大学化 Univ. Chen.2018,33(1),61-68 知识介绍 doi:10.3866/ PKU DXHX201708014 www.dxhx.pku.edu.cn 葫芦脲的研究进展 刘海洋,王霞,邹华” 上海理工大学材料科学与工程学院,上海200093 摘要:葫芦脲(cB[及其衍生物是由n个苷脲单元连接成的穴状分子,因其结构特殊,受到广泛的关注与研究。 文综述了CB[m]的性质、合成以及近年来CBm]在分子开关、催化剂、药物载体等方面的研究进展 关键词:葫芦脲:性能:合成:应用 中图分类号:G64:06 Research Progress of Cucurbit[nJuril LIU Haiyang, WANG Xia, ZOU Hua College of Materials Science and Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093 P. R. China Abstract: Cucurbit[nJurils(CB[], n= 5-8 of glycouril units), a class of barrel-shaped macrocyclic cavitand, have been receiving considerable attention in recent years. The aim of this review is to summarize the recent developments on the synthesis, properties and applications of CB[n]. The applications of CB[n] in molecular switches catalysts and drug carriers are highlighted Key Words: Cucurbit[nJuril; Property, Synthesis; Application 1引言 CB团]即葫芦脲,又叫瓜环。CB[m具有特殊的结构,形状似葫芦,两端有开口空腔,具有较高 的刚性等。自从超分子化学诞生以来,在这30年里,超分子化学发展迅速。从而,继杯芳烃、冠醚 环糊精即2之后,葫芦脲成为很受关注的一种大环主体分子,由于CB[m与很多客体分子有很强的键 合,因此得到了广泛研究。CBn的用途非常广泛,有很好的前景。目前,CB[n]的应用领域主要如 下:超分子催化反应器、药物载体、分子开关、囊泡、水凝胶等4。本文概述了CB{]的结构特性、 合成以及近年来在分子开关、催化剂、药物载体等应用方面的研究。 2葫芦脲及其衍生物的合成 1905年, Behrend等用尿素、乙二醛和甲醛在酸性条件下进行缩合反应制备出新的物质,但 当时并没有确定其结构和性质。1981年, Freeman等制备出了由甲基桥连的大环甘脲六聚物 (CB6]),由于得到的产物结构形似葫芦,因此这种物质被他们命名为“葫芦脲”(图1)。2000至 2002年间,Km等8和Day等改变了 Behrend的初始反应条件,合成分离了带有不同个数甘脲单 元的葫芦脲同系物(CB[n],n=5-8,10) 稿:2017408-18:录用:2017-09-22:网络发表:2017-10-09 通讯作者,Ema: huagou.cn 基金资助:国家自然科学基金(51503123)
