基于大环的功能超分子组装体材料的研究

基于大环的功能超分子组装体材料的研究超分子化学,是研究多个分子通过非共价键相互作用而形成的分子聚集体的科学。大环主体分子是超分子化学的重要研究方向。

每一类新型大环主体的出现都极大地丰富了超分子化学的研究内容,并且推动着超分子化学不断向前发展。大环主体,如冠醚、环糊精、杯芳烃、葫芦脲、柱芳烃、联苯芳烃以及金属大环,在构筑功能超分子组装体材料及其应用中起着极其重要的作用。

目前,基于各种大环主体来构筑的功能超分子组装体系已被广泛应用在超分子聚合物、超分子两亲、大环两亲、药物传递和吸附分离等领域。本论文主要针对功能性超分子组装体材料的结构与性能及其应用进行深入的研究。

论文的主体内容包括以下七个部分:在第一部分工作中,我们通过单官能团化柱[5]芳烃(2.1)和四苯乙烯衍生物(2.2)的主客体相互作用发展了一种新的超分子发光体。形成主客体络合物后,2.2的荧光显著增强,这是由于[2]准轮烷结构的形成,限制了TPE苯环分子内旋转,从而增强了聚集诱导发光效应(AIE)。

通过重沉淀技术得到平均直径约为43 nm的纳米粒子,可作为显像剂对细胞进行成像。这些结果表明,AIE效应与超分子化学的结合在生物传感器、药物和基因传递系统、蛋白质-蛋白质相互作用和细胞成像等生物相关领域具有巨大的应用潜力。

在第二部分工作中,我们研究了阳离子型水溶性柱[6]芳烃(CWP6)与ATP的选择性络合。主要受熵变驱动,CWP6与ATP形成稳定的1:1包合物CWP6(?)ATP。

在碱性磷酸酶存在的情况下,由于CWP6疏水腔的存在,ATP的水解被有效抑制。采用叶酸连接的二嵌段聚合物FA-PEG-b-PAA对CWP6进行PEG修饰,获得缓

冲液中的PIC胶束,使其具有靶向性,可将CWP6传递给叶酸受体过表达的癌细胞。

由于主客体络合物的形成,切断了ATP水解的能量来源,阻断了ATP依赖的射流泵。MTT实验显示,在PIC胶束存在的情况下,抗癌药物DOX·HCl的疗效得到了有效提高。

目前的结果为开发新的治疗药物铺平了道路,这意味着超分子化学可能被设计成有希望克服癌症治疗中的多耐药性的载体。需要进行更详细的生物调查,以弄清MDR治疗的更深层次机制。

在第三部分工作中,我们第一次成功制备了阴离子型水溶性联苯[3]芳烃(WB3)并且研究了其在水中与二级铵盐的酸碱响应性的主客体络合性质。我们证明了 WB3与4.2在水中可以形成1:1的[2]准轮烷结构,在静电相互作用和疏水作用协同下,其络合常数为(2.57±0.80)×104 M-1。

通过加入酸和碱,我们可以简单有效地控制该体系的络合与解络合过程。进一步地,我们利用这一主客体识别体系,基于WB3和两亲性客体分子4.1,实现了超两亲分子的构筑。

TEM实验和DLS结果验证了控制自组装的可逆转变。同时,通过pH调控的囊泡向胶束的转变,实现了芘的可控释放。

这一新的基于阴离子型水溶性联苯[3]芳烃在水中的主客体识别将有助于构建先进功能体系,并将在超分子聚合物、传感器、纳米电子技术、药物传递和控制释放等领域产生广泛的应用前景。在第四部分工作中,我们第一次成功制备了阳离子型水溶性联苯[3]芳烃(CWB3),在上下边缘各连接有三个三甲胺基团。

6个正电荷的存在使其能够络合阴离子型的分子。在静电相互作用和疏水作用协同下,阳离子型水溶性联苯[3]芳烃可以络合1-己烷磺酸钠形成主客体络合

物,其络合常数为(1.56±0.07)×103 M-1。

进一步地,我们利用这一新的主客体识别体系,基于CWB3和两亲性客体分子5.2,实现了超两亲分子的构筑,进而改变了两亲性客体在水中的聚集形式。与两亲性分子5.2形成胶束不同,CWB3和5.2形成的主客体络合物在水中自组装成规则的纳米离子。

这种基于阳离子型水溶性联苯[3]芳烃的新的主客体识别,将有助于构建基于联苯芳烃的功能体系,并将带来许多有前景的实质性应用,如化学传感器、分子机器、超分子聚合物、药物传递系统和控制释放。在第五部分工作中,我们报道了一种新的大环主体:[2]杯[1]联苯型杂化[3]芳烃(2CIBH3A)。

它由2个1,3,5-三甲氧基苯单元和1个4,4’-联苯二乙醚单元通过亚甲基桥连接而成。2C1BH3A的成功制备提供了一种简单有效的方法来合成由不同类型构筑单元组成的超分子大环。

我们可以预测,如果将苯酚、对苯二酚、联苯二酚、萘酚等其他类型的构筑单元进行整合,或者引入烷氧基、丙炔基、酯基、氨基等多种官能团,将使合成的大环具有多样的拓扑结构和丰富的主客体性质。此外,它们的功能化衍生物可以通过选择性修饰而得到,这使得它们在化学传感器、跨膜通道、超分子聚合物、液晶和药物传递系统的构筑方面具有广阔的应用前景。

在第六部分工作中,我们设计了第一个由吡啶功能化的BODIPY配体通过配位驱动自组装形成的高发光Pt(Ⅱ)超分子三角形大环用于癌症诊疗研究。利用核磁共振氢谱、核磁共振磷谱、二维DOSY、紫外可见吸收光谱和荧光光谱对两个三角形金属大环进行了全面的表征。

这些三角形大环在肿瘤治疗中具有潜在的应用前景,其中铂受体为化疗

剂,BODIPY供体为成像剂和光敏剂。体外研究表明,金属大环的形成提高了其抗癌效果,PDT联合化疗具有良好的协同作用。

更重要的是,通过将两种不同的治疗方式整合到超分子平台中,这些SCCs对耐药的A2780cis细胞表现出更好的抗癌效果。自组装BODIPY-铂超分子三角形大环为荧光成像引导肿瘤治疗提供了一个很有前途的平台。

在第七部分工作中,我们证明了H与G之间的主客体络合显著降低了CN-的检测限。H和G形成[2]准轮烷,驱动力主要是由氢键和面对面的π-π堆积作用。

有趣的是,这个主客体络合具有CN-响应性。此外,将对CN-敏感的[2]准轮烷发展成为一种超分子材料,用于CN-的可视化检测,特别是检测细胞内CN-外排,检测限为0.2 pM/cell。

这种具有CN-响应是双(对苯)-34-冠-10主客体络合的一个新特性。更重要的是,这种对CN-响应的主客体络合物在生物医学领域具有广阔的应用前景,如疾病特异性生物标志物检测和早期精确诊断。