陈琦
【摘 要】简要介绍了大环化学的产生发展及应用.重点综述了:①新型大环多胺的合成及应用;②新型希夫碱化合物的合成及应用;③新型杯芳烃和新型环糊精衍生物的合成及应用.并对大环化学的发展进行了展望. 【期刊名称】《合成材料老化与应用》缘114
【年(卷),期】2018(047)003
耐老化测试【总页数】5页(P128-131,136)
【关键词】大环化合物;合成;应用
【作 者】陈琦刮棒
【作者单位】宝鸡文理学院化学化工学院,陕西宝鸡721013
防火拉链【正文语种】中 文
【中图分类】TQ460.4
大环化合物的发现始于1967年美国化学家Pedersen C J对冠醚化合物的首次报道。由于其众多成员的结构均呈大环状，且成环原子数一般等于或大于12，故俗称为大环化合物。其成环原子可以是C、O、N、S、Se、P、As等。其大环结构可以是二维的，也可以是三维的或球形的等等；可以是单环，也可以是多环。它们可存在于自然界生物体中，也可以人工合成。目前已有成环原子个数大于100的超大环或叫巨大环化合物被合成。而人们把研究大环化合物的结构、组成、性质及应用的化学称为大环化学。大环化合物的主要成员包括冠醚、环糊精、杯芳烃、柱芳烃、环状席夫碱、大环内酯、卟啉、环芳烃、环肽、环蕃、咔咯、瓜环、葫芦脲、轮烷、酞菁、索烃、C60、大环多胺及其它大环状物质。由于各类大环化合物具有的杂原子上有可形成配键的未成键孤对电子、且有环空腔大小可扩缩和可修饰的特性，故大环化合物具有选择性的络合有机、无机小分子及金属离子的特性。因此，人们对大环化合物的研究目前已渗透到四大基础化学、高分子合成化学、催化科学、分析分离科学、生物化学、生物物理、配位化学、放射化学、金属工业化学、原子能 科学、地质科学、农业化学、医药学等难以尽举的众多领域。不仅如此，大环化学在工业、农业、国防、军工、航空航天科学及医药学领域也彰显出广阔的应用前景。同时大环化学在21世纪热点学科如生命科学、环境科学、材料科学、能源科学、信息科学、纳米科学、仿生学等众多领域也有着诱人的应用前景，并促成了新兴学科主客体化学和超分子化学的形成和发展，目前已发展成为一门新兴的热门边缘学科——大环化学。
1 新型大环多胺的合成及应用
1.1 氟化硼二吡咯(BODIPY)大环多胺衍生物作为NO探针的设计合成及应用
一氧化氮(NO)是一种广泛存在于生命系统活动过程中的信号分子，它在生物体的正常生理活动到特殊病理状态都扮演着非常重要的作用[1-2]。 为了进一步了解 NO在体内的作用过程，故设计一种对NO实时有效的检测手段显得尤为重要。为此，北京师范大学的高昶等人设计合成了一系列BODIPY 衍生物。他们又通过多步合成的手段引入1，4-二氢吡啶酯衍生物，发现其可通过聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)机理引起荧光淬灭，并与 NO作用后使其结构发生芳香化，从而抑制 PET 机理发生，荧光恢复。此外，他们还通过对接生物相容性良好的大环多胺[12]aneN3基团来改善探针的水溶性。最终，他们希望得到对NO敏感性高、
生物相容性好以及水溶性优良的荧光探针[3]。该研究将在分析分离科学、生命科学、生物科学、荧光科学及医药学领域得到应用。
1.2 含大环多胺的两亲性聚合物基因载体的合成及应用
阳离子脂质体和阳离子聚合物作为基因载体都各具优势，将两者优势结合是提高非病毒基因载体效率的策略之一[4-5]。为此，四川大学的张益梅等人设计合成了带有不同长度烷基链的小分子阳离子脂质，并将其聚合可得到一系列含大环多胺的两亲性聚合物。通过研究其与 DNA的相互作用和与 DNA形成的复合物的粒径电位，发现烷基链的长度不会明显影响到聚合物的DNA包裹能力，但却会明显地影响脂质体的包裹能力。体外绿荧光蛋白和荧光素酶表达基因转染实验表明，烷基链长度会影响到聚合物的转染效率。其中烷基链长为 C10 的聚合物具有最好的转染效果，在多种癌细胞中其转染效率都明显高于 25KDa(生物学中蛋白质的分子量单位)聚乙烯亚胺(PEI)。对比于聚合前的阳离子脂质体可以发现，聚合后明显提高了转染效果和血清稳定性。使用流式细胞术考察细胞摄取时，他们还发现聚合物保留了阳离子脂质体在无血清时的高细胞摄取能力。因此，通过小分子阳离子脂质的聚合反应得到含大环多胺的两亲性聚合物，对于设计合成新型高效非病毒基因载体是一
种优良的可行策略[6]。该研究将在生命科学、生物化学、分析分离科学及医药学中得到应用。
1.3 大环多胺阳离子脂质的合成及应用