Univ. Chem. 2018, 33 (1), 61−68 61 收稿：2017-08-18；录用：2017-09-22；网络发表：2017-10-09 * 通讯作者，Email: hua.zou@usst.edu.cn 基金资助：国家自然科学基金(51503123) •知识介绍• doi: 10.3866/PKU.DXHX201708014 www.dxhx.pku.edu.cn 葫芦脲的研究进展 刘海洋，王霞，邹华* 上海理工大学材料科学与工程学院，上海 200093 摘要：葫芦脲(CB[n])及其衍生物是由n个苷脲单元连接成的穴状分子，因其结构特殊，受到广泛的关注与研究。本 文综述了CB[n]的性质、合成以及近年来CB[n]在分子开关、催化剂、药物载体等方面的研究进展。 关键词：葫芦脲；性能；合成；应用 中图分类号：G64；O6 Research Progress of Cucurbit[n]uril LIU Haiyang, WANG Xia, ZOU Hua* College of Materials Science and Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, P. R. China. Abstract: Cucurbit[n]urils (CB[n], n = 5–8 of glycouril units), a class of barrel-shaped macrocyclic cavitand, have been receiving considerable attention in recent years. The aim of this review is to summarize the recent developments on the synthesis, properties and applications of CB[n]. The applications of CB[n] in molecular switches, catalysts and drug carriers are highlighted. Key Words: Cucurbit[n]uril; Property; Synthesis; Application 1 引言 CB[n]即葫芦脲，又叫瓜环。CB[n]具有特殊的结构，形状似葫芦，两端有开口空腔，具有较高 的刚性等。自从超分子化学诞生以来，在这30年里，超分子化学发展迅速。从而，继杯芳烃、冠醚、 环糊精[1,2]之后，葫芦脲成为很受关注的一种大环主体分子，由于CB[n]与很多客体分子有很强的键 合，因此得到了广泛研究。CB[n]的用途非常广泛，有很好的前景。目前，CB[n]的应用领域主要如 下：超分子催化反应器、药物载体、分子开关、囊泡、水凝胶等[3,4]。本文概述了CB[n]的结构特性、 合成以及近年来在分子开关、催化剂、药物载体等应用方面的研究。 2 葫芦脲及其衍生物的合成 1905 年，Behrend 等[5]用尿素、乙二醛和甲醛在酸性条件下进行缩合反应制备出新的物质，但 当时并没有确定其结构和性质。1981 年，Freeman 等[6]制备出了由甲基桥连的大环甘脲六聚物 (CB[6])，由于得到的产物结构形似葫芦，因此这种物质被他们命名为“葫芦脲”(图 1)[7]。2000 至 2002 年间，Kim 等[8]和 Day 等[9]改变了 Behrend 的初始反应条件，合成分离了带有不同个数甘脲单 元的葫芦脲同系物(CB[n]，n = 5–8，10)
大学化学 Vol 33 HN. NH HH 1 cucurbit[nJuril n=5.6.7,8.10) isolation increasing cavity size CB[5] CB[6] CB[8] 图1CB|以的合成及部分CB结构图7 继Km和Day等合成CB团](n=5-8,10)之后,CB团n家族不断发展,新成员不断增加,包括 功能化的CB]、反向CB四]等。由于CB[n]及其衍生物在水等常用溶剂中溶解性很差,极大地限制 了CB[m家族的应用,因此,CB{]家族的改性得到了广泛研究。