分子膠囊：帶有隔離納米腔的容器化合物

• 2012-05-25
• 專題

1. 引言

生命活動的維系需要消耗能量，這些能量的提供要通過一系列的過程：從環境中攝入食物，食物的分解，并在體內將其代謝。生物膜是貫穿這一系列過程的重要場所。生物膜是由脂類在疏水作用的驅動下通過自組裝形成的，并且在細胞的內外分別形成邊界。它保護細胞免受外來物質的入侵，同時作為能量交換、物質傳遞的媒介，必要時也是信號傳輸的媒介。在特殊環境下，細胞膜上還進行酶催化反應和能量轉化過程。同時，這樣的系統還可以在仿真系統中進行試驗性構造。其中 一種方法是創建膠束或生物分子膜，該方法被用來增加不溶物質的溶解性，以及為多種反應提供空間。最近開發的納米微粒就是它的廣泛應用之一。這就給我們帶來一個問題，如果在一個較小的尺度上，為單個分子或幾個分子的內容物創造一個隔離的腔的特殊環境是可能的，那么，我們所感興趣的，由主體-客體創造出來的大的空分子和超分子化學將引起關注¹。大的空分子，或分子膠囊，是合成的內部封閉的主體分子，為確保它的牢固而精確的分子識別而被設計成三維的。由于其結構復雜，封閉的客體分子存在于從外部隔絕的環境中，因此，和這一特殊環境相對應的物理性質和化學反應都可以被鑒定。這些特征和以上所提到的生物膜的特征是相似的，因此，強調分子膠囊是候補生物膜的最小實驗模型并不為過。最近，非共價鍵的巧妙應用使得分子膠囊的溫和合成成為可能，大量關于分子設計和分子功能性的報道開始出現。

基于這些事實，我們實驗室的研究一直集中在使用非共價鍵和半球形化合物合成分子膠囊，以及將所合成的主體-客體復合物作為功能材料進行應用。本文中，我們將焦點集中于基于卟啉和杯芳烴的分子膠囊上，同時還包括近期我們研究所取得的進展。

2. 使用杯芳烴骨架的分子膠囊

自從Gutsche等確立了杯芳烴的一步合成法²，杯芳烴迅速成為備受關注的主體分子，由苯酚單元構成的結構允許它可以像冠醚一樣作為優秀的離子載體，并且為多種官能團提供位置，一系列的萬能衍生物已見諸報道³。在眾多的構象異構體中，杯芳烴（本節所討論的主要是四聚體構象異構體和氧雜同杯芳烴）是已知的被采用的，其椎體構造被作為一個結構單元優先開發，因為它帶有一個半球形的空腔（圖 2）⁴。

本節將介紹自組裝杯芳烴膠囊。

2.1 由氫鍵形成的杯芳烴膠囊

氫鍵是已知的作為形成DNA雙螺旋結構和維持高度有序的蛋白質結構的重要相互作用。同時它在分子識別和合成受體與凝膠基質的功能設計方面也非常必要的。之前我們曾報道過由建立在羧基基團和吡啶之間的氫鍵作用下的膠囊分子自組裝（圖3）⁵，這是對氫鍵作用力驅動下的杯芳烴形成的首次報道。

此后，通過氫鍵形成自組裝膠囊被許多研究者所證明⁶。其中由Rebek 等報道的杯芳烴膠囊引起了極大的關注。他們在杯芳烴上緣引入脲基團，并發現它們之間的互補作用也可以得到膠囊（圖4）⁷。此外，位于脲基團和客體分子上的取代基團（X和Y）之間的協同效應，形成了一個具有雜聚肽結構的膠囊。例如，6a優先和6b形成一個膠囊。基于這些結果，他們報告說，使用一種諸如FRET（熒光共振能量轉移技術）的技術，可以將一對具有能量傳遞能力和電子傳遞能力的色素(一個作為供體，另一個作為受體)發展成為一個分子傳感器⁸。

2.2 使用配位鍵形成的杯芳烴膠囊 

和氫鍵一樣，配位鍵也是分子組件形成的一個重要相互作用，近年來，目標膠囊的構造基本上都使用了與鈀（II）或鉑（II）復合物形成的配位鍵。Fujita等人以及Stang等人所廣泛研究的方法，進行了深入的討論（參考文獻9內的詳細內容）。

