新型柱芳烃的合成及在分析分离科学和医药学中的应用*

陈 琦

(宝鸡文理学院 化学化工学院，陕西 宝鸡 721013)

柱芳烃的发现源于2008年Ogoshi和Nakamoto等的报道。由于该类化合物是由对苯二酚或对苯二酚醚通过亚甲基桥联在苯环的对位连接而成的“柱”型环状低聚物，故俗称柱芳烃。由于柱芳烃同时兼备了多种已有大环超分子主体化合物的特点和优势性能，如其化学组成和性能上类似于杯芳烃；也由于其具有高度对称的空间结构和空腔，又可以不经过复杂修饰就能够识别特定结构的客体分子和金属离子，故它对客体分子的识别能力又类似于葫芦脲(或叫瓜环)；由于其桥联苯环结构两侧含有羟基等易于修饰的位点，使其在化学修饰方面又类似于环糊精；由于柱芳烃合成简单，提纯方便，又兼备了多种大环主体化合物的结构特征和优势的化学特性，因而使其在21世纪的热点领域，如生命科学、环境科学、能源科学、材料科学、纳米科学、信息科学、分子机器、分子器件、光电智能材料、荧光探针、分子识别、自组装、主客体化学、超分子化学等领域有着广阔的应用前景。不仅如此，其在经典学科如化学、生物化学、生物物理、仿生学及原子能科学等领域也用途广泛。同时在工业、农业及国防等领域也有着潜在而重要的应用价值。由于柱芳烃研究的蓬勃发展现已成为一门新兴的热门边缘学科——柱芳烃化学。

1 新型柱芳烃的合成及应用

1.1 利用低温共熔溶剂法合成柱[n]芳烃(n=5,6)及应用

改进柱芳烃同系物的合成与分离方法是柱芳烃领域研究的热点之一。低温共熔溶剂(简称DES)作为一类新型离子液体，具有绿色、 环保、无毒和可再生等优点，其可以作为路易斯酸催化剂和反应媒介，应用于许多反应以加快反应速度和提高产率。其中应用最广泛的是氯化胆碱类的DES[1]。为此，武汉大学的吴晨晨等利用低温共熔溶剂具有路易斯酸的性质，将其引入到合成柱芳烃的反应中，这样既拓宽了DES的应用范围，又寻求到了合成柱芳烃的新方法和新思路。为此，选用模板反应，利用氯化胆碱和无水氯化铁(物质的量比为1∶3)合成的Lewis酸型低温共熔溶剂催化1,4-二乙氧基苯和多聚甲醛进行反应，其反应条件温和，并可以高选择性、高效率地制备柱[5]芳烃和柱[6]芳烃[2]。该研究将在有机合成化学、催化科学及材料科学的研究中得到应用。

1.2 在溶剂和温度控制下合成柱芳烃类衍生物的手性逆转及应用

手性特征在自然界生命现象中普遍存在，在生命科学中也具有重要意义。通过超分子非共价作用来调控分子的构象和实现分子的动态响应及生化功能具有重要的理论和应用前景。分子或超分子手性结构在不对称合成、液晶、分子器件、分子机器及非线性光学等方面具有重要的应用价值。通过一些外部刺激，如溶剂极性[3]、温度[4]、金属离子[5]、化学计量比[6]等条件的改变可以实现研究体系中超分子手性的逆转。为此，四川大学的姚家斌等合成了一类柱芳烃与冠醚或烷烃结合的大环主体分子，通过手性拆分分别得到各自的一对对映异构体，单晶结构证实了其绝对构型。这类主体分子对不同极性溶剂分子和外部温度刺激具有动态响应的特征，通过改变外部非手性环境，实现了这类主体分子的构象控制和手性逆转，即实现了R和S型的相互转变，推测这是溶剂分子与柱芳烃空腔以及侧链冠醚或烷烃结构之间综合作用得到的结果[7]。同时还发现不同温度下也会发生手性逆转，其热力学数据分析表明，该手性逆转现象为熵驱动的平衡现象。该研究将在手性合成、生命科学、材料科学、分子器件、分子机器及非线性光学等研究中得到应用。