由于CB[n]具有很好的化学稳定性, 导致在很长一段时间内,大部分人认为不能对CB团进行直接取代。但是,Kim等将CB6]和过 硫酸钾在水溶液中反应,得到全羟基CB[(n=5-8),产率分别为42%、45%、5%、4%。这种方法 的机理还不是很清楚,但是可以直接将羟基引入到CB[]的腰部。接入羟基改性后的CB[η在DMSO、 DMF等溶剂中的溶解度明显变强。陶朱等用五甲基CB[S]直接进行羟基化,得到了五甲基十羟基 CB[5],产物的溶解性比CB[S]系列衍生物高很多。另外,陶朱等12用3a-甲基苷脲合成了部分甲基 取代葫芦脲( PMeCB[5]、 HMeCB6]),研究发现部分甲基取代的葫芦脲在水、DMSO和甲醇中溶解 度很高。 Sindelar等发现在盐酸催化下,2,4-二甲基甘脲与甲醛之间缩合得到竹6脲( BambusA6]uri) 产物可以进一步改性,在很多有机溶剂中溶解度提高。 Isaacs等4制备了非循环的葫芦脲(结构不呈 周期变化),产物的溶解性得到了极大的改善。这些化合物在一定程度上解决了传统葫芦脲修饰困难 溶解性较差的问题,具有非常重要的意义,CB团]的应用得到了极大的发展。 3葫芦脲的结构与特性 CB团]是不同苷脲单元通过亚甲基连接而成的穴状化合物(图2)1。CB四](n=5、6、7、8)的结 构参数如表1所示。 CB团]的空腔疏水,两端开口且大小相同,两头小中间大且由羰基环绕而成。CB[以]结构具有刚 性,进行主客体结合时有出色的结合强度和结合选择性。CB[m]能够通过空腔的疏水作用、羰基的氢 键作用等来键合各种有机分子。由于CB]不同大小尺寸对结合选择性有很大影响,因此CB团选择 极性和尺寸大小合适的客体分子形成包结物。CB]的热稳定性比较高,溶解性比较差,一般难溶于 有机溶剂和水,溶于强酸1-20 4葫芦脲及其衍生物的应用 41分子开关 分子开关是建立在分子水平上的一个可逆过程,随着外界条件(温度、pH、光照等)的改变,分
62 大 学 化 学 Vol.33 图 1 CB[n]的合成及部分 CB[n]结构图[7] 继 Kim 和 Day 等合成 CB[n] (n = 5–8，10)之后，CB[n]家族不断发展，新成员不断增加，包括 功能化的 CB[n]、反向 CB[n]等。由于 CB[n]及其衍生物在水等常用溶剂中溶解性很差，极大地限制 了 CB[n]家族的应用，因此，CB[n]家族的改性得到了广泛研究。由于 CB[n]具有很好的化学稳定性， 导致在很长一段时间内，大部分人认为不能对 CB[n]进行直接取代。但是，Kim 等[10]将 CB[6]和过 硫酸钾在水溶液中反应，得到全羟基 CB[n] (n = 5–8)，产率分别为 42%、45%、5%、4%。这种方法 的机理还不是很清楚，但是可以直接将羟基引入到 CB[n]的腰部。接入羟基改性后的 CB[n]在 DMSO、 DMF 等溶剂中的溶解度明显变强。陶朱等[11]用五甲基 CB[5]直接进行羟基化，得到了五甲基十羟基 CB[5]，产物的溶解性比 CB[5]系列衍生物高很多。另外，陶朱等[12]用 3α-甲基苷脲合成了部分甲基 取代葫芦脲(PMeCB[5]、HMeCB[6])，研究发现部分甲基取代的葫芦脲在水、DMSO 和甲醇中溶解 度很高。Sindelar等[13]发现在盐酸催化下，2,4-二甲基甘脲与甲醛之间缩合得到竹 6脲(Bambus[6]uril)， 产物可以进一步改性，在很多有机溶剂中溶解度提高。Isaacs 等[14]制备了非循环的葫芦脲(结构不呈 周期变化)，产物的溶解性得到了极大的改善。这些化合物在一定程度上解决了传统葫芦脲修饰困难、 溶解性较差的问题，具有非常重要的意义，CB[n]的应用得到了极大的发展。 3 葫芦脲的结构与特性 CB[n]是不同苷脲单元通过亚甲基连接而成的穴状化合物(图2) [15]。