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作为分子开关的环糊精包结物材料5.1 刺激响应性的环糊精包结物概述在第一章中我们就提到，通过非共价键连接所形成的超分子化合物，由于通常具有很好地刺激响应行为，如力学响应性、电场响应性、磁响应性、光致响应性、温度响应性、pH 响应性等，因而也特别适合作为具有人工智能的智能材料来应用。在本章中，我们将集中讨论环糊精包结物材料在分子开关（分子导线）等领域的应用前景。狭义上的开关仅是控制电路通断的装置，但实际上，本章中的许多分子被冠以开关之名，却和电路并无关系。因此，需要首先明确分子开关的定义，目前科学家们一般把拥有下列三种功能的分子或分子体系定义为分子开关：1.能通过自身状态的变化，控制电路的通断。（最原始的开关定义）2.能通过自身两种状态（on & off）的互相转变，以达到记录信息流（0 和1）的作用。（微电子学中拓宽了的开关定义）3.一长串装置中的某一个关键部分，可通过自身状态的二重变化（如激活与失活），来控制一个复杂多步进程的开始和终止。（生命科学中抽象的开关定义）对应上述三种分子开关的定义，尽管实际中的各种分子开关种类繁多，所发挥作用的机制也不相同，但其中还是可以总结出一些普适或局部普适的原理1。1. 分子内共轭体系的形成：这是分子开关控制电路通断的典型原理。由于大键中的电子能在整个离域体系中运动，因此许多分子内具有大共轭体系的物质分子具有导电能力。这类分子开关往往在常态下具有两个或多个分立的共轭体系，无导电能力。一旦受到某种外加条件的影响（如光照），分子内发生局部变化，使分立的共轭体系相连形成贯穿整个分子的共轭体系，从而具备导电性。此类分子符合分子开关的第一项定义。2. 开关分子或分子体系必须具有双稳态（或多稳态）结构，在外加条件的影响下，分子可以从一种稳态结构转化为另一种稳态结构，且当引起变化的外界条件消失后，分子能够自发返回到原来的状态。即：稳态之间的互变必须是可逆并可循环进行的。这一点是一个分子能够成为开关的最基本条件。如果该转变不可逆，则该开关使用一次后即报废，没有利用价值。此类分子符合分子开关的第二项定义。3. 锁钥模型和多米诺效应：这一原理常见于生物体内的分子开关，通常是由蛋白质强大的变形能力实现的。当信号分子与受体专一性结合后，受体蛋白发生变形，其上的一些作用位点（钥匙）通过分子间的相互作用与下一级蛋白质分子上的某些位点（锁）结合并使之激活，引发下一级反应。下一级蛋白也通过同样的模式不断地将这个信息传递下去，引发多米诺式的级联反应，最终将该信息传至效应器。此类分子符合分子开关的第三项定义。 对于环糊精包结物而言，如果将主体环糊精和各种客体分子考虑成一个分子体系，那么环糊精与客体分子包结形成包结物的包结态，以及环糊精与客体分子未形成包结的未包结/解包结态正好对应着第二项原理的双稳态结构。如下图所示，如果包结态和未包结/解包结态可在如光电，温度，pH值以及氧化还原等外界条件改变的刺激之下呈现出可逆反应的特点，这样的分子体系就是合乎第二项定义的分子开关。图1： 当环糊精与聚合物，特别是嵌段共聚链包结时，在包结数目小于饱和时，在热力学因素的驱动下环糊精通常对包结位置具有一定的选择性。类似地，在某种外界条件改变时，环糊精可能会选择另外的包结位置。这样，环糊精包结物在不同位置的包结也对应了第二项原理的双稳态结构。如果这两种状态是可逆的，那么环糊精与聚合物的包结物也就是我们之前提到的聚轮烷这个超分子体系也可以成为合乎第二项定义的分子开关。插图图2：虽然从理论上讲，环糊精包结物分子体系也可以作为第三类分子开关使用。例如，有大量报道指出环糊精与蛋白质，核酸等生物活性分子具有包结作用，那么如果这些环糊精包结物可以进一步实现在外界条件刺激下的可逆包结，很显然我们就可以得到一类符合第三项定义的分子开关。这也许是作为分子开关的环糊精包结物研究未来的发展方向之一，但是就目前而言，大量关于环糊精包结物分子开关的研究仍然集中于符合第二项定义的分子开关，即人们总是试图构造出具有双稳态结构的环糊精包结物，并验证其在外界刺激下的可逆性能。5.2 环糊精包结物分子开关概述在上节中，我们分别简单讨论了环糊精和小分子以及大分子包结物形成的分子开关的机理。更普遍地，依据环糊精包结物中主客体不同的包结情况，可以给出对应这两种包结情况的更广义的定义。（1）包结和去包结型的分子开关。如图1所示，这是最简单的一类环糊精包结物分子开关，该体系只包括环糊精和一种小分子客体，且客体可在外界条件地刺激下进入环糊精空腔形成包结物或者从空腔离开而去包结。实际上，这种类型的分子开关不仅限于小分子客体，当客体分子为聚合物链时，同样存在着许多符合包结和去包结型的分子开关定义的体系。图3给出了温度控制的环糊精与聚合物的包结物分子开关的两个例子2。这两个体系都是包结和去包结型的分子开关，当形成包结物时体系产生沉淀或者凝胶，而去包结时又成为溶液。图3 温度控制（热控制）的自聚合和交联聚合的示意图（2）竞争包结型的分子开关。