基于环糊精包结络合作用的大分子自组装.docx

摘要本文综述了基于环糊精包结络合作用的大分子自组装的研究进展,包括: (1) 线型、梳型、多臂星型或超支化聚合物与环糊精或其二聚体自组装形成多聚轮烷(分子项链) 、多聚准轮烷、双多聚(准) 轮烷、分子管、双分子管、超分子凝胶及其应用; (2) 桥联环糊精与桥联客体分子自组装制备线型或超支化超分子聚合物; (3) 温度、pH 值、光及客体分子刺激响应智能体系; (4) 通过亲水性的环糊精线型均聚物与含金刚烷的疏水性聚合物之间的包结络合作用来制备高分子胶束及其空心球等。关键词环糊精自组装包结络合引言环糊精(cyclodextrins , cycloamyloses , 通常简称为CDs) 是一类由D2吡喃葡萄糖单元通过21 , 4 糖苷键首尾连接而成的大环化合物,常见的2、2和2环糊精分别有6、7 和8 个葡萄糖单元1 。其分子结构如图1 所示2 。由于每一个吡喃葡萄糖单元都是4C1椅式构象,整个分子呈截顶圆锥状腔体结构。本文结合本课题组近期相关的研究工作,着重阐述基于环糊精包结络合作用的各种分子自组装行为。2. CDs 包结络合作用的选择性从本质上看, 主客体化学的基本意义源于酶和底物间的相互作用, 这种作用常被理解为锁和匙之间的相互匹配关系,即主体和客体分子间的构互补和分子识别关系。显然, 作为主体的CDs 客体分子形成包合物的一个基本要求是尺寸的匹配,即、对体积的选择性。 一般来说,2CD 的空腔尺寸适合包结单环芳烃(苯、苯酚等) ,也可与偶氮苯衍生物客体分子形成稳定的包结物,同时它更适合与筒状或球状客体分子。3. 自组装超分子聚合( Supramolecular Polymer)超分子聚合物是单体单元之间经可逆的和方向性的次价键相互作用连接而成的聚合物31 。超分子聚合物的合成(超分子聚合) 涉及互补单体通过分子识别的选择性非共价键合、链生长(组分沿一定方向的序列键合) 和链终止32 , 33 。与通常的聚合物分子不同,超分子聚合物中的构筑单元之间是由氢键等非共价键连接的. 在基于环糊精的超分子聚合物体系中,主客体间的疏水相互作用是形成超分子聚合物的主要驱动力。Harada 等39 将由环糊精与客体分子间疏水相互作用导致的主客体间的包结络合引入到超分子聚合物的制备当中,开辟了超分子聚合物制备的新途径。这里主要是利用2CD 和2CD 对客体分子的高度选择性。他们在2CD 的次面上引入金刚烷基团,在2CD 的主面上引入一对叔丁氧基肉桂酸基团。由于金刚烷与2CD、对叔丁氧基肉桂酸基团与2CD 分别产生包结络合作用,将2CD 和2CD 的这两个衍生物混合后,就能得到交替2、2CD 的超分子聚合物(图2) 。若在2CD 次面上直接引入对叔丁氧基肉桂酸基团,则利用对叔丁氧基酰胺和2CD 分子间的包结络合,在溶液中可自组装成聚合度达15 的超分子聚合物。此外,取代基团在超分子聚合物中呈左手反式构象,聚合物自身则呈现螺旋结构40 。聚乙二醇桥联2CD 二聚体和聚乙二醇桥联金刚烷二聚体在浓度为20mmolPL 时,可自组装成分子量达10 万的线型超分子聚合物41 。此外,他们还合成了2CD 的一种 2 轮烷(该轮烷的两个封端基团分别为2CD 和可与其发生包结络合作用的客体分子) ,此2 轮烷通过封端基团之间的包结络合作用自组装成线型超分子聚合物(图3) 42 最近, Tato 等47 研究了桥联金刚烷二聚体(Ad2 ) 分别与桥联2CD 二聚体(CD2 ) 和桥联2CD三聚体(CD3 ) 的超分子自组装行为。发现Ad2 与CD2 可形成线型超分子聚合物,而Ad2 与CD3 则形成树状超分子聚合物,如图5 所示。4. 自组装多聚准轮烷、多聚轮烷与分子管4.1 多聚准轮烷、多聚轮烷轮烷( rotaxane) 是环状分子与线型分子通过非共价键连接在一起的超分子体系,线型分子的两端用大基团封闭。相应的没有封端的超分子配合物则称为准轮烷(pseudorotaxane) 。若线型分子为长链高分子聚合物,则往往可“穿”多个环状分子,这样形成的超分子配合物也一般被称为多聚准轮烷(polypseudorotaxanes) ,对线型高分子封端i后的配合物则被被称为多聚轮烷(polyrotaxanes) (又称分子项链,molecular necklace) ,其结构如图6 所示。Harada 等50 于1990 年首次发现2CD 可以和聚乙二醇(PEG) 在水溶液中形成多聚准轮烷对于2CD 和2CD ,由于空腔较大,往往在封端的过程中前驱体多聚准轮烷就已经解离,故如何找到合适的封端剂以获得2CD 和2CD 的多聚轮烷一直困扰着众多的科研工作者。最近Harada 等62 通过光化学的方法克服了这一缺点,制得了2CD的多聚轮烷。