CB[n] (n = 5、6、7、8)的结 构参数如表1所示[16]。 CB[n]的空腔疏水，两端开口且大小相同，两头小中间大且由羰基环绕而成。CB[n]结构具有刚 性，进行主客体结合时有出色的结合强度和结合选择性。CB[n]能够通过空腔的疏水作用、羰基的氢 键作用等来键合各种有机分子。由于CB[n]不同大小尺寸对结合选择性有很大影响，因此CB[n]选择 极性和尺寸大小合适的客体分子形成包结物。CB[n]的热稳定性比较高，溶解性比较差，一般难溶于 有机溶剂和水，溶于强酸[17–20]。 4 葫芦脲及其衍生物的应用 4.1 分子开关 分子开关是建立在分子水平上的一个可逆过程，随着外界条件(温度、pH、光照等)的改变，分
No I doi:10.3866 PKU. DXHX201708014 子的结构也发生改变,从而表现出一些特殊的性质。目前大多超分子开关是以杯芳烃为主体。CBm] 也可以用于分子开关,如pH响应分子开关、热响应分子开关、电化学响应分子开关等。p响应分 子开关,Kim等2合成了一种分子开关,调节pH可以使其从一个状态转变到另一个状态,通过pH 刺激和热活化可以使CB6]恢复到初始状态,这种方法可以很容易控制CB[6]的状态(图3);此外, 閥e没 图2CB|叫的结构示意图1 表1CBln(n=5、6、7、8)的结构数据 端口直径/m空腔直径/m 空腔体积m 外径/m 高度/m 0.082 CBs 0.164 CBI8J 0.479 CucurbtunK(CB[6D■ =0 HCNO l 图3pH热响应分子开关l2l
No.1 doi: 10.3866/PKU.DXHX201708014 63 子的结构也发生改变，从而表现出一些特殊的性质。目前大多超分子开关是以杯芳烃为主体。CB[n] 也可以用于分子开关，如 pH 响应分子开关、热响应分子开关、电化学响应分子开关等。pH 响应分 子开关，Kim 等[21]合成了一种分子开关，调节 pH 可以使其从一个状态转变到另一个状态，通过 pH 刺激和热活化可以使 CB[6]恢复到初始状态，这种方法可以很容易控制 CB[6]的状态(图 3)；此外， 图 2 CB[n]的结构示意图[15] 表1 CB[n] (n = 5、6、7、8)的结构数据[16] CB[n] 端口直径/nm 空腔直径/nm 空腔体积/nm3 外径/nm 高度/nm CB[5] 0.24 0.44 0.082 1.31 0.91 CB[6] 0.39 0.58 0.164 1.44 0.91 CB[7] 0.54 0.73 0.279 1.60 0.91 CB[8] 0.69 0.88 0.479 1.75 0.91 图 3 pH 热响应分子开关[21]
大学化学 Vol 33 Sindelar等凹报道了pH触发的基于CB6]的轮烷分子开关。热响应分子开关, Tuncel等用CB6 作为催化剂,催化1,3-偶极环加成反应,得到的产物对热量有响应。电化学响应分子开关,Yuan等24 用CB[7]作为主体,二茂铁作为客体分子,通过主客体作用合成了电化学响应的分子体系,从而实 现了电化学控制的葫芦脲的往复运动。此外,CB四m还被应用于荧光分子开关、人工分子机器设计等 方面。 4.2超分子催化剂 CB团n]有选择性高、可控、优良的分子识别及与客体分子的可逆包合等优点,使其成为纳米反应 器/催化剂研究的重点选择对象之一,并逐渐发展为CB[n]研究的一个热门方向。CB[]作为催化的反 应容器已经涉及到很多方面,如光反应、热反应、抑制反应和多相反应等。Mock等2最早用CB|6 作催化剂,催化叠氮分子和端炔分子进行环加成反应,发现极大地提高了反应速率,约为无催化剂 条件下进行环加成反应速率的105倍,同时发现CB[6]具有专一性。 Wieland等巴2报道CB6]作为催 化剂在酸性条件下催化分解叠氮基氨基烷烃具有潜在价值。