浅谈基于冠醚及葫芦脲超分子轮烷的构筑*

周维磊

(内蒙古民族大学化学与材料学院，内蒙古 通辽 028000)

超分子化学即超越分子概念的化学(the chemistry beyond the molecule)[1]，由化学家Pedersen于1967年开创性的发现冠醚开始，随即由Donald Cram[2]和Jean-Marie Lehn[3]继续发展起来并在该领域中开展了一系列开创性工作，直至1978年由Jean-Marie Lehn提出的概念。随后，1987年的诺贝尔化学奖授予了Pedersen、Cram 和Lehn三位科学家，来表彰他们在超分子领域做出的卓越贡献。在经历超分子化学的飞速发展二十九年之后的2016年，超分子化学又迎来了春天，这一年的诺贝尔化学奖又回到了超分子领域，将其授予了Jean-Pierre Sauvage、Sir J.Fraser Stoddart和Bernard L Feringa三位超分子化学家，来表彰他们在分子机器的设计与合成上的杰出贡献。超分子化学是一门既古老又新兴的研究学科，是一个学科高度交叉的热门研究领域，涉及生物、化学以及材料等多门学科。其中，第一、二、三代主体分子冠醚、环糊精、杯芳烃，以及之后发展起来的葫芦脲、柱芳烃、卟啉、酞菁以及环肽等大环化合物对超分子化学的发展起着至关重要的作用相关结构式如图1所示。

图1 几种典型的超分子主体化合物的结构

另一方面，作为超分子化学领域中一个重要的研究对象—(假)轮烷，因其独特的结构特点在人工分子机器和刺激响应材料中的广泛应用而备受关注[4]。轮烷是由线状分子作为轴和穿过轴的环状分子组成，其中两端有可以阻碍环状分子脱落的较大基团封端(图2)。轮烷可以由多个环或者多个轴组成，含有n种组分的轮烷通常称为[n]轮烷。除去两端能够防止环解离的基团之外的对应物称为假轮烷(图2)。这些超分子体系研究首先关注其美丽的拓扑结构，但由于其可通过物理或化学刺激(酸碱、热、溶剂极性、电、光等)来调控其环组分在轴上的穿梭运动以及绕轴旋转运动。对于假轮烷，是一种大环分子的穿线与脱出的动态络合物，这便赋予其具有控制/释放以及穿梭等功能。这些结构上的特性使(假)轮烷适用于各种分子设备，例如开关[5-7]，逻辑门[8-9]和传感器[10-11]等。在这里，我们简单的介绍基于冠醚和葫芦脲所构筑(假)轮烷的方法和特点。

图2 轮烷与准轮烷的结构示意图

1 基于冠醚和葫芦脲构筑轮烷

1.1 基于冠醚构筑的轮烷

冠醚是传统的第一代大环主体化合物，由氧原子通过烷基链连接组成，在超分子化学中起着至关重要的作用。冠醚具有疏水的、柔性的外部骨架，同时又具有亲水的内腔(图3)，内腔不仅能够和金属离子络合，也可以与有机阳离子选择性的络合，是多齿的有机配体。独特的结构使它们可以与含有特殊键合位点的有机客体形成有趣的组装体，包括由冠醚构建的(假)轮烷，因为它具有多重刺激响应功能(热，pH和化学)[12]。由冠醚和二级铵盐阳离子组装成的(假)轮烷是最常见的轮烷之一，这种冠醚氧原子与二级铵盐阳离子通过氢键形成的轮烷中限制了“哑铃”组分的自由活动，这通常是设计分子开关的基本条件。当“哑铃”的轴上含有第二个可通过改变外部条件而与冠醚环形成更稳定质子化的位点时，可以通过外部刺激方法来除去分子内的氢键相互作用来实现冠醚环在轴上的可控运动。Stoddart等[13]构筑了具有一个二级铵盐位点和一个紫晶位点的双位点轮烷，通过酸碱调控二级铵盐位点的质子化，改变冠醚环在轴上两个键合位点的键合能力，实现轮烷中的轮子在两个不同的位点之间往复运动，进而实现了分子梭的功能(图4)。