在此类体系中，如图4所示，这类分子开关通常会包含一种环糊精和两种不同的客体，或者两种不同的环糊精和一种客体。对前者而言，对应不同的外界条件，环糊精会分别与不同的客体包结而构成“双稳态”结构。而对后者而言，在不同的条件下，客体会与不同的环糊精包结从而构成“双稳态”，且上述的两种“双稳态”都是可逆的。在这种分子开关体系中，所构建的“双稳态”要么是两种客体对环糊精空腔的竞争，要么就是两种环糊精对客体的竞争，因此此类型的环糊精包结物分子开关被称为竞争包结型的分子开关。图4 竞争型分子开关原理在另一种情况下，如果我们将两种不同的客体通过化学键“连接”起来（图5），很显然，如果外界条件呈现周期性的变化，环糊精会沿着整个分子做周期性的往复运动，类似所谓的“分子梭”。从广义上理解，这种往复型的分子开关体系应该也属于竞争型的分子开关体系。更普遍的，如果把往复型分子开关中客体发展为聚合物，因为聚合物链中可以含有多对配体，聚合物链也可以包结多个环糊精分子。随着外界条件的变化，多个环糊精都会在聚合链上产生滑动，这也是一类符合竞争型的分子开关定义的环糊精包结物。此外，如果能够使多个在分子链上运动的环糊精产生协同作用，再加之聚合物所特有的可加工性和力学性能，此类分子开关将具有非常好的应用前景，也将是本章的研究重点。图5 往复型分子开关原理除了上述的几种典型的分子开关以外，配位型分子开关是一类比较特殊的分子开关。在此类分子开关中，分子开关的作用机理一般并不依赖于环糊精与客体之间的包结作用。通常，一个功能性的侧链会引入到环糊精分子中，在这个侧链的帮助下，环糊精分子可以通过配位作用与各种离子配位，而配位的离子又会对侧链上或者空腔中的生色基团产生某种物理化学作用，这样配位前后构成了两个不同的状态，因此也符合分子开关的第二项定义。由于配位型分子开关体系通常对离子具有极高的选择性，因此十分适合作为各种传感器或者检测器使用。需要注意的是，如果离子配位的过程在外界条件的刺激下是可逆的，那么所构建的分子体系就完全符合分子开关的各种要求。但即使配位过程不可逆，这种单次开关型的体系仍可完全满足作为检测器的需求。在前面的讨论中，我们强调了构建“双稳态”结构是形成分子开关的基础。但是，仅仅具有“双稳态”结构是不够的，要想得到实用化的分子开关，还要求双稳态结构对应分子体系某种物理性能的变化，并且这种物理性能的变化可以轻易地被现有检测仪器所检测。就如同生活中开关的开和关可以对应电流的有和无，而电流的有和无可以被轻易地检测出来。对于基于环糊精包结物的各种分子开关，通常开关的闭合会引起体系吸光度，荧光，光学性能，甚至体系形态等变化，而这些物理性质可以很简单地被检测。（1）吸光度变化此处所指的吸光度变化是指分子中生色基团的吸收光谱的出峰位置，强度以及形状的变化。吸光度经常用来表征环糊精包结物分子开关的开闭，尤其通过溶剂效应来调控这些分子开关的开闭时，在不同极性的溶剂中，生色团吸光度会发生明显的变化3-5。通常根据相似着相溶的原则，在极性的亲水环境中，客体分子中的疏水部分会与环糊精的空腔产生包结，相反地在疏水环境中，客体分子与环糊精则易于去包结。这个过程是典型的溶剂响应的包结和去包结型的分子开关体系。如果此体系的客体分子中带有生色团，因为包结和去包结时客体分子的微环境具有明显差异，整个分子体系的吸光度会随着分子开关的周期性开闭而周期性地变化，对于某些特定的体系，会产生明显的颜色变化。（2）荧光变化由于荧光可以受到如温度，pH值，极性，粘度，氢键，有否荧光淬灭剂等6许多因素的影响而发生变化，因此荧光变化最易于用来表征分子开关体系的开闭情况。例如，pH值，极性，粘度以及氢键都有可能因为微环境的变化而发生改变；环糊精空腔对客体分子的限制则抑制客体分子荧光基团的分子内旋转从而提高荧光量子产率；当客体分子的荧光基团被环糊精空腔包结时溶液中荧光淬灭剂的淬灭效果可能被屏蔽；而环糊精的侧链上的取代基从溶液中能够捕获荧光淬灭剂时，则有可能将被环糊精空腔包结的荧光基团淬灭。（3）圆二色谱当非手性的客体生色团位于手性的环糊精之中时，客体分子就具有了光学活性并具有圆二色谱信号。圆二色谱信号具有如图6所示的以下规则7,8：a. 生色团的电子偶极跃迁如果平行于环糊精的轴向就会产生圆二色谱正信号，如果沿着圆周的方向跃迁则产生负信号。b. 当生色团从环糊精的空腔中脱出而去包结时，圆二色谱的信号会与上面相反。根据上述规则，可以看出当生色团在空腔中包结或者去包结时，其圆二色谱信号会发生改变，这样通过读取圆二色谱信号的变化就可以表征分子开关的开闭。图6：包结前后圆二色谱信号的变化（4）形貌 在一些情况下，客体和主体的包结后产生的包结物的形貌会发生变化，这些变化也可以用来表征分子开关的开闭。5.3包结和去包结型的分子开关在前面的章节中，我们已经介绍了包结和去包结型的分子开关的基本原理。在本节中，我们将给出一些包结和去包结型的分子开关的实例。由于环糊精可以在水相中包结很多种疏水的客体分子，并且在有机溶剂中因去包结效应而脱除这些客体分子。这样，通过溶剂的改变就可以得到许多种包结和去包结型的分子开关。如图7所示9，酚酞分子也是这样一种典型的客体分子。