如圖5所示，位于鈀（II）和鉑（II）復合物內的固定順式結構在膠囊的形成過程中是非常有用的，通過添加適當的分子等效物，可以很容易的得到目標膠囊¹⁰。

我們曾報道過將氧雜同杯芳烴10和順式鈀(II)復合物11按2:3的摩爾比相混合時，可以得到具有高度對稱性的膠囊分子12（圖6）¹¹。

這個大的空分子12能夠將C60作為內容物，并且在室溫下，復合物狀態和非復合物狀態之間的轉化速率要比核磁共振時間尺度慢¹²。更為有趣的是，它并不能將更大的客體分子C70封裝在內部。鑒于未改性的氧雜同杯芳烴單體具有二維的腔體，而且對C60和C70基本上未顯示出選擇性（C60/C70=0.99），這就預示著對C60/C70的嚴格識別起作用的是大的空分子12的三維立體腔。而且鋰離子的加入將大的空分子12初步排列成為適合內容C60的構象，在鋰離子存在的條件下，實際測量的大的空分子12（Li+）和C60的締合常數是沒有鋰離子存在時的50倍，然而，當鈉離子被添加到該系統后，由于鈉離子比鋰離子具有更高的親和力，膠囊就形成了一個含有鈉離子的復合物，所得到的大分子牢籠式絡合物12（Na+）從結構性來說是不利的，因此，C60就從腔內被釋放出去¹³。這種立體結構的扭曲要歸因于鈉離子的半徑比鋰離子的半徑大，這就使得在復合物的形成過程中，膠囊空腔要比C60的尺寸顯得更加瘦長。這表明外部刺激，比如堿金屬的加入，可以通過改變膠囊的結構，進而控制包裹速率以及C60的釋放速率（圖7）。

間苯二酚芳烴由間苯二酚骨架構成，是一種類杯芳烴環狀寡聚體，也是可以作為分子膠囊構成單元進行開發的化合物之一¹⁴。如Dalcanale所報道的，將兩個氰基基團引入到間苯二酚四聚體，緊接著和鈀（II）或Pt（II）復合物形成配位鍵也可以形成膠囊分子（圖8）¹⁴。

這一大的空分子顯示了獨特的特點。它在膠囊形成過程中引入一個平衡負離子和一個三氟化物分子，同時它只形成同單體膠囊，并且僅表現出少量的構象上的差異¹⁶。他們的研究還包括使用AFM（原子力顯微鏡）在網格上排列膠囊分子的膠囊形成過程（圖9）¹⁷，如果我們可以像他們的系統所描述的那樣構造膠囊分子，那么基于此種獨特的內容能力的膜傳感器的應用將是可行的。

2.3 膠囊分子包卷[C60]富勒烯

C60是為數不多的優良感光劑之一，它可以滿足諸如在可見光頻譜內具有廣泛的吸收范圍、系統間轉移的收率基本為100%、高還原勢能以及激發三重態和自由基的特征吸收的標準。無論是從有機化學、無機化學還是生物化學的角度來看，這些特點都非常有趣。然而其溶解度低一直阻礙其使用，特別是對其在溶液中的物理性質的研究。

如上面所述，氧雜同杯芳烴分子對C60有較高的親和力和選擇性。通過使用氧雜同杯芳烴的膠囊結構，我們已成功地將C60溶解在水中（圖10）¹⁸。這種主體-客體復合物是通過對疏水性和π-π相互作用的熟練應用建立起來的，C60既是客體分子，又是膠囊成分，因此，C60分子在溶液中可以不與其他分子發生相互作用而獨立起作用，從而允許新功能的出現。

我們已經使用這種復合物獲得了有價值的結果。

1）  光誘導DNA斷裂

這種大分子牢籠式絡合物通過來自于復合物內部的陽離子親水基團的靜電作用力，與DNA分子連在一起，在結合過程中，光照射到C60上，相鄰的DNA鏈發生斷裂（圖11）¹⁹。

另一方面，已知的由聚乙烯吡咯烷酮（PVP）溶解的C60在光照下對DNA斷裂顯示出非常低的效率，在斷裂速率上的差異被認為要歸因于以下事實：1）PVP不與DNA發生相互作用，2）在PVP腔內C60分子間存在相互作用。與此相比，13-C60大分子牢籠式絡合物是誘導的DNA破壞的一個極好的化學物質。

2） 在有機光電轉換元件上的應用

使用交替逐層吸附法可以很容易的將C60內容膠囊開發成為有機光電轉換裝置，到目前為止，二元和三元有機光電轉換元件已被成功的構造出來（圖12）²⁰。尤其是在三元系統中，它的光電轉換率已達到21％，證明了從C60大分子牢籠式絡合物派生出的裝置所具有的的效率²¹。