4-叠氮丁基-1-胺形成了迄今为止最稳定 的络合物,在酸性条件下,CB|6对4-叠氮丁基-1-胺的催化分解有显著作用。 Wang等凹报道了CB[8]催化氧化芳基醇、烯丙基醇、烷基醇为醛的效果(图4),CBI8]的催化能 力与基质的结构之间有一定关系,结果显示,CB[8]催化芳基醇和烯丙基醇的效果好于催化烷基醇, 在CB⑧]存在下,芳基醇和烯丙基醇转化率增加30%-50%。催化选择性表明2-碘酰基苯甲酸(IBX) 氧化通过稳定的α碳负离子中间体进行,超分子催化效果与a碳负离子的电子密度和反应度有关 n=5-8,10 Cucurbituril R OH R=Ar, allyl, and alkyl 图4催化醇为醛27 Premkumar等1在碱性水溶液中,以CB[7作为具有生物相容性的还原剂和保护剂,通过一步 法合成了蜂窝状钯纳米簇(图5)。这种方法可以用来合成其他贵金属纳米粒子,如金、银、铂等。由 于CB[]独特的结构,它可以制备钯纳米簇蜂窝状结构。用制备的钯纳米簇在室温下还原对硝基苯 酚,结果显示钯纳米团簇具有较好的催化活性。和传统聚合技术相比,该方法是一种简单且绿色的 方法。 此外,Lima等p发现氧化钒CB6]的复合物在密闭的非均相催化氧化反应效果很好。Zou等 用磷钨酸和碳酸铯制备CsPW(磷钨酸铯),进而制得CsPW-CBI刁],把CsPW-CB[作为催化剂,通 过酯交换反应,将废食用油直接转变成生物柴油。结果表明,CsPW-CB[]催化剂具有良好的催化性 能,其在生物柴油生产中有较好的应用前景。Wu等在制备聚合物纳米复合材料时,用CB[刀]作为 “超分子锚”,同时CB[7]作为稳定配体,将催化转变的金属纳米粒子固定到接有甲基紫精的聚合
64 大 学 化 学 Vol.33 Sindelar 等[22]报道了 pH 触发的基于 CB[6]的轮烷分子开关。热响应分子开关，Tuncel 等[23]用 CB[6] 作为催化剂，催化 1,3-偶极环加成反应，得到的产物对热量有响应。电化学响应分子开关，Yuan 等[24] 用 CB[7]作为主体，二茂铁作为客体分子，通过主客体作用合成了电化学响应的分子体系，从而实 现了电化学控制的葫芦脲的往复运动。此外，CB[n]还被应用于荧光分子开关、人工分子机器设计等 方面。 4.2 超分子催化剂 CB[n]有选择性高、可控、优良的分子识别及与客体分子的可逆包合等优点，使其成为纳米反应 器/催化剂研究的重点选择对象之一，并逐渐发展为 CB[n]研究的一个热门方向。CB[n]作为催化的反 应容器已经涉及到很多方面，如光反应、热反应、抑制反应和多相反应等。Mock 等[25]最早用 CB[6] 作催化剂，催化叠氮分子和端炔分子进行环加成反应，发现极大地提高了反应速率，约为无催化剂 条件下进行环加成反应速率的 105 倍，同时发现 CB[6]具有专一性。Wieland 等[26]报道 CB[6]作为催 化剂在酸性条件下催化分解叠氮基氨基烷烃具有潜在价值。4-叠氮丁基-1-胺形成了迄今为止最稳定 的络合物，在酸性条件下，CB[6]对 4-叠氮丁基-1-胺的催化分解有显著作用。 Wang 等[27]报道了 CB[8]催化氧化芳基醇、烯丙基醇、烷基醇为醛的效果(图 4)，CB[8]的催化能 力与基质的结构之间有一定关系，结果显示，CB[8]催化芳基醇和烯丙基醇的效果好于催化烷基醇， 在 CB[8]存在下，芳基醇和烯丙基醇转化率增加 30%–50%。催化选择性表明 2-碘酰基苯甲酸(IBX) 氧化通过稳定的 α 碳负离子中间体进行，超分子催化效果与 α 碳负离子的电子密度和反应度有关。 图 4 催化醇为醛[27] Premkumar 等[28]在碱性水溶液中，以 CB[7]作为具有生物相容性的还原剂和保护剂，通过一步 法合成了蜂窝状钯纳米簇(图 5)。