大家都知道当pH值大于9.75时，酚酞分子会从无色变为红色，但是如果此时将-CD加入溶液中，酚酞分子因为被-CD包结而从红色变为无色。更进一步地，当加入甲醇时酚酞分子又会从-CD空腔中脱除使得溶液颜色再次从无色变成红色。显然，在上面这个体系中，分子开关的开闭是由溶剂控制的，而开闭状态的读取则可以通过整个溶液颜色的变化来得到。图7：环糊精酚酞包结物分子开关Matsui及其合作者10构建了一个电驱动的包结和去包结型的分子开关。如图8所示，他们首先将多肽固定在碳纳米管的表面，随后在多肽表面锚定二茂铁分子。同时，在金基底之上通过巯基化的-CD构建-CD的单分子层。将两者混合时，多肽上的二茂铁可以被-CD所包结，包结物的生成可以通过扫描电镜SEM观察。而当施加一个外加电场时（5102 V/m， 1kHz），二茂铁碳纳米管会从金基底表面脱离。在这个例子中，分子开关的开闭是由电流控制的，而开闭状态的读取则可以通过SEM来完成。上述分子开关在电控制下可以方便地实现包结和去包结作用，实际上是通过简单的手段实现对特定的分子、基团或聚集体的“抓”和“放”，因此也可以定义这样的体系为“分子触手”。“分子触手”是更高层次的分子识别作用，更能在识别过程中体现人为操纵与控制的作用，将在靶向释药、分子机器等领域应用广泛。图8：电驱动的环糊精二茂铁包结物分子开关采用完全类似的思路，Matsui等进一步报利用环糊精和偶氮化合物实现了光驱动的超分子触手体系( 图9) 。巯基-环糊精很容易组装在固定于硅表面的金基质上形成自组装单层膜。羧酸基修饰的偶氮化合物通过羧基与缩氨酸组装的纳米管上的氨基发生氢键作用，反式偶氮苯可被-环糊精空腔识别，实现了固定纳米管的目的。360nm 的紫外光照5h 后，偶氮苯基团异构并脱离-环糊精空腔，实现了释放纳米管的目的。这是个典型的“分子触手”的设计。需要注意的是，“抓”和“放”功能的实现，就对应着分子开关体系的开闭。图9：光驱动的环糊精偶氮苯包结物分子开关（超分子触手）11刘等12也报道了如图10所示的十分有趣的基于吡啶-2,6-双酰胺桥双-CD的pH控制的包结和去包结型分子开关。在pH=7.2的缓冲溶液中，吡啶基团位于两个-CD的外侧，此时吡啶在213nm左右的1La带的跃迁与环糊精轴的圆周方向相同并在213nm处产生正向的圆二色谱信号。但是，在pH=2.0的缓冲溶液中，吡啶被环糊精空腔所包结，其中在220和270nm的1La和1Lb带与环糊精轴的圆周方向相同并出现两个负的cotton效应峰。此外，这个双环糊精复合物在pH=2.0时也会发射出比pH=7.2时更强的荧光。图10：pH值驱动的环糊精吡啶包结物分子开关Reinhoudt等13-15则构建了一个光驱动的的包结和去包结型的分子开关（图11）。两个-CD被连接到二芳烯基团的两侧，二芳烯基团则会在光照下分别呈现开环和关环的两种状态，从而导致两侧的两个环糊精基团分别具有错开或者“面对面”的两种构象。“面对面”的构象则由于合适空间匹配性并且每个环糊精空腔都可以包结苯磺酸基团，因此对四苯磺酸基卟啉（TSPP）具有很强的包结作用。在错开的构象中，由于只有空间不匹配，只有一个环糊精空腔可以很弱地包结苯磺酸基团。这样，就可以通过光驱动在水溶液中实现对TSPP的捕获和释放。此外，这个光控分子开关在413nm处存在着很强的吸光度变化，通过这个变化可以检测出分子开关的状态。图11：二芳烯光致开闭环反应调控的双环糊精四苯磺酸基卟啉分子开关5.4竞争包结型的分子开关目前很多文献所报道的竞争型分子开关大都是指在诸如pH值，光，溶剂以及温度等外界条件的刺激下体系中的环糊精可以在不同的位置来回移动的轮烷体系。而在各种的外界条件中，因为具有快速响应，可遥控以及比较简单等特点，光控体系通常被认为是最优的选择。通过体系中光活性基团的可逆光致反应可调控分子物理和化学性质变化，并因此产生使得环糊精在分子体系内部运动的驱动力。田课题组最近报道了许多光致响应的竞争包结型环糊精包结物分子开关，图1216给出了采用二苯乙烯作为光活性基团的基于轮烷的自锁型光驱动分子开关的结构图。在酸性环境中，异酞酸上的羟基与环糊精的羟基会形成氢键从而将环糊精环固定在靠近异酞酸的位置，远离客体分子中另一端的4-氨基-1,8-萘酰亚胺基-磺酸荧光基团（ANS）。当向体系中加入碳酸钠将pH调整至9.6时，环糊精环因为氢键被破坏而可以“自由”运动。而如果用335nm的紫外光照射所得到的碱性溶液，可导致二苯乙烯分子发生光致异构反应并使得环糊精环从二苯乙烯侧向客体分子中心的二苯基基团移动，同时靠近客体分子中的ANS端。环糊精环的刚性会限制客体分子中亚甲基和苯环的运动从导致客体分子的荧光强度增加63%。采用280nm的光照射体系，则可以使得环糊精环回到异酞酸端并且荧光强度也降低至原有水平。图12：光驱动的环糊精ANS竞争包结型分子开关在上面的例子中，分子开关的开关是光驱动的，同时体系的荧光强度被用来表征分子开关的开闭状态。在下面的例子中，圆二色谱信号被用来表征分子开关的开闭状态（图13）17。首先将-CD和棒状客体分子紫罗碱-偶氮苯-紫罗碱在水相自组装形成准轮烷，环糊精位于偶氮苯之上。