3. 基于卟啉的自組裝大的空分子

鑒于其電化學和光學活性，卟啉也被用來作為電子和能量轉移的材料²²。最近，基于它可以作為供體²²和凝膠基質的構成單元²³的能力，它已被應用于富勒烯的識別，其應用范圍似乎是無限的。

之前Lehn 等人和 Stang等的結果已經表明，當把具有吡啶單元的各種卟啉與具有固定的順式構型的鈀（II）或鉑（II），按照適當的比例混合時，卟啉會自組裝成二聚體和四聚體復合物²⁵，在此基礎上，我們使用鈀（II）和吡啶之間的相互作用，設計了一種自組裝的卟啉膠囊，圖13顯示了一個通過建立在鈀（II）和吡啶之間的，并位于卟啉分子內的配位鍵自組裝起來的卟啉膠囊²⁶。卟啉16b的腔具有容納一個具有合適尺度的吡啶客體分子的能力，這個內容物最吸引人的特點在于，客體分子的吡啶并未與鈀（II）形成復合物便膠囊化了，換句話說，客體分子在不擾亂膠囊結構的前提下穩定存在于空腔內，這被認為是由于大的空分子具有的的穩定性和高效選擇性，以及客體分子的包容能力造成的。

我們還報道了卟啉膠囊的主要路線（聚合）。像上面所提到卟啉膠囊的形成過程，卟啉膠囊自組裝成聚合物，如圖15所示²⁷。盡管卟啉膠囊呈線性排列，但聚合物的主鏈需要一個結構，因此，卟啉聚合物保留了它的內容能力。事實上，可以在聚合物腔內捕獲一個客體分子1,3-二吡啶基丙烷。

3.1 相連的卟啉杯芳烴的分子膠囊

在大的空分子內有許多基本構建單元，它們的組合有時會產生有價值的結果，尤其是杯芳烴和卟啉組成的雜聚肽膠囊，往往表現出比每個物質本身所起的功能多得多的功能性。

Osa和他的同事合成了以鐵（II）-卟啉為上緣的杯芳烴，并報道說這種膠囊可以作為氧載體的模型（圖16）²⁸。盡管鐵（II）-卟啉本身是能夠與氧結合的，但復合物卻并不是很穩定，復合物增加了其內容氧時的穩定性。因此，杯芳烴的腔可以改善卟啉的功能。

我們已經合成了具有間隔取代基的杯芳烴 - 卟啉膠囊，該取代基對堿金屬陽離子具有較高的親和力，同時還發現，相連接的膠囊表現出特殊的內容行為（圖17）²⁹。容器分子20可以通過4組羰基捕獲堿金屬離子，此外，當添加碘化鈉或碘化鉀時，平衡負離子I^- 也會被膠囊包裹起來，仔細分析可知，I^- 是在與堿金屬離子之間的靜電相互作用下，通過與卟啉中心的鋅的協同作用被裹入的。此外，這種獨特的內容行為在添加碘化鉀（碘化鉀具有膠囊20最偏愛的尺寸）時表現的最為明顯。這表明，大的空分子20不僅對堿金屬離子具有較高的選擇性和識別能力，對平衡負離子也是如此。因此，它可以作為一種優良的傳感金屬來使用，它所展現的是一種在其他離子傳感器上未發現的全新的系統。

根據以上所介紹的兩個系統可知，具有C4對稱性的卟啉與杯芳烴的組合體，不論從鍵的數量上還是取向上來說，都是非常好的。這就使得通過非共價鍵自組裝來構建雜聚肽膠囊成為可能。事實上，Reinhoudt等已經在卟啉中引入了一個陽離子取代基，并且展示了在靜電力作用驅動下的雜聚肽膠囊23的自組裝（圖18）³⁰。

另外，我們發現，具有一個吡啶單元上緣的氧雜同杯芳烴和鋅（II）-卟啉三聚體，通過鋅離子和吡啶之間的協同作用，形成了雜聚肽膠囊26（圖19）³¹。我們還發現，在它的腔內明顯含有受體分子，如C60。

4. 結論

在這篇文章中，我們主要討論了膠囊分子的具體內容行為和所得到的主客體復合物的應用。在一個全世界的研究者都參與到納米技術和納米化學研究的激烈競爭中的年代，具有納米腔的大的空分子很可能在未來的研究中造成一次大的轟動。我們期待著這一研究在未來研究中的進一步發展。

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注：本文為提供者翻譯的，由于知識所限，其中錯誤在所難免，敬請原諒。如有問題可以查找原文。