型荧光探针超分子配体的合成及应用

硫醇类化合物对生命体起到了非常重要的作用，但是这类化合物非常容易被氧化，从而可引发很多疾病。目前有效快捷的检测硫醇类化合物的方法是荧光探针法，其检测机理主要依靠硫醇诱导探针而引起的不可逆变化。然而，合成一种可逆性靶向半胱氨酸的抑制剂与位点循环作用，可达到反复治疗的目的，并减少了不可逆作用带来的潜在危害[4]。因此可逆型探针可以实时检测溶液中半胱氨酸随浓度的变化情况。为此，延边大学的柳志学等人通过 7-(二乙胺基)香豆素-3-甲醛与丙二酸二乙酯合成了一种识别半胱氨酸的比率型荧光探针(1-Cys)，其测试表明该探针在半胱氨酸浓度为探针的 100 倍时反应达到平衡。然而，当平衡的溶液稀释 10 倍情况下，产物1-Cys紫外吸收峰下降，探针(1-Cys)的吸收强度上升。可逆机理是由于稀释过程中半胱氨酸的浓度下降，导致反应向逆方向进行从而维持了反应的平衡，达到了探针回复的效果。其稀释实验表明反应是可逆反应，可以实时监测半胱氨酸浓度的变化。故该探针可以作为一种很有潜力的检测半胱氨酸的可逆型荧光探针[5]。该研究将在生命科学、生物物理、仿生学及医药学中得到应用。

1.3NO供体与氯硝柳胺分子偶联的合成及应用

氯硝柳胺是一种杀血吸虫宿主——钉螺的最有效农药，把 NO 供体分子连接到氯硝柳胺分子中，可以提高其药效性，并减少毒副作用。为此，赣南师范学院的黄庆等人用对氯苯硫酚与一氯乙酸在氢氧化钠的乙酸溶液中反应得对氯苯硫基乙酸(A)，然后用30%的双氧水将化合物A氧化成对氯苯磺酰基乙酸，再与浓硝酸反应合成NO供体(B)，NO 供体与氯硝柳胺分子进行偶联，得 NO 供体与氯硝柳胺杂合药物分子(C)，该C化合物具有比原来药物分子有更好的药效性和稳定性，其既可减少副作用，又可提高药效时间[6]。

1.4几种双二酮桥联双核氧钒(Ⅱ)超分子配合物的合成及应用

由于金属配合物的稳定性和良好的脂溶性，易于渗入细胞，与病毒的核酸进行各种化学反应，因而是一种潜在有效的杀菌药物。当金属配合物进入细胞与细菌的微量金属生成药物-金属-酶的混合物配合物阻止病毒的复制时，同时，细菌的核酸和蛋白又是极好的配位体，可以和从金属配合物中释放出来的金属离子作用，使一些官能团失活。考虑到金属桥联多核结构广泛存在于生物体的金属蛋白及金属酶中，它们对生物体有着微妙的生物活性，宜春学院的李文等人以二苯甲酰甲烷(dbm)为端基配体，3，4-二乙酰-2，5-己二酮(diacac)、4，4′-联苯二乙酰丙酮(bphdiacac)和 9，10-蒽-3，3′-双(1，3-戊二烯-2，4-二醇)(andiacac)三种双β-二酮为桥联配体，自组装了三种双核金属氧钒配合物，并用浓度稀释法对它们的抑菌活性进行测试，实验结果表明，所有受试样品均具有一定的抑菌活性。在四种配体中，dbm 和 diacac 的抑菌活性最强；金属配合物的抑菌活性比配体抑菌活性强，抗菌性也比配体广泛，并且对唾液乳杆菌的最小抑菌浓度均大于 500g/mL，说明金属离子对配体的抑菌性能起到了增强效应[7]。该研究将在生命科学、生物化学、生物物理、仿生学及医药学中得到应用。