这种方法可以用来合成其他贵金属纳米粒子，如金、银、铂等。由 于 CB[7]独特的结构，它可以制备钯纳米簇蜂窝状结构。用制备的钯纳米簇在室温下还原对硝基苯 酚，结果显示钯纳米团簇具有较好的催化活性。和传统聚合技术相比，该方法是一种简单且绿色的 方法。 此外，Lima 等[29]发现氧化钒-CB[6]的复合物在密闭的非均相催化氧化反应效果很好。Zou 等[30] 用磷钨酸和碳酸铯制备 CsPW (磷钨酸铯)，进而制得 CsPW-CB[7]，把 CsPW-CB[7]作为催化剂，通 过酯交换反应，将废食用油直接转变成生物柴油。结果表明，CsPW-CB[7]催化剂具有良好的催化性 能，其在生物柴油生产中有较好的应用前景。Wu 等[31]在制备聚合物纳米复合材料时，用 CB[7]作为 “超分子锚”，同时 CB[7]作为稳定配体，将催化转变的金属纳米粒子固定到接有甲基紫精的聚合
No I doi:10.3866 PKU. DXHX201708014 物胶体的表面(图6)。这种方法不仅简单,还可以控制纳米复合材料的尺寸,形态和组成。该小金属纳 米粒子赋予纳米复合材料在催化方面巨大的潜力 KPdCI,+ 你辛你“55 图5合成钯纳米簇 R-MV RM∨@cB7 (b) 1)CB7 ●= Metallic NPs Pd, Au and Ag) P(St-co-StMV 图6CB7催化制备聚合胶体聞 4.3医药 在药物传递研究中,评估载体至关重要的特性是生物相容性,以确保药物的安全释放和细胞毒 性的最小化。传统化疗具有两大缺点:毒性强和抗药性强。CB[化学稳定性优异、生物毒性低,通 过非共价键作用,可以让药物靶向释放,从而有效解决这一问题32。此外,CB团n的空腔与药物 通过配合作用,不仅可以改善药物的释放性能,还能降低药物使用的副作用3536。因此,CB[]家族 受到了广泛研究。 2005年,Kim等发现,CB[7与奥沙利铂在水中形成的1:1的稳定包结物可以在治疗癌症过程 中表现出两大优点。第一,CB[刁可以增加药物的稳定性;第二,CB[7可以减弱药物的副作用。Day 等发现,将双核的铂封在CB门中形成的包结物可以降低铂对细胞的毒性。 Trabelsi等设计了CB门 氧化铁纳米粒子用于药物输送(图7),CB[7]-氧化铁纳米粒子对非癌细胞没有毒性,这在治疗癌症中有 着潜在的喜人价值。 Isaacs等用CB{8]包结金属有机多面体将阿霉素输送到癌细胞(图8) Wang等报道,可活化的光敏剂(aPSs)已经成为有希望的光动力学治疗(PDT)药物,用于同时 成像和选择性消融癌症。然而,普遍使用的合成aPSs的传统方法,设计复杂,合成繁琐,在一定程
No.1 doi: 10.3866/PKU.DXHX201708014 65 物胶体的表面(图 6)。这种方法不仅简单，还可以控制纳米复合材料的尺寸，形态和组成。该小金属纳 米粒子赋予纳米复合材料在催化方面巨大的潜力。 图 5 合成钯纳米簇[28] 图 6 CB[7]催化制备聚合胶体[31] 4.3 医药 在药物传递研究中，评估载体至关重要的特性是生物相容性，以确保药物的安全释放和细胞毒 性的最小化。传统化疗具有两大缺点：毒性强和抗药性强。CB[n]化学稳定性优异、生物毒性低，通 过非共价键作用，可以让药物靶向释放，从而有效解决这一问题[32–34]。此外，CB[n]的空腔与药物 通过配合作用，不仅可以改善药物的释放性能，还能降低药物使用的副作用[35,36]。因此，CB[n]家族 受到了广泛研究。 2005 年，Kim 等[37]发现，CB[7]与奥沙利铂在水中形成的 1 : 1 的稳定包结物可以在治疗癌症过程 中表现出两大优点。第一，CB[7]可以增加药物的稳定性；第二，CB[7]可以减弱药物的副作用。Day 等[38]发现，将双核的铂封在CB[7]中形成的包结物可以降低铂对细胞的毒性。