然后向体系中加入两摩尔的葫芦7脲（CB）将其封端。由于偶氮苯在光照下的呈现可逆的顺反异构特性，包结在偶氮苯之上的-CD也随之在偶氮基和苯基之间做往复运动，同时环糊精在不同位置的滑动还会引起365nm处圆二色谱信号强度的变化。在这个体系中，封端的葫芦7脲为环糊精沿着棒状客体分子的运动提供了足够的空间，并且这种效应在固态薄膜中也能体现出来，这使得科学家有可能利用这个分子开关体系构建固态的分子器件。图13 光驱动的环糊精偶氮苯竞争包结型分子开关另一类基于偶氮苯轮烷的分子开关见图1418-19，具有偶氮苯侧基的-CD可在水中进行分子内的自组装得到分子内包结的环糊精包结物，其中侧基上另一侧的卤代苯穿过环糊精空腔并从空腔中露出来，然后可在碱性溶液中将其与萘酰亚胺基-N-苯硼酸通过Pd催化的Suzuki偶合反应得到如图所示的轮烷。轮烷中的偶氮苯在光照下发生从反式到顺式的异构，这导致轮烷上的环糊精沿着偶氮苯基团的移动，并引起圆二色谱在322nm处的负信号和433nm处的正信号的强度的变化。图14 光驱动的环糊精偶氮苯竞争包结型分子开关（分子内自包结）最近，Harada等合成了如图1520所示的具有偶氮苯侧基的PEG取代-CD（Azo-HC-PEG-CD）。在较低的浓度和80下，Azo-HC-PEG-CD中的侧基在环糊精空腔的外侧。但是，当温度低于60时，偶氮苯基团会通过分子内自组装被包结在环糊精的空腔里。一旦温度将温度降至1，由于苯胺和环糊精之间比反式偶氮苯具有更高的亲和力，环糊精会继续滑动至苯胺基团处。有意思的是，如果用紫外光照射使得偶氮苯发生顺反异构后，环糊精又会滑向偶氮苯基团。图15 温度驱动的环糊精偶氮苯竞争包结型分子开关（分子内包结）在主客体系统中，加入另一种更具亲和性的客体可以打破最初的包结平衡，并破坏最初的包结物。然后，最初的客体从主体中去包结，后加入的客体与主体包结形成新的构象。这也是一种典型的竞争型分子开关体系。图1621示意了一种此种类型的分子开关，首先制备了肉桂酰胺取代的-CD。在水溶液中，反式肉桂酸的部分可以通过分子内包结进入环糊精的空腔。当向体系中加入金刚烷醇时，由于金刚烷醇具有更大的包结常数，金刚烷醇会取代肉桂酸而进入环糊精的空腔形成新的包结物。而如果用正己烷将金刚烷醇从体系中萃取走，体系又会回复到肉桂酸酰胺分子内包结物的状态。这个分子开关体系可以看做是纳米尺寸的内燃机，其中环糊精是气缸，肉桂酸酰胺是活塞，而金刚烷醇则是燃料。图16 光驱动的环糊精竞争性包结肉桂酸或金刚烷醇的分子开关在前面的章节我们讨论分子开关定义的时候，我们谈到了第三类分子开关的定义。虽然生物过程大都十分复杂，但此处可以给出一个生物体系中的分子识别的简单的例子。在这个例子中首先得到了如图1722所示的-CD衍生物，三个可用于分子识别的糖基以及络氨酸基团通过丁二酰胺连接在-CD的侧链上，由于络氨酸上的苯酚基团可以通过分子内自包结而进入环糊精的空腔并导致丁二酰胺分子链的折叠，这使得用于分子识别的三个糖基过于靠近环糊精并丧失了与蛋白进行特异性结合的能力。而一旦金刚烷酸被加入到体系中，由于金刚烷酸更强的竞争包结能力，苯酚基团会从环糊精空腔中脱出而去包结。这样三个糖基就完全暴露出来并可以充分与凝集素进行充分的特异性结合。而如果用合适的试剂从体系中去除金刚烷酸则有可以使整个分子开关体系回复到最初的状态。图17 环糊精竞争性包结络氨酸或金刚烷酸并调控其特异性吸附蛋白能力的分子开关类似的分子开关体系还可以作为人工酶来促进酯类化合物的水解。Lee和Ueno报道了光控的分子开关体系，该体系可通过分子开关的开闭来控制整个体系催化酯类水解的能力。如图18所示，在这个体系中，具有催化功能的组氨酸的残基和具有光致响应性偶氮苯同时被引入到-CD的侧链上。当偶氮苯具有反式构象时，偶氮苯被包结在环糊精的空腔之内，这样酯基就被排除在环糊精的空腔外，也不具有明显的催化活性。这时，通过偶氮苯的被包结这个分子开关关闭了催化酯类化合物水解的功能。而当通过光照将偶氮苯的构象由反式转为顺式的时候，由于空间的不匹配，顺式环糊精从空腔中脱出。这样酯类化合物就可以通过包结作用占据环糊精的空腔，并且在组氨酸残基的催化下具有明显加快的水解反应。图18 光驱动的环糊精竞争性包结偶氮苯或金刚烷酯的分子开关刘等23使用简单的策略就构建了一个具有二维结构的竞争包结型准轮烷，在该准轮烷中主链和侧链上都被环状分子所包结。首先将正己基-1,6-二胺引入到-CD的侧链上，然后将葫芦脲CB6包结在侧链之上。然后再加入链状聚合物聚丙二醇（PPG），PPG可同时穿过多个-CD的空腔而得到二维结构的聚准轮烷，其中-CD包结在主链上而CB6则包结在侧链上。这个新型的二维聚准轮烷可以在碱性条件下脱去CB6而变成单主链包结型的聚准轮烷，随后如果再加入-CD则又得到另一个主侧链均为-CD包结的二维聚准轮烷。第二个聚准轮烷又可以在酸性条件下可逆地变为第一个聚准轮烷。图19 pH响应的二维结构的竞争包结型分子开关Choi等报道使用PEI-b-PEG-b-PEI 作为分子轴链与-CD 进行包结来制备聚准轮烷24（图20）。