浅谈超分子化学的应用及前景展望

浅谈超分子化学的应用及前景展望

超分子化学是基于冠醚与穴状配体等大环配体的发展以及分子自组装的研究和有机半导体、导体的研究进展而迅速发展起来的，它包括分子识别、分子自组装、超分子催化、超分子器件及超分子材料等方面。其中分子识别功能是其余超分子功能的基础。超分子学科的应用主要是围绕它的主要功能－识别、催化和传输来进行开发研究。

1987年，莱恩(Lehn J. M.)、克拉姆(Cram D. J.)和彼得森(Perterson C. J.)三位化学家以其对发展和应用具有特殊结构的高分子的巨大贡献而获得诺贝尔化学奖。莱恩在获奖演讲中，首次提出了“超分子化学”的概念。同时克拉姆创立和提出了主—客体化学理论，彼得森则发展和合成出大批具有分子识别能力的冠醚。至此，以“超分子化学”为名称的新的化学学科蓬勃地发展起来，并以其新奇的特性吸引了全世界化学家的关注和热衷。近年来Supramolecular Chemistry杂志的创立说明超分子化学作为化学学科的一个独立的分支，已经得到世界各国化学家的普遍认同。

目前超分子化学的理论和方法正发挥着越来越重要的作用，该学科的研究不仅与各化学分支相结合，又与物理学、信息学、材料科学和生命科学等紧密相关。在与其他学科的交叉融合中，超分子化学已发展成了超分子科学。超分子科学涉及的领域极其广泛，它不仅包括了传统的化学(如有机化学、分析化学等)，而且还涉及材料科学、信息科学和生命科学等学科。由于超分子学科具有广阔的应用前景和重要的理论意义，超分子化学的研究近十多年来非常活跃。涉及的应用包括：在化学药物方面的研究与应用，在光化学上的应用，在压电化学传感器中的应用，识别作用（酶和受体选择性的根基）的应用，在有机半导体、导体和超导体以及富勒烯中的应用，作为分子器件方面的研究，在色谱和光谱上的应用，催化及模拟酶的分析应用，在分析化学上的应用等等。

超分子化学在药物开发中的应用研究是国际学术界和工业界共同关注的一个热点。药物分子和其它有机分子通过氢键作用结合在一起形成的药物超分子化合物,可有效改善药物的溶解度、生物利用度等性质,成为药物制剂的一个新选择。超分子药物化学是超分子化学在药学领域的新发展。该领域发展迅速，是一个新兴的交叉学科领域，正在逐渐变成一个相对独立的研究领域。迄今已有许多超分子化学药物应用于临床，其效果良好。更多的超分子体系正在作为候选药物进行临床研究开发。超分子化学药物因具有良好的稳定性、安全性、低毒性、不良反应少、高生物利用度、消除药物异味、克服多药耐药、药物靶向性强、多药耐

药性小、生物相容性好、高疗效以及开发成本低、周期短、成功可能性大等诸多优点而备受关注，在抗肿瘤、抗炎镇痛、抗疟、抗菌、抗真菌、抗结核、抗病毒、抗癫痫、作为心血管和磁共振成像药物等医药领域具有很大的发展潜力。可以预料，在不远的将来，超分子化学药物的研究与开发必将越来越活跃，可能逐渐发展成为一个独立的超分子药物化学学科研究领域。目前超分子化学药物研究虽然取得了许多重要进展，超分子化学药物的主体分子涉及环糊精、卟啉、高分子及其他多类结构化合物，客体分子本身为药物和非药物分子等，但主要工作集中在环糊精类、卟啉类及金属络合物类等超分子化学药物领域。应该说超分子化学药物的研究还处于起步阶段。随着超分子化学进一步发展和超分子药物研究的深入，超分子化学药物的研究与开发必将进一步延伸。