2 新型柱芳烃的合成自组装及在分析分离科学中的应用

2.1 氧化膦柱[5]芳烃的合成及在离子液体中的萃取性能研究

近年来，柱芳烃在液-液萃取分离上，特别是对镧锕系离子的萃取分离方面展现出优良的选择性和高效性，但目前萃取体系仅限于分子溶剂体系[8-10]。离子液体作为一种较为绿色的溶剂在液-液萃取中得到了广泛应用，如四川大学的陈黎熙等将柱芳烃首先用离子液体中对金属离子进行萃取分离。即首先设计合成了氧化膦柱[5]芳烃，并发现氧化膦柱[5]芳烃在二氯甲烷为溶剂时对铀酰离子表现出良好的萃取能力和选择性能，还研究了其在1-甲基-3-辛基咪唑三氟磺酰亚胺离子液体中的萃取性能。结果表明，在离子液体中，氧化膦配体与铀酰离子的络合比为1∶1，萃取性能在一定酸度范围内比在二氯甲烷中提升较多，萃取行为遵循阳离子交换机理，且离子液体在萃取过程中发挥了协同作用。该研究将为柱芳烃在镧锕系元素分离应用上提供新的溶剂萃取体系[11]，也将在环境科学、分析分离科学及贵金属回收中得到应用。

2.2 功能化柱[5]芳烃与铁配合物的合成及对氟离子的荧光检测

基于柱芳烃及其衍生物的超分子功能材料可应用于包括细菌病毒抑制、有机光功能材料、超分子聚合物材料、药物控释、人工跨膜传输通道、多壁碳纳米管的分散、生物传感与成像、农药检测等多个研究领域，西北师范大学的苏军霞等将柱芳烃用于离子识别，实现了氨基苯并咪唑功能化的柱[5]芳烃和金属Fe3+形成金属配合物对F-的选择性识别，并通过核磁、质谱、荧光、红外等进行了表征。结果表明，金属配合物对F-具有很好的单一识别效果，其最低检测限可达2.50×10-7mol/L，且该荧光传感器可以循环5次以上，可作为很好的对F-单一选择的荧光传感器[12]。该研究将在材料科学、环境科学、生命科学、分析分离科学及医药学研究中得到应用。

2.3 柱[5]芳烃的氰根传感器承接的新型氰根诱导自组装行为及应用

近年来，柱芳烃在分析分离科学中的应用越来越受到人们的关注，为此，西北师范大学的程晓斌等设计合成了一种新型的基于氰根传感器的共聚柱[5]芳烃(PQ5)，它连接的8-羟基喹啉可作为识别位点和信号基团，通过利用一种新型的氰根诱导自组装机理，实现了这种基于柱[5]芳烃的传感器在水相中高的选择性和灵敏性。当把氰根加入到PQ5的溶液中，有强的黄绿色荧光出现。其中，PQ5对氰根的荧光最低检测限是1.08×10-8mol /L，他们还制备了PQ5检测性试纸，可用于定量检测氰根。另外，他们还将其用于生活中的食品检测，即利用PQ5检测发芽土豆提取物中的氰根。显然基于这种传感器所提出的氰根诱导自组装机理是一种新型的策略和方法[13]。该研究将在分析分离科学、化学传感器科学、环境科学及食品分析科学中得到应用。

3 新型柱芳烃的合成及在医药学领域的应用

3.1 新型水溶性柱芳烃的合成及超分子药物运转作用

柱芳烃作为新一代超分子主体大环化合物[14]，凭借其优异的性能已被广泛应用于纳米材料、 超分子聚合物、液晶、药物转运等领域。为此，南京大学的刘昕等人设计合成了具有良好生物相容性的新型磷酸盐柱[5,6]芳烃(WP5P 和 WP6P)以及吡啶烷基链客体分子(G)。将WP5P和WP6P分别与G在不同位点进行结合，得到具有不同亲-疏水比例的超分子两亲体，并在水中进一步组装得到具有不同纳米结构的聚集体。WP5P与G在水中自组装形成胶束，而WP6P与G 在水中可以组装得到囊泡，这两种纳米粒子均具有Zn2+和pH的响应性。自组装形成的胶束可用于疏水性抗癌药物多柔比星(DOX)的包载，而囊泡则可以包载亲水性抗癌药物米托蒽醌(MTZ)，并能够在Zn2+以及酸性环境下将所包载的药物释放，达到对抗癌药物的可控释放。与此同时，体外细胞实验证实载药粒子与裸药相比具有较低的生物毒性以及相似的抗癌活性[15]。该研究将在材料科学、纳米科学、主客体化学、超分子化学及医药学领域得到应用。