由于PEI的阳离子性质，改变溶液的pH 能改变其质子化程度。结果是在非离子条件下，-CD 可以同时与PEI及PEG 形成良好的结晶包结物，CD 位于整个分子链上；而在PEI 质子化条件下，CD 从位于共聚物两端的PEI 链段上脱离下来，其余的则仍位于中间的PEG 链段上，整个过程如图3 所示。这就为制备具有pH 控制开关性质的分子梭提供了一条新途径。图20 pH响应的环糊精聚合物竞争包结型分子开关Harada等25将偶氮基团通过长链基团修饰在-环糊精上，研究了其在光照和加热状态下的分子自包结和脱包结作用( 图21) 。在此基础上，Harada 等又合成了化合物20、21，通过两分子之间的互锁作用，发展了新型光驱动的Janus 型轮烷。在365nm 的紫外光照下，-环糊精可以从偶氮基团部位移动到烷基链上，而在430nm 波长光照下，体系恢复如初。这样利用不同波长的光照可以操纵整个轮烷体系内部的相对位置变化和整体形状的改变，达到模拟肌肉运动的目的。需要强调的是，这种Janus 型轮烷拥有两个-环糊精的识别位点，分别是偶氮基团与烷基链部分，-环糊精对其的包结作用是trans-偶氮苯 烷基链cis-偶氮苯，在光照的控制下，整个体系形成一个小型的“逻辑门”，具有一定智能材料的特征图21 光驱动的环糊精包结物模拟逻辑门Yui等26以-CD与PEG-PPG-PEG组装，并用较大基团封端得到聚轮烷超分子结构（图22）。该产物随温度变化表现为溶解性质的改变，经研究表明在PBS缓冲溶液中，在一定的温度范围内(10-50)，温度升高有利于-CD会向PPG链段移动，温度降低有利于-CD会向PEO链段移动而这种温度敏感性，可起到机械活塞的作用。 图22 温度响应的环糊精包结物“机械活塞”图23给出了另一类的基于甲基化-CD聚轮烷的重排型分子开关27。通过环糊精与PEG的自组装得到聚轮烷，并且控制PEG上环糊精的包结率为28%（包结率100%时指得是平均每两个EG单元包结一个-CD）。采用碘甲烷和氢化钠在DMSO溶液中得到甲基化的聚轮烷。在低温下，聚轮烷在水溶液中具有分散的构象，即环糊精松散地平均地分布在PEG链上。而在高温下，环糊精环之间的疏水相互作用增强使得环糊精环相互之间紧密地排列。于是聚轮烷呈现出相分离的特点，即亲水的部分裸露的PEG链和紧密地排列成管状的环糊精。而在宏观上表现为聚轮烷溶液粘度的急剧升高并得到一个弹性的凝胶。图23 温度响应的甲基化环糊精聚乙二醇包结物竞争包结型分子开关5.5 不依赖于环糊精与客体包结作用的分子开关在以上的例子中，我们给出了许多种分子开关，这些分子开关的开或关功能的实现无不依赖于环糊精主体与客体间的包结作用。实际上，还有一些分子开关或者类似分子开关体系，其开或关功能的实现并不依赖于主客体间的包结作用。在5.2中，我们提到过配位型分子开关是一类不依赖于环糊精与客体间相互作用的分子开关体系，图24给出了具体的例子28。通常，生色团和离子之间的配位会改变生色团的能量水平并且引起其诸如波长和强度等荧光发射光参数的变化。利用这个性质可以构建很多的化学传感器和生物传感器，对离子的检测过程也可以看做是离子控制的分子开关。由于环糊精具有水溶性，无毒，可市购，易于修饰和具有可配位空腔等优点，他们是构建离子传感器和离子控制的配位型分子开关的合适平台。下图给出了一种锌离子控制的分子开关。这个分子开关包括8-氨基喹啉修饰的-CD8和被-CD包结的金刚烷乙酸酯。喹啉上的N原子和羰基负离子可以与锌离子配位而得到一个三元复合物，同时使得环糊精包结物在416nm处的荧光急剧降低，同时490nm处的荧光急剧增加（I/I0=6.8）。这个环糊精包结物体系对锌离子具有非常优异的选择性，其基本符合了生物化学传感器的要求，同时在生理条件下的锌离子检测等领域也有潜在的应用前景。图24 基于环糊精金刚烷酯包结物的配位型分子开关Yashima和合作者29报道了一类环糊精悬挂在侧链上的分子开关。在铑催化剂催化下通过乙炔基苯甲酰胺-CD可以得到上述的环糊精悬挂在侧链的聚乙炔。由于邻近环糊精之间的相互作用该聚合物具有单螺旋构象并且在25下共轭的聚乙炔骨架具有很强的圆二色谱信号。而在较高的温度下，如图25所示，聚合物骨架的螺旋会为转变为不同的扭曲角。螺旋的变化会引起圆二色谱信号的变化，并且共轭双键螺旋图像的变化会带来聚合物颜色从红到黄的变化。除了热致变色机理之外，这些聚合物也显示出溶致变色机理。例如金刚烷醇的客体小分子进入环糊精的空腔形成包结物，以及含有1-苯基乙基胺等光学活性化合物的手性溶剂也可以引起螺旋的变形和颜色的改变。因此，这个环糊精悬挂在侧链上的分子开关可作为检测小分子和环境变化的传感器。图25 温度响应的基于构象变化的分子开关 近年来，冯增国课题组发展了一类利用ATRP方法采用聚合物链封端聚轮烷的方法。通过这个方法，最后得到的产物实际上聚合物-聚轮烷-聚合物三嵌段共聚物。这时，第二类分子开关的双稳态结构既可以由聚轮烷部分提供，也可以由聚合物部分来提供。例如当引入聚异丙基丙烯酰胺得到聚异丙基丙烯酰胺-聚轮烷-聚异丙基丙烯酰胺三嵌段共聚物时，这个共聚物的温度敏感性能就是由聚异丙基丙烯酰胺部分提供的。