实验表明，阳离子脂质体以其安全性高、易生产以及在基因递送中的有效性而受到日益广泛的关注[7-8]。为此，四川大学的常德春等人设计合成了一系列以大环多胺为头部、十八碳烯基为疏水尾部的单尾和双尾的阳离子脂质，并在这些脂质的连接键上引入羟基或芳香性的官能团以考察其构效关系。他们的实验发现，这些脂质与中性脂质DOPE(阳离子磷脂)混合后均能形成稳定的脂质体，且相较于羟基，芳香性的官能团能显著提高脂质体的 DNA结合能力。体外绿荧光蛋白表达实验显示，含芳香性官能团的双尾脂质在多种细胞中均展示出更好的转染能力。对双尾脂质的进一步表征显示，相较于在脂质中引入芳香性氨基酸，将苯环引入骨架内更易于形成小粒径、包裹和保护能力更强的脂质体/DNA复合物。荧光素酶表达实验定量验证了苯环在骨架上的脂质有最好的转染效果，效率接近商用转染试剂Lipofectamine 2000。基于此，他们继续深入探究了尾部烷基链长度对这类脂质转染效果的影响。体外转染实验表明，尾部为十四烷基和尾部为十八碳烯基的脂质体有近似的转
染效果，缩短或延长烷基链都会降低脂质体的转染能力。脂质体的细胞毒性实验显示，苯环在骨架上尾部为十四烷基的脂质体显示了最低的细胞毒性且低于商用试剂Lipofectamine 2000。这些结论将有助于人们今后更好地设计合成高效低毒的阳离子脂质体载体[9]。该研究将在生命科学、生物化学、分析分离科学及医药学中得到应用。
1.4 大环多胺[12]aneN3衍生物的物合成及应用
研究表明，大环多胺化合物在荧光探针、人工核酸酶和非病毒基因载体领域被广泛应用[10-11]。为此，北京师范大学的高永光等人设计合成了一系列携有荧光单元的[12]aneN3衍生物，这些化合物在金属离子、生物小分子如含硫氨基酸衍生物、活性磷酸小分子识别方面具有良好的性能。他们利用大环多胺的水溶性和中性条件下带正电荷性能，以萘酰亚胺、氟化硼二吡咯(BODIPY)的荧光性质，四苯乙烯的聚集诱导荧光性能，发现这些化合物对铜离子、生物硫醇、磷酸小分子和核酸片段具有良好的识别能力。他们的实验发现，这些化合物不仅能有效识别细胞外的有关底物，也能实现细胞内的底物及其代谢转化过程[12]。该研究将在生物化学、分析分离科学及医药学等研究中得到应用。
2 新型希夫碱化合物的合成及应用
2.1 DNA-大环席夫碱的合成及荧光探针在检测Zn2+中的应用
近年来，荧光探针因在金属离子检测中具有快速、便捷、高灵敏和高选择性的特性，因而在化学传感、光学材料、生物检测等方面的应用引起人们的广泛关注[13-14]。Zn2+是人体必需的微量元素，Zn2+的缺失会引起很多神经疾病，因而发展一种有良好生物相容性的 Zn2+检测探针具有重要意义。为此，温州大学的郭玉英等人通过DNA模板作用，定向合成了一系列 DNA-大环席夫碱类荧光探针，实验发现其在水中具有较好的溶解度。该探针在室温下能对 Zn2+产生有效识别：故该探针可与 Zn2+在浓度比为10-2范围内进行检测，而Zn2+最低检测限可达到1.0×10-7mol·L-1 [15]。该研究将在分析分离科学、化学传感科学、光学材料科学、生物检测及医学等领域得到应用。
2.2 一种新型还原席夫碱化合物的合成及应用
近年来，还原席夫碱由于其配体的柔性以及配体的可设计合成，能够方便地引入各种基团而成为配位化学研究的对象之一[16-17]。为此，宁德师范学院的应少明等人以四醛基苯甲酸和甘氨酸为起始原料，合成了一种新型还原席夫碱化合物N-(4-羧基苄基)-甘氨酸(1)，并研究了其晶体结构。实验表明，该化合物 1 通过π-π堆积作用(质心-质心距离为 3.87Å)形重型工程洗轮机
成一维链结构，这些一维链再通过 O...O以及O...N氢键作用形成三维超分子结构[18]。该研究将在配位化学、结构化学及生物化学的研究中得到应用。
3 新型杯芳烃和新型环糊精衍生物的合成及应用
3.1 溶剂控制的Co4-硫杂杯[4]芳烃次级单元构筑的一维和二维超分子化合物的自组装及应用
垃圾热解气化近年来，多核配位化合物引起了人们极大的研究兴趣，这是因为它不但在分子磁体、催化、光学和传导方面有着潜在的应用价值，而且在结构方面也是丰富多彩的[19-20]。为此，中国科学院福建物质结构研究所的胡发露等人选用p-tert-butylthiacalix[4]arene(H4BTC4A)作为主配体，四羧酸作为第二配体，分别在N，N-二甲基甲酰胺(DMF)和N，N-二乙基甲酰胺(DEF)作为溶剂的条件下进行溶剂热反应。 有趣的是，在DEF溶剂体系中，他们得到了化合物{[H2N(CH3)2]3[Co4(BTC4A)(μ-SO4)2(HPA-NH2)0.5(Cl)]}n·(solvent)x (1)；在 DMF 溶剂体系中，我们得到了化合物[Co8(BTC4A)2(μ-SO4)2(HPA-NH2)(H2O)8(DMF)]n·(solvent)x (2)。结构分析表明，化合物1展示了一例基于 Co4-BTC4A 结构基元的一维锯齿链，而化合物2呈现二维层状结构。上述结果表明溶剂在
控制基于M4-BTC4A结构基元的杯芳烃化合物的自组装过程中扮演了重要角[21]。该研究将在磁体科学、催化科学、光学和传导科学中得到应用。