药物共晶是一种新兴的药物晶型。一个给定的活性药物分子通过形成共晶，一方面可以大大丰富其结晶形式，另一方面可以改善其物化性质及临床疗效。药物活性分子通常因含有各种官能团而具有不同的生物活性。最新研究发现，这些官能团能够利用氢键或者其它非共价键作用而与其它有机分子通过分子间的识别作用生成超分子化合物，即药物共晶，从而有效改善药物本身的结晶性能、物化性质及药效，成为药物固体制剂的一个新选择。被引入的有机分子，也称为共晶试剂，可以是辅料、维生素、矿物质、氨基酸及食品添加剂等。因此，对于一个给定的药物，可能生成数以百计的药物共晶，为剂型设计提供了更多的选择。此外，新的药物共晶可获得知识产权保护，延长原有药物的市场周期，具有广阔的应用前景。超分子化学的药物共晶研究在国际上已经取得了一些进展。基于超分子化学原理的药物共晶研究可以从分子水平上控制药物分子的结晶过程，调控药物分子在晶体中的排列方式，从而达到改善药物性质的目的。在药物研发领域中，共晶筛选已成为继多晶型筛选和盐类筛选之后的又一项常规前期研究开发程序。目前药物共晶放大生产的相关研究也已展开，其产品的上市指日可待。然而迄今为止，对药物共晶的研究还处于起步阶段，大部分研究工作主要是进行药物共晶的设计、筛选及结构解析，对于药物共晶性质的系统研究及药物共晶结构与性能之间的相关性研究尚很少涉及。因此，深入探讨药物共晶形成的机理以提高共晶的筛选效率，通过药物共晶调控药物分子之间相互作用和堆积排列方式以达到定向改变药物熔点、溶出速率、溶解度和生物利用度等性质的目的，以适应药物开发的需要，将是药物共晶这一新兴研究领域将要面临的主要任务。

手性化合物在医药领域有重要意义。目前所用的523种天然药物及部分合成药物中手性药物有517种，1327种全合成药物中手性药物有528种。人体中的受体和酶一般皆呈手性，具有立体选择性，与手性药物异构体的作用可能区别很大，从而导致手性药物对映异构体之

间不同的药理、毒理作用及药动学过程。研究手性化合物的识别及分离是一个重要课题，并且取得了许多突破。拆分手性化合物的传统方法例如手工挑选法、化学法、动力学方法、生物化学法等由于分离效果较差、耗时长、自动化程度低、成本高而难以满足实际需要。自确立超分子概念以来，超分子以其特殊的结构和高选择性，迅速应用于手性化合物的识别和分离，显示出不可替代的优越性。超分子在手性识别中的应用分为两大部分，一是应用在手性生物传感器中测定对映体浓度，二是通过仪器分离手性化合物。

超分子化学方法应用于预测和解释化学物质尤其是手性物质的分离，具有重要的指导意义。其中的重要应用包括研究环糊精的手性识别。近几年环糊精及其衍生物用于对映体的分离不仅限于GC和LC中作为固定相或流动相添加剂，而且它也被用于毛细管(区带)电泳、胶束电动色谱和超临界流体色谱，都得到了满意的结果。另外，由于环糊精包合物超分子的形成，大大增强了某些物质的荧光强度，从而提高了这些物质的荧光分析的检测限。基于超分子作用的手性识别技术将大大促进手性化合物的研究，尤其是手性药物的研究和开发。

超分子化学应用于染料生产和染色中已有悠久的历史。瑞士著名学者H.Zoilinger教授在《色素化学》一书中指出:“尽管染色工艺比染色化学本身成熟得多，数百年来，人们仍未能对控制这些过程的诸多要素做出解释。直到今天，也只有少数化学家认识到，织物和其它物质的染色，是超分子化学迄今为止最为广泛的技术应用。”分散染料中应用砂磨的方法可作为超分子化学在染料商品化中应用的范例，而耐碱型活性染料的开发可看作是超分子化学在染料商品化中应用的实例。

