化学燃料驱动的耗散超分子自组装研究进展

章康达, 杨江雄, 段鸿樱, 占田广

(浙江师范大学 化学与生命科学学院,浙江 金华 321004)

近几十年来，分子自组装已经发展成为化学与物理、生物、材料等不同学科交叉的前沿研究领域之一，为创造新物质和制备新功能材料提供了一种强有力的手段[1-3].通过基元分子在非共价相互作用驱动下进行自组装，可以构筑具有复杂有序结构和特定功能的超分子自组装体系，在仿生结构和功能[4-5]、药物输送[6-7]、催化[8-9]、传感[10-11]，以及分子成像[12-13]等诸多领域表现出广阔的应用前景.通常情况下，分子自组装过程由热力学控制，所获得的自组装体系处于热力学平衡态，并且其组装结构往往具有较好的稳定性.在平衡态自组装体系中，两种状态之间可以进行等速率的组分交换，因而没有物质和能量的净流动.

然而，在某些情况下，分子自组装过程与能量消耗相关联，所获得的自组装体系处于非平衡态，其能够与周围环境发生物质和能量的净交换，这使得非平衡态(耗散)自组装体系往往具有储存和传递能量的能力.实际上，耗散自组装模式广泛存在于自然界中，例如生命系统及其所包含的结构在热力学上是不稳定的，需要消耗能量物质(如ATP)才能维持其高级结构并实现诸如信号处理、运动性、自修复及自复制等生命功能.然而，在人造系统中耗散性自组装过程的例子并不多见.迄今为止，虽然已经通过非平衡态自组装策略成功构筑了具备独特功能的超分子组装材料[14-16]，例如能量驱动的分子机器[17-19]，跨膜传输系统[20]，以及仿生功能组装体系[21]等，但是,目前对于非平衡态超分子组装材料的开发仍处于起步阶段.其中，以化学燃料驱动的耗散自组装是研究最广泛的一类非平衡态自组装系统.

本文将介绍3类具有代表性的以化学燃料为驱动的耗散自组装体系的构筑原理和方法，展示所构筑瞬时超分子材料的独特应用，同时对该领域存在的一些挑战和发展趋势进行总结和展望.

1 耗散自组装

构筑耗散自组装系统至少包含2个不可逆的化学反应，分别用于调节2种物质(前体和产物)的活化与失活(见图1)[16].其中，活化反应可以将前体转化为激活的产物，该过程由不可逆的能源消耗驱动(如化学燃料的消耗或光的吸收).与之相反，失活反应则是将被激活的产物还原为前体的自发过程.因此，耗散自组装所形成的结构只能通过恒定的能量转换来维持，当定量添加有限的燃料时，只要系统能够持续消耗能量，就能进行组装过程并维持组装结构.同时，被激活的构筑基元也可以耗散其能量，重新形成初始的非活化组装基元.需要指出的是，在耗散自组装系统中组装结构的形成及其稳定性取决于能量耗散率和燃料消耗率的相对大小，只有在燃料消耗率大于能量耗散率的条件下才能观察到瞬时组装体，反之，能量将被耗散而不发生自组装.

图1 耗散自组装过程示意图

2 化学燃料驱动瞬时超分子材料的构筑

2.1 化学燃料消除前体静电电荷并诱导自组装

在这种设计策略中，带电荷的前体分子之间由于存在静电排斥而不能发生自组装，当其被化学燃料活化后可以生成减少或消除了电荷的产物，后者因分子间静电斥力降低可以发生自组装形成瞬时组装体[22-27].2010年，Boekhoven等[22]首次报道了一种以二苯甲酰基-(L)-胱氨酸(DBC)为前体组装基元，以烷基化试剂碘甲烷(MeI)作为化学燃料构筑的具有特定寿命的耗散自组装“活性凝胶”(见图2).DBC是一种常见的水凝胶剂，其分子中的羧酸基团(pKa值约4.5)在pH>4.5时以阴离子形式存在，此时DBC分子因具有较强的静电排斥而不能够在溶液中形成稳定的组装体.而当pH降低至pKa值以下时，DBC分子中的羧酸阴离子被酸化成中性羧酸基团，此时DBC分子可以通过分子间氢键和疏水作用进行自组装形成稳定纤维.

然而，当加入MeI将DBC二阴离子转化成二甲酯衍生物后，即使在pKa值以上，其也可以发生自组装并形成稳定的瞬时纤维聚集体.并且，通过控制MeI燃料的加入量及溶液的pH，可以在特定条件下保持酯的形成速率大于其水解速率，从而控制纤维组装体的寿命.在此基础上，他们还进一步开发了一种由化学能消耗驱动的合成、瞬时、自组装分子材料的一般方法，并通过燃料转化动力学来调控瞬时组装体的寿命、刚度和再生行为[23].这种由化学燃料驱动耗散自组装系统也为构筑新型“类生命”系统打开了大门.