其制备过程如图7 所示,首先用一端为三苯甲基,另一端为蒽基的PPG与2CD 形成多聚准轮烷,然后通过光照使蒽基3单线态,两分子偶合成二聚体。这样便得到了三苯甲基封端的2CD 的多聚轮烷。用类似的方法他们还制得了2CD 和2CD 的多聚轮烷63 , 64 刘育等65 利用醛基修饰的2CD 自身作封端剂,制备了2CD 的多聚轮烷,然后又利用C60与封端基团2CD 的包结络合作用,进一步自组装形成线型超分子聚合物(图8)412 分子管及其组装Harada 等52 利用环氧氯丙烷将其制备的2CD多聚轮烷上的2CD 彼此交联起来,脱除封端基团及PEG后,首次得到了2CD 分子管(图10) 。刘育等68 则利用其制备的双多聚轮烷首次制备了Pt( ) 桥联的2CD 双分子管(图11) 。Kunitake 等82 , 83 利用吸附诱导自组装的方法,发现2、2和2CD 在负电压下均可在Au ( ) 表面自组装成纳米分子管。Shimomura 等84 研究了导电聚合物2聚苯胺与2CD分子管的自组装行为,发现聚苯胺可以充分穿入到2CD 分子管内, 形成一种绝缘分子纤维。Ikeda等85 则研究了2CD 分子管与十二烷基磺酸钠的包结络合行为。413 应用多聚(准) 轮烷、分子管因其独特的化学结构,往往拥有一些特殊的物理化学性质,因此有关其应用的研究也已有大量的文献报道。如可增加两亲性聚合物的水溶性,抑制聚集体的形成 ,加速聚合物的成核、结晶 、生物降解过程,提高高分子合金组分的相容性 、环境敏感共轭聚合物的绝缘性 。此外,在药物传输与释放、多重识别与靶向、凝胶与聚合物网络的构建及纳米多孔材料的制备等方面也有较多研究。5 包结络合作用诱导高分子胶束化及空心球经典的高分子胶束由嵌段或接枝共聚物在选择性溶剂中自组装形成作者在长期的有关多组份聚合物相容性研究的基础上107 , 提出并实现了高分子胶束化的“非嵌段共聚物途径”,得到了一系列的“非共价键接胶束NCCM”( noncovalently connected micelles) 的制备路线108 。例如,将质子给体单元限制在聚合物(A 链)的端基上,这样当它与质子受体聚合物(B 链,其质子受体单元可在键上无规分布) 溶解在共同溶剂中时,就有可能通过A 链端基和B 链质子受体单元的相互作用形成“氢键接枝共聚物”,这就是A2B 胶束的前驱体。当A2B 的介质由共同溶剂切换为选择性溶剂时,便有可能得到胶束结构(图12) 。这种聚合物胶束由于核2壳之间通过氢键而非共价键连接,所以通过交联壳层然后溶解内核即可得到聚合物空心球。在基于氢键作用的聚合物胶束的研究基础之上,最近,王竞等110 将CD 与客体分子之间的包结络合作用引入到NCCM的研究当中,首次利用2CD与金刚烷之间的包结络合作用,实现了聚合物胶束化及其空心球的制备。为此,我们首先合成了侧基带2CD 的亲水性聚合物(PGMA2CD) 和侧基带金刚烷的疏水性聚合物( PtBA2ADA) (图13) 。在两者的共同溶剂DMF 中,2CD 和金刚烷之间实现包结络合。然后加入PtBA2ADA 的选择性溶剂水,即可得到以PtBA2ADA 为内核,PGMA2CD 为壳的聚合物胶束。这里核与壳是通过2CD 和金刚烷的包结络合作用连接在一起的。由于包结络合作用主要发生在核2壳的界面上,故壳层上仍有大量的未发生包结络合的2CD 空腔,可进一步进行表面修饰。所形成胶束的壳层交联后,在50 的DMF 中处理胶束,此时金刚烷和CD 解络合,故PtBA2ADA 可溶解并通过交联壳层扩散出去,就得到以PGMA2CD 为壁的空心球(图13)6 自组装智能响应体系智能(intelligent , smart) 材料是指对环境具有可感知、可响应,并具有功能识别能力的新材料。智能高分子是其中一类,是受到外界环境的物理、化学乃至生物信号变化刺激时,其某些化学或物理性质发生突变的聚合物。下面将着重阐述基于环糊精包结络合作用的智能响应体系的研究工作。Yui 等111 在以2、2CD 修饰的聚赖氨酸(2CDPL、2CDPL) 与一系列功能化修饰的客体小分子的包结络合作用的基础上,在温度、pH 值快速响应的智能体系方面作了系统性研究。他们发现2CDPL 与32三甲基硅烷基丙酸(TPA) 体系具有可逆sol2gel pH 响应性,在酸性和碱性条件下,体系呈sol状态,而在中性条件下则呈gel 状态(图14) 112 。此外,Nozaki 等113 研究了侧基含2CD 的聚N2异丙基丙烯酰胺( PNIPAM) 与82苯胺基212萘磺酸铵(ANS)在不同温度下的荧光光谱行为,发现2CD 的引入使PNIPAM具有更强的疏水微环境,随温度升高其疏水作用明显增