2新型超分子配体的合成分子识别及其应用

2.1高选择性离子比色-荧光传感器超分子的设计合成及应用

离子识别研究在化学、生命科学和环境科学等领域有着广阔的应用前景。目前该领域的研究热点是如何提高对客体离子的识别选择性、灵敏性和在纯水相中的检测能力。为了解决上述问题，西北师范大学的魏太保等人在该领域多年研究工作的基础上从主体分子的设计，识别机理的改进和水溶性调节等方面做了许多针对性的研究，得到了一些能高选择性高灵敏度识别氰根离子、氟离子、汞离子和镉离子等有毒或重金属离子的传感器分子，其内容主要体现在以下几个方面：(1)提出了一种新颖的通过竞争超分子自组装识别氰根的识别机理，实现了纯水中对氰根单一选择性的荧光识别，并制备了相应的氰根检测试纸；(2)设计合成了一种基于酰腙基和苯并咪唑基的传感器分子，通过亲核加成反应高选择性高灵敏度瞬时检测氰根，检测灵敏度达 2×10-9mol/L，并制备了相应的氰根检测试纸；(3)用绿色合成的方法在纯水中反应合成了一类含二腈乙烯基识别位点的传感器分子，能高选择性识别氰根离子；(4)设计合成了一系列芳基咪唑并吩嗪类传感器分子，实现了对汞离子、铁离子和磷酸二氢根离子的高选择性识别，并制备了相应的离子检测试纸；(5)设计合成了一系列羧酸及其衍生物功能化的苯并咪唑类传感器分子，实现了对铁离子、氟离子和氰根的高选择性高灵敏度检测，检测灵敏度达 2×10-10mol/L，并制备了相应的检测试纸和分子键盘[8]。该系列研究将在分析分离科学、生命科学、环境科学及医药学研究中有着广阔的应用前景。

2.2以酚羟基作为识别位点的BODIPY基阴离子荧光探针的设计合成识别性能及应用研究

具有分子识别功能的荧光探针分子的设计与合成是当今超分子化学领域研究的热点之一。作为一类重要的有机荧光染料，氟硼荧(BODIPY)类化合物及其荧光探针研究倍受关注。通过分子设计，有效组合各种不同的活性单元制备的功能化 BODIPY 类荧光探针已应用于质子、金属离子、阴离子、有机分子和气体分子检测。为此，中国科学院兰州化学物理研究所的李欠等人将酚羟基基团引入到 BODIPY 骨架中，设计合成了系列含有酚羟基的 BODIPY 类阴离子荧光探针，使酚羟基基团与荧光分子 BODIPY 通过 C=N 双键共价连接，研究了酚羟基所处位置不同、取代基对识别性能与传感机制的影响。即当酚羟基处于邻位时受体可以通过分子内氢键形成稳定的六元环结构，只有电负性最强的氟离子可以打破分子内氢键，竞争性与受体酚羟基通过氢键结合；当在该受体中引入供电子基团时，可以有效改变受体的电子特性，增强分子内氢键，而此时只有硫酸氢根离子可以打破分子内氢键，形成新的多重氢键体系，有效抑制受体的 PET 过程，导致受体荧光增强。该研究将为新型高效 OFF-ON 型荧光探针分子的设计提供了新思路[9]。

2.3类Salen超分子配体的合成分子识别及应用

分子识别是当今超分子化学研究的重点和热点。而Salen配体一般以C=N为标志，其中C=N是由两分子的醛基和一分子二胺发生脱水缩合反应而得到的。随着研究的深入，如果将N原子换做其它杂原子，则可得到一些类Salen配体，这些结构新颖的类Salen配体[10]及其配合物有望通过配位原子的改变或化合物对称性、手性等的变化提供更为广阔的应用前景，且具有重要的理论意义和实践价值。为此，河北工业大学的王咏梅等人以醛类和二胺类化合物作为起始原料，通过分子间缩合反应制得了2种类Salen配体，并通过溶剂自由挥发法得到并解析了它们的单晶结构。通过紫外光谱测试可知，2种配体与 Cu(Ⅱ)的配合物对含氮的小分子咪唑、N-咪唑(N-MIm)等具有较明显的识别性能[11]。该研究将在分析分离科学、环境科学、生命科学及医药学等领域得到应用。

3新型超分子金属配合物的合成及其抗癌作用

碳水化合物是生命体重要的能量供给体，是构筑 DNA 和 RNA 的骨架，是复杂脂质和蛋白质的重要组成部分。碳水化合物不仅是有机生命体营养三大要素之一，而在许多的药物中，如许多抗生素和抗癌药物分子中均包含碳水化合物单元。因此，将碳水化合物单元引入金属铂配合物中，有望得到具有更好生物活性、较低毒性和水溶性的铂配合物。为此，福建师范大学的施继成等人将N，N-双(甲基 3-脱氧-4，6-O-苄叉基-α-D-阿卓吡喃糖苷-3-基)乙二胺与 cis-Pt(DMSO)2C12在甲醇中室温下反应48h后，TLC 发现原料点完全消失。减压蒸除 70%溶剂，过滤，在空气中静置得黄色片状晶体(产率 79%)。通过对黄色片状结晶的表征，得到的是一种手性二胺配位二氯化铂二聚超分子络合物。该二聚铂络合物中存在多种氢键作用。初步抗癌活性测定发现，该化合物对白血病细胞K562 的生长有一定抑制作用。该研究将在生命科学、环境科学、生物化学、仿生学及医药学中会得到应用。