图3 经典的冠醚结构示意图

图4 Stoddart等构筑的双位点轮烷

1.2 基于葫芦脲构筑的轮烷

葫芦脲(cucurbituril)是Eberhard Meyer于1904年首次报道，是甲醛和甘脲通过缩合反应后的产物。n个甘脲分子通过亚甲基桥以环状排列结合而成称之为葫芦[n]脲[14-15]。到目前为止，葫芦脲的家族有葫芦[5]脲(CB[5])，葫芦[6]脲(CB[6])，葫芦[7]脲(CB[7])，葫芦[8]脲(CB[8])，葫芦[10]脲(CB[10])和葫芦[14]脲(CB[14])，分别含有5、6、7、8、10和14个甘脲单元[16]。根据单晶数据分别得到如图5所示的结构，与其他大环分子的各种构型进行比较，拥有相对刚性的骨架也赋予它们固定的结构。重复甘脲单元的数量决定了入口尺寸和腔体积，CB[5]～CB[10]的高度均匀，为9.1 Å，其门孔和腔体直径从2.4～10.6 Å到82～870 Å3不等[17]。通过晶体结构发现葫芦[14]脲并没有像大多数那样的正常空腔，而是形成一种环套环的结构。由于是具有多羰基甘脲单元通过亚甲基桥的有序排列，导致葫芦脲拥有两个亲水的端口以及一个疏水空腔。不同尺寸的葫芦脲具有不同的溶解度，CB[5]和CB[7]溶解性最好，能达到2～3×10-2M，CB[8]溶解度能达到1×10-4M，CB[6]的溶解度小于1×10-5M，而CB[10]在水中几乎不溶解，这与葫芦脲分子的非共价键数量密切相关，同时，所有的葫芦脲在水中的溶解度都会随着酸性的增加而提高，并且包结水溶性好的客体分子可以增加其水溶性[17-18]。强电荷-偶极、氢键相互作用以及疏水/亲水效应，使CB[n]s在水中可以与尺寸匹配的有机、无机阳离子和中性有机客体形成非常稳定的主客体络合物[19]，葫芦脲强的键合能力及独特的识别能力使它们成为构建假轮烷和轮烷的优良主体。例如：CB[6]对质子化己二胺类衍生物具有强结合力，这为构筑轮烷和假轮烷提供了有利条件[20-21]。水溶性更好且空腔较大的CB[7]可以对更多作为轴的客体分子进行包结，如二茂铁，金刚烷胺，紫精衍生物，脂肪链和其他线性有机阳离子。空腔更大的CB[8]则表现出更为惊奇的性质，可以同时包结两个客体分子，如紫精和萘、紫精和偶氮苯、两个相同咪唑盐类衍生物等，因此，CB[8]为构筑功能化的假轮烷、轮烷以及假聚轮烷、聚轮烷提供了更为广泛应用的可能性。

图5 葫芦[n]脲的晶体结构(n=5～8、10、14)

2 结 语

随着超分子化学的不断发展，到2016年Bernard L Feringa、Sir J Fraser Stoddart和Jean-Pierre Sauvage三位科学家对分子机器做出的杰出贡献而获得的诺贝奖，又将超分子化学带入到了另一个全新的时代，作为分子机器典型实例的(假)轮烷由于独特的光物理性质以及机械互锁拓扑结构一直备受关注。其中，冠醚及葫芦脲两种大环主体分子分别在有机溶剂和水中独特的分子识别性质，为构筑更多具有功能新颖的(假)轮烷成为了可能，这不仅可以促使(假)轮烷更具有应用性，而且还可能会促进推动分子机器和纳米科学等研究领域的发展。