另一方面，如果聚合物和聚轮烷分别提供所谓的双稳态结构，那就可以得到双响应的分子开关体系。 例如他们采用如下的路线(图26)30，利用ATRP法并以Cu(I)Cl/PMDETA为催化体系，在25C水相条件下引发 NIPAAm在聚准轮烷两端聚合进行封端，成功制备了以-CD的包结物为中心链段，以低聚PNIPAAm为封端基团的温敏性三嵌段共聚物。在低温下共聚物溶于水溶液中，而在高温下聚合物会因为聚异丙基丙烯酰胺链段的团聚而从溶液中沉淀。同时，聚合物的沉淀会引起溶液的吸光度的突变。因此，这个体系也可以看做一个温度驱动的分子开关。进一步的，他们还得到了以-CD和-CD的包结物为中心链段的低聚PNIPAAm封端的三嵌段共聚物，这两个三嵌段共聚物也都具有相似温敏性。值得注意的是，在这三个含聚轮烷的嵌段共聚物中，温度敏感性是由聚异丙基丙烯酰胺链段而不是环糊精包结物提供的。图26 温度敏感的以-CD的包结物为中心链段的三嵌段共聚物最近，他们课题组报道了溶剂/温度双敏感的聚轮烷31。将Pluronic F127与-CD自组装形成的PPR作为引发剂，利用ATRP引发温度敏感的N-异丙基丙烯酰胺单体聚合。形成的PR经过不同溶剂处理后，能够得到不同的聚集形态：用无水乙醚从DMF中沉淀出的聚准轮烷为分散态，-CD松散分布于PPO、PEO 链段上；而此分散态的聚集体在水中聚集后会变成紧密态，-CD紧密规整分布于PPO上，得到具有管道状的聚集体，如图1.18所示。而本身聚异丙基丙烯酰胺链段则具有温敏性，故最终得到了一种溶剂/温度双敏感的PR。 显然，在这个体系中，溶剂响应性能与环糊精包结物的聚集态结构有关，而温度敏感性则来自于聚异丙基丙烯酰胺链段。图27 溶剂和温度双响应型以环糊精包结物为中心链段的三嵌段共聚物5.6 环糊精包结物分子开关的应用应当指出的是，目前虽然人们开发了很多种类的基于环糊精包结物的分子开关，但这些分子开关的各种特性大都是在溶液状态下表现出来的。显然，这与材料被实际应用时可能要遇到的需在高温、高过载、高应力、低压力等环境下长期使用的目标要求相去甚远。因此，如何实现分子开关的器件化是一项不仅具有理论意义，而且也具有使用价值的研究工作。基于环糊精包结物的分子开关，大都建立在环糊精与客体之间的“包结-去包结”过程的基础上。而这种超分子可逆包结体系的脱包结的过程即自解离过程。而在自然界中，自解离过程常常在基因转运、药物靶向释放、生物学控制等领域发挥重要作用。另一方面，在“包结”和“去包结”两种状态下，整个超分子体系的熵值是不同的，即体系混乱度在“包结-去包结”过程中会发生变化。这也就意味着有可能实现某些有一定规整度的聚集体或特定分子构型如凝胶、囊泡等相态的出现和消失。陈永明等32利用-CD与双亲水性两嵌段共聚物聚氧化乙烯-聚丙烯酸(PEO-b-PAA) 在水溶液中组装成球形粒子，具有pH响应性（图28）。该PPR的尺寸在不同pH值下能够发生变化：(1) 酸性条件下，约为50 nm和100 nm的球形粒子；(2) 碱性条件下，约为100 nm的球形粒子；(3) 中性条件下，组装成为500 nm的球形粒子以及一些亚稳态结构。 图28 pH响应的基于环糊精包结物的球形粒子还需要注意的是，相对于pH 响应型、氧化还原响应型分子开关来说，光驱动分子开关更为简洁方便，具有更好的可逆性与逻辑性，在无外加化学物质干扰下实现对体系的控制，在时间与空间上实现“开启”与“关闭”的作用具有不可比拟的优越性。利用光来操控分子，不会产生副产物，响应迅速，简单方便，而且可逆性好。除此之外，光能也是最清洁的能源之一，在强调可持续发展的今天有着积极意义。江明等33合成了完全疏水的含有长链烷基的偶氮化合物1，与-或-环糊精包结后形成的超分子型两亲分子在水中可以自组装成囊泡( 图29) ，并且分别应用动态光散射和透射电镜对囊泡的粒径和形貌进行了表征。经过30min 的紫外辐射，囊泡相完全消失，取而代之的是一些无规则的聚集体; 而在434nm 的可见光照下，囊泡则重新形成。这是利用环糊精与偶氮化合物的包结作用成功“启动”了囊泡的形成。在此，他们首次提出了超分子型两亲分子的概念，并且指出环糊精对客体分子的包结作用是超分子型两亲分子形成的关键因素。众所周知，偶氮化合物的顺反异构的转变可以通过紫外光谱的变化观测到，但他们特别指出，在环糊精的存在下，偶氮化合物的顺反异构时紫外光谱的变化幅度会相应变小。图 29 光驱动的基于环糊精偶氮苯包结物的可逆囊泡进一步的，他们33还报道了聚N-( 1-甲基乙基) -2-丙烯酰胺修饰的-环糊精3 与含有偶氮基团的Frchet 型树枝状化合物4 或5 形成的囊泡( 图30) 。这种修饰的环糊精亲水性增加，识别性能也相应增强。该囊泡在10min 的紫外光照后消失，TEM可以观测到不规则的大颗粒聚集体，在室温下经过434nm 的可见光照后，囊泡重新形成。同样的机理，环糊精与顺式和反式的偶氮基团的不同包结状态是此现象形成的关键因素。