a：二苯甲酰基-(L)-胱氨酸分子结构; b：DBC耗散自组装过程示意图

2017年，Tena-Solsona等[27]则利用缩合剂(碳二亚胺，EDC)的水解反应提供能量来诱导含有芴基甲氧羰基(Fmoc)保护基的氨基酸(见图3a)进行耗散自组装.如图3b所示，氨基酸前体分子可以被燃料分子EDC激活并转化成环状产物，然后进一步通过自组装形成不同形态的超分子聚合物如球晶、胶体等.当燃料分子EDC被耗尽后，失活反应将环状酸酐产物还原为带电荷的氨基酸前体，从而导致组装结构的解体.

a：化学结构；b：化学反应网络示意图

此外，该反应网络可以很容易地融入肽基自组装结构如疏水胶体、超分子墨水和自组装水凝胶等.例如，由于球晶体积较大可以散射光信号，从而将透明溶液变为浑浊溶液.因此，若把前体包埋在聚丙烯酰胺水凝胶中并将燃料通过掩膜进行喷涂时，可以使球晶仅出现在燃料与前体反应的位置，此时瞬时球晶可以用作写入临时信息的平台，即自擦除墨水(见图4).同时，由于Fmoc前体具有很好的溶解性，其在碳二亚胺驱动下形成相应的酸酐并自组装成瞬时胶体后，水解速率与未组装的前体相比要低得多.因此，可以使用这种瞬时自组装胶体来封装和释放各种疏水性染料.

图4 Fmoc-D通过化学燃料驱动的耗散自组装形成球晶并应用于自擦除油墨示意图[27]

2.2 通过化学燃料连接2个前体并诱导自组装

在该策略中，通过化学燃料驱动可以使2个不具有组装能力的分子发生反应形成活化的构筑基元，并诱导其自组装形成瞬时组装体[28-33].例如，Morrow等[28]设计并构筑了一个耗散自组装胶束系统，其可以在化学燃料驱动下保持在非平衡状态，并具有自复制性质.如图5所示，以过氧化氢为燃料可将前体3氧化为具有亲水性的二硫化物2，其再与相分离的疏水性硫醇1发生缓慢交换反应生成一分子前体3和一分子亚稳态表面活性剂4.其中，前者可以继续与燃料过氧化氢反应进入循环，而后者则能够进行自组装形成胶束.需要指出的是，只有当表面活性剂4达到一定浓度(0.2 mmol/L)时才能够自组装形成瞬时胶束聚集体，并且该瞬时胶束的形成能够促进硫醇1与二硫化物2相混合并提高二者之间的交换反应速率，从而催化生成新的表面活性剂4.因此，在这个耗散系统中，表面活性剂4的形成是自催化的，这使得瞬时胶束聚集体可以自我复制.表面活性剂4可以与硫醇1发生第二次酯交换反应而被消耗，同时生成废弃物5和前体3，完成反应循环.

图5 化学燃料驱动的具有自复制性的耗散自组装示意图[28]

值得一提的是，该系统中不需要外部添加试剂用于破坏性步骤，也不需要外部添加起始材料，只需要利用单一、简单的化学燃料(氧化剂)使反应的废物副产物原位再生得到高能起始材料，就可以建立一个简单的代谢循环以维持复制因子不平衡.这对于人工模拟生命体内的自复制现象有着重要意义.此外，他们最近还发现利用上述基于2个相分离组分所构筑的耗散超分子胶束组装体能够作为组装器用于产生二硫聚合物[29]，并且通过调节温度和反应时间，或通过添加聚合物封端剂，可以实现对聚合物尺寸的控制.这项工作也为发展基于耗散自组装的功能超分子体系提供了新的方向.此外，在某些情况下燃料分子也可以参与形成活化的构筑基元来实现耗散自组装[30-32].例如，2016年Maiti等[30]通过巧妙的设计构筑了一个以可溶性的表面活性剂分子1,4,7-三氮杂环壬烷·Zn2+络合物(C16TACN·Zn2+)为前体，以ATP为燃料的耗散自组装系统(见图6).ATP在该耗散自组装系统中起着双重作用，它既作为燃料分子，又可以通过非共价作用与前体发生络合形成两亲性超分子复合物，并进一步自组装得到瞬时囊泡.当引入马铃薯腺苷三磷酸酶来释放储存在ATP中的化学能，或者当ATP水解为ADP后，ATP与C16TACN·Zn2+之间的稳定非共价相互作用消失，从而导致囊泡分解成其前体状态.在该系统中，瞬时囊泡的寿命可以通过调节燃料ATP的浓度和马铃薯腺苷三磷酸酶的浓度来控制.同时，作者还发现将上述耗散自组装囊泡作为瞬时纳米反应器可以提高水相中有机反应的速率.如图7所示，瞬时囊泡的存在可以催化2种疏水性反应物1-辛硫醇(C8-SH)和4-氯-7-硝基苯并-2-氧杂-1,3-二唑(NBD-Cl)在水中发生芳香亲核取代反应，并且产物NBD-SC8的产率随着ATP浓度的增加而显著提高(见图7b).