3.2 超分子囊泡的构筑与调控对温度和氧化的响应性及应用

利用主体作用的两亲性超分子两嵌段共聚物构筑的超分子聚合物囊泡已成为生物医学领域中一种潜在的纳米载体，它可响应于多种外部刺激，包括 pH值、光、电压、温度以及氧化还原，从而实现对染料、抗癌药物的控制释放。近年来，南京大学的王赛等报道了超分子大环主体柱[6]芳烃与二茂铁/二茂铁鎓离子客体衍生物在有机相和水溶液中的主客体作用，并研究了其构筑的用于药物传递的囊泡和水凝胶[16-18]。在此基础上，他们还进一步研究了柱[6]芳烃末端修饰的聚(N-异丙基丙烯酰胺)聚合物主体(PNIPAM-BP[6])与二茂铁末端修饰的聚乙二醇单甲醚聚合物客体(mPEG-Fe)在 37 ℃水相中正交自组装形成的两亲性超分子两嵌段共聚物 PNIPAM-BP[6]⊃mPEG-Fe，且成功地构筑了超分子聚合物囊泡，并发现该囊泡因主体聚合物在不同温度下的溶解度变化规律和客体聚合物上二茂铁基团的氧化刺激而表现出良好的温度和氧化响应性。更为重要的是，该超分子聚合物囊泡能够进一步应用于抗癌药物(DOX·HCl)的包载和控制释放[19]。该研究将在医药学、纳米科学、超分子化学、主客体化学、材料科学及生命科学的研究中有着极大的应用潜力。

3.3 新型水溶性柱[5]芳烃诱导的主体对超分子双亲体的光降解催化剂的应用

光作为一种非侵入的外界刺激，是调控分子组装微观结构和相关理化性质的高效手段。由于光降解材料在生物医学、组装工程等方面的巨大应用潜力而备受关注，且由于超分子组装体构建的光降解材料可以实现更加良好的调控。为此，南京大学的郭书文等人设计合成了水溶性羧酸钠盐柱[5]芳烃(WPS)和一个两端为季铵盐、中间为光学活性的9,10-烷氧基蒽基团的客体(G)，WPS可诱导G组装体形成具有单分子层的Bola型囊泡。并发现WP5诱导G组装后，组装体中的G在紫外光照射下的分解速度大大加速，即明显高于单独的客体G在相同浓度下的分解速度。同时结合曙红Y(ESY)和9,10-烷氧基蒽基团之间具有良好的π-π堆积作用，从而实现了WPS、G和痕迹ESY的共组装，进而证实了一个在可见光照射下而降解的组装体，结果使这一共组装体实现了对模型药物米托蒽醌的包载[20]。该研究将在医药学中的光治疗、生物医学、组装工程学、材料科学、生物化学、催化科学等领域有着潜在而广阔的应用价值。

4 结束语

综上所述，由于植根深远的柱芳烃具有对水和空气不敏感、有较强的稳定性、易于功能化、制备简单、提纯方便、对紫精衍生物和四级铵盐等客体分子均有良好的键合能力，因而展现出良好的主客体化学性能和无处不在的广泛用途。现今由于柱芳烃研究的蓬勃发展，促进了上述众多新学科的形成和发展，它们之间相得益彰、互相促进。作者认为，未来的柱芳烃研究将朝着如下几个方面发展。(1)通过模板法和空间位阻效应来合成出空穴尺寸更大的柱芳烃分子；(2)合成出更多的手性柱芳烃衍生物以用于手性识别和手性催化中；(3)合成出更多的柱芳烃有机纳米管、线体；(4)利用分子自组装构筑用途广泛的更复杂的超分子聚合物；(5)模拟人工跨膜质子通道的组装研究和生物功能开发；(6)开发柱芳烃在药物传输及释放领域的应用；(7)深入研究柱芳烃的机械互锁型分子的构筑，并开发其在电子学、纳米药物、分子机器、分子器件、荧光探针及纳米等离子体电子学等高新领域的应用。随着人们对柱芳烃化学研究的不断深入，柱芳烃将为科学事业的发展、人类文明的进步和可持续发展创造新的辉煌。

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