综上所述，超分子化学是一门处于近代化学、材料化学和生命科学交汇点的新兴热门边缘学科。目前超分子化学的学科体系正在形成，并与生命科学、信息科学、材料科学与纳米科学组成新的科学群，推动着世界科学与技术的发展。多学科的交融、交叉与碰撞产生的超分子科学必然会成为21世纪新思路、新概念与高新技术发展的一个重要源头。2005年《世界科学中的中国》研究报告显示，在超分子化学—分子自组装研究领域，中国南开大学发表SCI论文数量已挤身世界4强(仅次于德、英、法)，并超越日本东京大学等院校位于亚洲首位。我们坚信，随着世界科学工作者对超分子化学研究的不断深入，超分子化学这朵含苞待放的艳丽之花必将在人类文明进步、生活生产及可持续发展的伟大事业中结出更丰硕的成果，为人类幸福安康、科学的发展进步做出更大的贡献。

参考文献

[1] Synthesis and Ribonucleotide reductase inhibitory activity of thiosemicarbazones[J]. Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters，2008，18 (23)：6248-6250.

[2] 张夺，林汉，韩荣弼.桦木醛缩氨基硫脲金属配合物的合成[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.吉林延边：延边大学，2014：224-225.

[3] Gupta S C，Kim J H，Prasad S，et al. Regulation of survival，proliferation，invasion，angiogenesis，and metastasis of tumor cells through modulation of inflammatory pathways by nutraceuticals[J]. Cancer Metastasis Rev.，2010，29(3)：405-434.

[4] Serafimova I M，Pufall M A，Krishnan S，et al. Reversible targeting of noncatalytic cysteines with chemically tuned electrophiles[J]. Nature chemical biology，2012，8(5)：471-476.

[5] 柳志学，周鑫.一种检测半胱氨酸的可逆型荧光探针[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.吉林延边：延边大学，2014：226-227.

[6] 黄庆，张熊禄.NO供体与氯硝柳胺分子偶联的合成研究[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.吉林延边：延边大学，2014：200-201.

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[8] 魏太保，史兵兵，张鹏，等.高选择性离子比色-荧光传感器分子的设计合成及性能[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.吉林延边：延边大学，2014：44-45.

[9] 李欠，邵士俊.以酚羟基作为识别位点的BODIPY基阴离子荧光探针[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.吉林延边：延边大学，2014：80-81.

[10] Borisova N E，Reshetova M D，Magdesieva T V，et. al. Influence of ligands’ peripheral substituents on the structure，magnetochemical and electrochemical behaviour of complexes containing a Cu2O2butterfly core[J]. Inorg. Chim. Acta，2008，361(7)：2032-2044.

[11] 王咏梅，崔金龙，段中余，等.类Salen配体的合成、单晶结构及分子识别研究[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.吉林延边：延边大学，2014：69-70.

[12] 史继成，冯延芳.多种氢键作用的二聚手性Pt(Ⅱ)络合物的合成、结构及抗癌活性[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.吉林延边：延边大学，2014：84-85.

Synthetic Molecular Recognition and Recent Applications of New Supramolecular Compounds

ZHANG Lai-xin，CHEN Qi

(Chemistry & Chemical Engineering Department，Baoji University of Arts and Sciences，Baoji 721013，Shaanxi，China)

Abstract：The generation，development，and applications of supramolecular chemistry were introduced briefly in this paper. Emphases were put on from three parts：①synthesis and applications of new supramolecular compounds；②synthetic molecular recognition and applications of new supramolecular compounds；③synthesis and anticancer effect of new supramolecular metal complexes. Future developments of supramolecular chemistry were prospected in the end.

Key words：supramolecular compounds，synthesis，molecular recognition，application

*基金项目：陕西省重点实验室科研计划项目(2010JS067)；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)

中图分类号：TQ 61