图6 以ATP为燃料的耗散自组装囊泡形成示意图[30]

a：瞬时囊泡存在下进行的芳香亲核取代反应；b：产物产率与添加ATP浓度的关系

2.3 通过化学燃料诱导改变前体的分子构象并自组装

在这一策略中，化学燃料可以诱导前体分子发生构象变化而得到具有组装能力的活化产物，并进一步通过分子间非共价相互作用发生自组装形成瞬时组装体[34-35].例如，Jalani等[34]设计了一个含有富电性芘负离子和缺电性紫精正离子单元的两亲性前体(图8中PN-VN)，其在溶液中可以在分子内电荷转移(CT)作用下形成折叠构象.当加入化学燃料(Na2S2O4)时，折叠体前体PN-VN中的紫精单元可以被还原成自由基阳离子，这极大地削弱了前体中的分子内CT作用并使其转变成具有非折叠构象的活性基元分子，然后进一步发生自组装得到片状瞬时组装体(见图8).当水溶液中存在溶解氧与葡萄糖氧化酶(GOX)时，可以通过酶促反应将葡萄糖氧化为葡萄糖内酯(废物)并形成氧化剂过氧化氢，后者可以将片状瞬时组装体中的紫精自由基阳离子单元氧化成二价阳离子，从而诱导组装基元重新形成折叠构象并破坏组装体.

有趣的是，在两亲性折叠体前体PN-VN未被化学燃料激活时，能够自组装形成囊泡，而通过化学燃料诱导折叠体展开，活化产物则能够组装形成片状的瞬时组装体.因此，可以通过改变燃料和酶的浓度来调节组装基元的瞬时构象并实现组装体形态转换的时间控制.该研究工作对于未来设计具有活性、适应性和自主性材料的分子和超分子系统具有积极的意义.

图8 化学燃料驱动和酶促辅助的折叠体瞬时构象转变及其耗散自组装过程示意图[34]

利用上述化学燃料驱动分子构象转变策略，最近，Jalani等[35]进一步设计了一种含有富电性芘负离子和缺电性萘二酰亚胺(NDI)的两亲性电荷转移单体(见图9中前体PNF)，并构筑了一种可控的耗散自组装超分子聚合物体系.在该系统中，CT折叠体单体PNF可以自组装得到单分散性超分子聚合物.输入还原剂SDT后，前体中的NDI单元可以被还原成活性自由基阴离子(PNF-NDI·-)而解除折叠构象，并进一步形成稳定聚集体.在氧气条件下，活性单体分子中的NDI自由基单元可以被氧化成中性NDI单元，从而诱导单体重新形成折叠构象并自组装得到高单分散CT超分子聚合物.因此，可以通过改变还原剂浓度来调节休眠状态的稳定性和氧化速率，实现超分子聚合物的分散性和分子量的动力学控制.

图9 电荷转移折叠体的分子结构及其自组装形成单分散超分子聚合物示意图[35]

3 结论与展望

本文综述了几类以化学燃料驱动的耗散自组装体系及其应用.事实上，目前这一领域的相关研究十分活跃，各种类型的耗散自组装体系包括纤维[36-37]、囊泡[30]等被相继报道，并在自擦除油墨[27]，自修复超分子凝胶[22-23]，自复制和组装结构可控胶束[38-39]及瞬时纳米反应器[30]等方面得到广泛应用.尽管如此，对于化学燃料驱动的人工耗散自组装系统而言，仍然存在几个亟待解决的问题：

首先，燃料所产生的废物会影响系统进行多次循环的能力.迄今为止，仅有少数的例子可以通过连续流动去除废物[40]，或者是以沉淀[41]或气态形式[42]除去废物.因此，需要对耗散反应循环过程进行更巧妙的设计,以消除废物所带来的影响.例如，可以通过设计巧妙地将反应循环串联在一起，使其中一个循环的废料充当下一个循环的燃料.

其次，目前使用的化学燃料大多具有较强的反应性，在循环过程中往往造成溶液的缓慢分解，并且有不同程度的毒性.因此，若能设计使用无反应性的“预燃料”，并以受控方式将其转化为更具反应性的物质，或者通过催化或与第2种预燃料反应来实现转化过程，将有望发展出新一代耗散自组装系统.此外，还可以将基质和燃料结合在一起以实现高选择性的催化剂等.

最后，如何有效地控制所涉及的反应动力学也是制约耗散自组装系统进一步精确化、智能化发展的关键因素之一.目前已报道的大多数耗散循环系统中，失活反应速率往往受溶剂的影响而难以控制[22-23].因此，若能发展出新的化学反应使耗散循环系统中的每个步骤都使用受控的催化反应，将有望实现对耗散循环网络中的反应进行独立和正交的控制.

此外，从长远来看，耗散自组装系统应该设计使用具有生物相容性或者生物正交的反应循环，这将有利于所构筑的自组装材料获得仿生功能，例如能够随着所处环境的变化而进行动态调整，或者实现类似生命体系的复杂功能等.