Trabolsi等[39]设计了CB[7]- 氧化铁纳米粒子用于药物输送(图 7)，CB[7]-氧化铁纳米粒子对非癌细胞没有毒性，这在治疗癌症中有 着潜在的喜人价值。Isaacs 等[40]用 CB[8]包结金属有机多面体将阿霉素输送到癌细胞(图 8)。 Wang 等[41]报道，可活化的光敏剂(aPSs)已经成为有希望的光动力学治疗(PDT)药物，用于同时 成像和选择性消融癌症。然而，普遍使用的合成 aPSs 的传统方法，设计复杂，合成繁琐，在一定程
大学化学 Vol 33 nanoparticles Nile Red CB[7INPs D NR CB[7INPs 图7CB7-氧化铁纳米粒子 图8CB8包结金属有机多面体 度上限制了aPSs的使用。该系统基于生物素化的甲苯胺蓝(TB-B)与CB|8]的主客体相互作用,形成 了2TB-B@CB[8]。这个建立的系统可以在肿瘤中实现选择性积累,增强癌症成像。这项工作较为简 单,通过调节超分子,为aPSs构建提供了一种新颖有前途的思路。 目前,临床麻醉的重大进展是通过将γ环糊精衍生物舒更葡糖作为分子容器与麻醉药物结合 但是可能产生过敏反应和出血副作用。此外,CB[m是继环糊精之后的一种新的大环主体分子,可以 与很多客体有很强的键合。因此,CBI]有可能比环糊精更适合应用于医疗麻醉。 Isaacs等14制备 了非循环的葫芦脲(图9),由于产物结构不循环,能够弯曲亚甲基桥连接的苷脲低聚物骨架,扩展空 腔,从而可以容纳大的客体分子。非循环的葫芦脲溶解度非常好,对于一些溶解性差的药物,非循 环的葫芦脲可以与其经过主客体作用结合,从而改善药物的溶解性,例如其极大地提高了药物药剂 紫杉醇在水中的溶解度,非循环葫芦脲在増加疏水药物溶解度的同时,有可能解决舒更葡糖的缺点, 因此非循环的葫芦脲有很大的研究价值 在很多药物剂型应用方面,CB显示出用作赋形剂的价值,包括肿瘤学、感染、心血管疾病和 生物诊断等。到目前为止,CB[m被制成一系列剂型,包括口服固体片剂、局部霜剂、滴眼剂、可植 入凝胶和鼻插入物,而且被证明人类使用是相对安全的。虽然CB[水溶性差,但是通过加入生物 相容性盐和依赖身体对pH的自我调节等方法,可以配制许多剂型。然而,在人类身上进行测试之 前,还有很多需要解决的问题,比如,不同赋形剂间的相互作用,以及长期使用的副作用 44其他应用 随着对CB[研究的不断深入,CB[]被广泛用于其他领域。 Wilkie等用蒙脱土修饰CB6]得到
66 大 学 化 学 Vol.33 度上限制了 aPSs 的使用。该系统基于生物素化的甲苯胺蓝(TB-B)与 CB[8]的主客体相互作用，形成 了 2TB-B@CB[8]。这个建立的系统可以在肿瘤中实现选择性积累，增强癌症成像。这项工作较为简 单，通过调节超分子，为 aPSs 构建提供了一种新颖有前途的思路。 目前，临床麻醉的重大进展是通过将 γ-环糊精衍生物舒更葡糖作为分子容器与麻醉药物结合， 但是可能产生过敏反应和出血副作用。此外，CB[n]是继环糊精之后的一种新的大环主体分子，可以 与很多客体有很强的键合。因此，CB[n]有可能比环糊精更适合应用于医疗麻醉。Isaacs 等[14,42]制备 了非循环的葫芦脲(图 9)，由于产物结构不循环，能够弯曲亚甲基桥连接的苷脲低聚物骨架，扩展空 腔，从而可以容纳大的客体分子。非循环的葫芦脲溶解度非常好，对于一些溶解性差的药物，非循 环的葫芦脲可以与其经过主客体作用结合，从而改善药物的溶解性，例如其极大地提高了药物药剂 紫杉醇在水中的溶解度，非循环葫芦脲在增加疏水药物溶解度的同时，有可能解决舒更葡糖的缺点， 因此非循环的葫芦脲有很大的研究价值。 在很多药物剂型应用方面，CB[n]显示出用作赋形剂的价值，包括肿瘤学、感染、心血管疾病和 生物诊断等。