超分子化学理论用于印染行业可以提高活性染料耐碱溶解度。与添加元明粉的传统活性染料商品不同，基于超分子化学理论指导下的商品化技术，采用特殊的分散剂、润湿剂和助溶剂作为添加剂可以明显提高活性染料的水溶性，满足印染行业节能减排的需要。

超分子化学对涂料学科也带来新的发展机遇，引领高科技涂料应用。2002年和2003年两次举办的欧洲功能性涂料会议上,均有超分子化学与高分子化学相结合,产生灵巧或响应性涂料的报道。

冠醚、环糊精和杯芳烃等大环化合物都具有穴状结构，能通过非共价键与离子及中性分子形成超分子，在化学物质分离提纯、功能材料研制及超分子催化方面已表现出了广阔的应用前景。它表现出原酶与生物模拟的特征，甚至可以催化酶所不能催化的某些反应。基于分子识别的超分子催化可能会从根本上改变化学工业的污染和能耗，带来化学工业的绿色革命，引起了越来越多化学家对它的重视和研究。

分子识别结合物质的转换和移位便可产生分子器件，包括光化学分子器件，分子电子器

件(分子电子学)和分子离子器件(分子离子学)，在分子器件中，光化学分子器件(MED)是近年来最活跃的研究领域之一。

具有特定空间构型的冠醚、穴醚、环糊精、杯芳烃等合成分子对超分子化学的发展起了相当重要的作用。利用这些分子的化学识别功能，已经研制成功一系列具有高选择性的化学传感器。另外，将一些生色团或指示剂分子对这些传统主体分子进行修饰，研究出多种既有超分子化学识别功能又有光学信号响应的新型敏感分子，可望在新型光化学传感器的研究与应用中发挥重要作用。传感器应用于浓度测定，而各种仪器用于分离制备，将是未来发展趋势，一次性传感器的普及将大大促进临床在体检测药物浓度。

此外，超分子化学在油田化学中也有重要应用，在提高采收率、调剖堵水、压裂酸化、钻井过程以及稠油开采中都有实践性的运用。

纳米超分子化学是当前研究的前沿和热点之一，不仅在陶瓷领域、微电子学、生物工程、化工领域、医药学、分子组装等方面应用广泛，而且在材料科学、环境科学、能源科学及生命科学等方面均有广阔的应用前景。因此有人预测21世纪纳米技术将成为超过网络和基因技术的“决定性技术”。负载四（6-氨基己酸磺酰基）铝氯酞菁聚合物纳米粒子以及负载芳基苄醚树枝形酞菁锌聚合物纳米粒子的合成与研究对肿瘤等疾病有很好的医学疗效。具有优良光学性能的纳米材料已开始应用于分子传感、生物成像、药物传递、癌症检测和治疗等，用于实现长程共振能量转移，并将广泛应用于纳米技术及生物医药分析等领域。

超分子化学作为一门新兴的边缘学科，其内容新颖，生命力强大，用途广泛。从某种意义上讲，超分子化学淡化了有机化学、无机化学、生物化学和材料化学之间的界线，着重强调了具有特定结构的超分子体系(非单一分子体系)，将四大基础化学(无机、有机、分析、物化)有机地融为一体，从而为分子器件、信息科学、材料科学、生命科学、能源科学、医药学和环境科学的发展开辟了一条崭新的道路，且为21世纪化学发展提供了一个重要的热点研究方向。Cram在20世纪80年代就曾预言，到20世纪末21世纪初，30%～40%的化学家将要运用包括分子识别在内的超分子化学的某些知识去解决所面临的问题，特别是在酶模拟、色谱、催化剂和药物控制释放等方面。自超分子化学这一概念确立以来，超分子化学的应用涉及信息科学、材料科学、生命科学、能源科学、医药学和环境科学等领域。不管是哪方面的应用，都有它的优势以及不足。我们有理由相信，随着世界科学家对该领域研究的不断深入，超分子化学必将在生命科学、环境科学、能源科学、材料科学、医药学等领域的应用中大放异彩。