这是第一例报道的由修饰环糊精与偶氮基团构筑的控制囊泡相开启与关闭的光控超分子可逆体系，这也意味着在超分子化学领域，可以通过人为改造超分子主体，更加自由地达到所需的目的。此外，江明还指出他们所报道的囊泡体系除了光响应之外，还是温度响应的34。 图30 光驱动的基于聚N-( 1-甲基乙基) -2-丙烯酰胺取代环糊精偶氮苯包结物的可逆囊泡Zhang 等35采取了另一条巧妙的思路: 利用环糊精与偶氮化合物的包结作用来“关闭”囊泡相( 图31) 。偶氮化合物2 由于本身即是一种两亲性表面活性剂，在水溶液中适当条件下可以形成囊泡型聚集体; 当加入-环糊精与之形成1 1的包结物后破坏了2 的两亲性，导致“头基”与“尾链”都有亲水性，这也导致了囊泡相的“关闭”; 当此体系经过波长为365nm 的紫外光波辐射，会导致偶氮基团由反式向顺式的转变，进而导致环糊精与偶氮基团的脱包结，将-环糊精“赶”到了烷基链上形成一种类似假轮烷的两亲结构，使囊泡相重新“开启”; 此外，经过新形成的囊泡溶液在经过450nm 可见光照射后，囊泡相再次消失。Zhang 等35特别指出，这两种囊泡相形貌是有差别的，这正是由于二者的构筑基元的不同而造成的。图31 光驱动的基于环糊精偶氮苯包结作用关闭囊泡分子开关体系Ji 等36未对主体化合物进行修饰，而是将偶氮基团接枝共聚，得到了新型的含有偶氮基团的两亲分子6 ( 图32) 。6 可在水溶液中自组装成囊泡。随着-环糊精的逐渐加入，囊泡逐渐转变为胶束，最终形成无规则的聚集体。-环糊精与作为疏水头基的偶氮基团发生包结作用，使得原来的两亲分子失去两亲性，导致囊泡相的消失。此机理与Zhang 等35报道的机理类似。同样地，利用365nm 的紫外辐射200s 后，偶氮基团发生异构，并与-环糊精脱包结，恢复两亲结构，囊泡相重新形成; 在440nm 可见光下，囊泡相消失。这个循环可逆过程可以人为控制数次。从Ji 等36的工作可以看出，利用聚合物修饰超分子客体化合物，也是此领域可供选择的途径之一。图32 光驱动的环糊精偶氮苯聚合物包结物的可逆囊泡人工合成的两亲分子构成的囊泡因其在了解生物膜本质及发展新的膜模拟技术方面的重要意义而受到日益广泛的关注，并已成为研究生物膜的理想模型体系。而基于环糊精和偶氮化合物的光控超分子可逆体系的囊泡体系更是把超分子化学、光化学、界面科学与人工膜体系紧密联系在了一起，将在靶向释药、智能材料及生物膜模拟方面有广阔的应用前景。Harada 等37还报道了如果分别将-环糊精和偶氮苯接枝共聚在聚丙烯酸链上然后共混于水中，由于-环糊精和偶氮苯基团互相作用致使聚合物形成网状结构，整个体系黏度会增大。而将整个体系置于紫外辐射下，-环糊精和偶氮苯基团脱包结，网状结构被破坏，黏度会下降; 再置于可见光下，-环糊精和偶氮苯基团重新包结，体系黏度上升。这里Harada 等37并未提到凝胶的形成，但是却奠定了基于环糊精和偶氮化合物作为构成光控可逆超分子凝胶基元的理论基础。在这个理论的基础上，Harada 等38报道了一个三元组分的光响应水凝胶: 十二烷基修饰的聚丙烯酸( 7 ) 、-环糊精与偶氮苯-4，4-二羧酸( 8 ) 。5. 0g /L的十二烷基修饰的聚丙烯酸水溶液可形成凝胶态，这是由于十二烷基之间的疏水-疏水作用而使单体组装成空间网状结构。随着-环糊精的加入，十二烷基可进入-环糊精的疏水空腔形成类似准轮烷的复合物，破坏了原有的疏水-疏水作用而导致凝胶向溶胶的转变( gel-sol) 。随着作为竞争性客体分子8 的加入，由于-环糊精与8 的包结常数远大于与烷基链的包结常数，导致-环糊精与十二烷基脱包结，表现在宏观形态上即是溶胶向凝胶的转变( sol-gel) 。如果进一步对这个体系进行紫外辐射处理，8发生顺反异构，-环糊精与8 脱包结而重新包结烷基链，体系由凝胶变为溶胶; 再用可见光处理此体系，8恢复反式结构，与-环糊精包结，体系由溶胶变为凝胶( 图33) 。在这里，Harada 等38巧妙地利用了竞争包结的原理，成功设计了基于-环糊精和偶氮化合物的开启gel-sol 过程的超分子体系。图 33光驱动的基于环糊精偶氮苯包结物的可逆凝胶Stoddart 等39报道了一种更直接的光响应水凝胶: 去氧胆酸修饰的-环糊精( 10) 和偶氮苯接枝的聚丙烯酸( 11) 混合后可以形成水凝胶( 图34 ) 。如果这种水凝胶用355nm 的紫外光照射后，会出现凝胶态向溶胶态的转变; 而用450nm 的可见光照射后，体系又会从溶胶态恢复到凝胶态。由于这种光响应水凝胶是在室温下制备，仅仅利用外界光源的转换即可完成凝胶溶胶的转化，并且不涉及到温度的变化。加之凝胶因子均是生物相容性很好的材料，所以这种凝胶在生物工程、光控药物封装和释放等领域应用潜力巨大图 34 光驱动的基于修饰的环糊精偶氮苯接枝聚丙烯酸包结物的可逆凝胶江明课题组40等报道了一种新型光响应型超分子凝胶。即在-CD与PEO形成的超分子水凝胶体系中加入竞争性客体分子亲水性的偶氮苯光敏物质（图35）。该物质可在紫外-可见不同波长光辐照下进行顺式-反式构象翻转，实现与环糊精的包结与脱离，从而诱导体系中超分子水凝胶的凝胶-溶胶转变98-中文文献。图35 光驱动的基于环糊精与偶氮苯以及聚乙二醇竞争型包结物的可逆凝胶除了光驱动下的凝胶-溶胶变化以外，凝胶溶胀率的可逆变化也可以看做对应着体系中分子开关的开闭。Ito等人4176-78用PEG与-CD包结物为主链，以金钢烷基作为封端基团，制备了一种聚轮烷，然后将PR之间的-CD进行交联，制备得到一种以交联点为滑动环的水凝胶，又称为“拓扑凝胶”，也称“滑环胶”，结构示意见图1.21，并用小角中子散射证实了这种拓扑结构的变形机理。这种水凝胶可以以交联环糊精作为分子滑轮通过调整环糊精的位置来减弱链张力。因此这种水凝胶具有非常好的溶胀能力，当吸水量达到自身重量的400倍时，仍然具有较好的力学性能。另外他们还通过在可滑动的环糊精上引入具有光敏性偶氮苯基团制备了具有光敏性的滑动水凝胶，结果发现通过紫外-可见光反复照射，滑动水凝胶的溶胀率也具有可逆性的随之变化。图36 光驱动的“滑环胶”冯增国课题组42研究端基为甲基丙烯酰基的PEG大分子和-CD组装时，引入N-丙基丙烯酰胺基团，随后光引发聚合，得到水凝胶。单纯的大分子单体形成的水凝胶具有一定的温度依赖性，但当加入环糊精后，温度依赖性消失。当引入聚异丙基丙烯酰胺链段后，可恢复其温度依赖性。超分子水凝胶的平衡溶胀率、温度依赖性与环糊精的上链量有很大关系。环糊精的上链量越多，溶胀率随温度的变化越不明显，且其平衡溶胀率越低。随着体系中NIPA含量的增加，超分子凝胶的平衡溶胀率上升。图37 交联结构的环糊精包结物凝胶1 付新建，吴璧耀. 超分子光化学分子器件（PMD）的研究进展，武汉化工学院学报 2002 年 12 月，第 24 卷 第 4 期 2 Callari, F., Petralia, S. and Sortino, S. Chem. Commun., 2006: 1009.3 Gough., T.E., Irish., D.E. and Lantzke, I.R. (1973) Spectroscopic Measurements(electron absorption, infrared and Raman, ESR and NMR spectroscopy), in Physical Chemistry of Organic Solvent Systems (eds. A.K. Covington and T. Dickinson), Plenum Press, London, New York.4 Jauquet, M. and Laszlo, P. (1975) Influence of solvents on spectroscopy, in Solutions and Solubility, Techniques of Chemistry (eds. M.R.J. Dack and A. Weissberger), Wiley-Interscience, New York.5 Reichardt, C. (2003) Solvents and Solvent Effects in Organic Chemistry, Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim.6 Valeur, B. (2001) Molecular Fluorescence: Principles and Applications, Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim.7 Harata, K., Uedaira, H., Bull. Chem. Soc. Jpn., 1975, 48: 375.8Kodaka, M. J. Am. Chem. Soc., 1993, 115: 3702.9Taguchi, K. J. Am. Chem. Soc., 1996, 108: 2705.10 Chen, Y., Banerjee, I.A., Yu, L., Djalali, R. and Matsui, H. Langmuir, 2004, 20: 8409.11 Tomatsu I., Hashidzume A, Harada A. Angew. Chem., 2006, 118: 4721472412 Liu, Y., Chen, G.-S., Chen, Y., Ding, F., Liu, T. and Zhao, Y.-L. Bioconjug. Chem., 2004, 15: 300.13 Mulder, A., Jukovi, A., Lucas, L.N., van Esch, J., Feringa, B.L., Huskens, J. and Reinhoudt, D.N. Chem. Commun.,2001,: 2734.14 Mulder, A., Jukovic, A., Huskens, J. and Reinhoudt, D.N. Org. Biomol. Chem., 2004 2: 1748.15 Mulder, A., Jukovi,