到目前为止，CB[n]被制成一系列剂型，包括口服固体片剂、局部霜剂、滴眼剂、可植 入凝胶和鼻插入物，而且被证明人类使用是相对安全的。虽然 CB[n]水溶性差，但是通过加入生物 相容性盐和依赖身体对 pH 的自我调节等方法，可以配制许多剂型。然而，在人类身上进行测试之 前，还有很多需要解决的问题，比如，不同赋形剂间的相互作用，以及长期使用的副作用。 4.4 其他应用 随着对CB[n]研究的不断深入，CB[n]被广泛用于其他领域。Wilkie等[43]用蒙脱土修饰CB[6]得到 图 7 CB[7]-氧化铁纳米粒子[39] 图 8 CB[8]包结金属有机多面体[40]
No I doi:10.3866 PKU. DXHX201708014 67 SCH2 CO2 Na o Cucurbit(n]uril(CB(oJ)n-5 n=5,6,7,8,10 RO可 gh ef NbN NN N 图9舒更葡糖及非循环的葫芦康421 的产物以及CB6]均有阻燃作用,可以用作新型阻燃剂。L等用CB|8]将蛋白质固定在固体基质表 面,CB8]起到粘结剂的作用,从而形成蛋白质栈。 Scherman等发现,CB5]和CB[7]可以分离含 有亚纳米级的金纳米离子,这可以应用于表面增强拉曼光谱。 Zhang等H6将聚多巴胺(PDA)涂层到 CB[]表面,应用于毛细管气体色谱固定相,制备的 PDA-CB[刀色谱柱性能优异,显示出弱极性。 5总结与展望 彐前,CB[m]已被应用到很多领域,如催化剂、药物载体和传感器等。虽然百年前就已经发现了 CB团,但是对于CB[n]的研究还有待深入。CB团分子结构特殊,而且有包结性质,受到了科学家 愈来愈多的关注。随着发展,新的CBIm及其衍生物不断被发现。此外,客体分子各种各样,CB[ 分子的应用愈加广泛,如在色谱固定相、离子通道、囊泡、氢气存储、抗生素制备等方面470。CB[n 分子的直接功能化,极大扩展了CB[n]化学的研究领域,CB[]分子的超分子化学研究也将迎来新的 高潮。此外,在CB[n]结构上引入极性基团,合成出多种CB[n]衍生物后,大大增加了其在水中和有 机溶剂中的溶解度。CB[m的研究者有着新的机遇的同时,还面临着巨大挑战。CB[n]同系物的产率 低、分离难、合成条件苛刻;另外,羟基CB四]衍生物的分离很难,广大学者和科研人员还需要解 决这些问题。但是我们相信,随着对瓜环超分子化学的深入探索,CB]一定会在众多研究领域得到 更多的实际应用。 参考文献 ]吴亚卿,李代禧,李保国,王娟.上海理工大学学报,2007,29(4),315 [2]李代禧,刘亿淑,张建民,陈正隆.上海理工大学学报,2007,29(4)373 3]陈秀丽,王真,崔艳婷,邹大鹏.大学化学,2014,29(3),41 [4] Kim, K. Chem. Soc. Rev. 2002, 31 (2),96 I Behrend, R; Meyer, E; Rusche, F. L. Eur J. Org. Chem. 2010, 339(1)
No.1 doi: 10.3866/PKU.DXHX201708014 67 的产物以及CB[6]均有阻燃作用，可以用作新型阻燃剂。Li等[44]用CB[8]将蛋白质固定在固体基质表 面，CB[8]起到粘结剂的作用，从而形成蛋白质栈。Scherman等[45]发现，CB[5]和CB[7]可以分离含 有亚纳米级的金纳米离子，这可以应用于表面增强拉曼光谱。Zhang等[46]将聚多巴胺(PDA)涂层到 CB[7]表面，应用于毛细管气体色谱固定相，制备的PDA-CB[7]色谱柱性能优异，显示出弱极性。 5 总结与展望 目前，CB[n]已被应用到很多领域，如催化剂、药物载体和传感器等。虽然百年前就已经发现了 CB[n]，但是对于 CB[n]的研究还有待深入。CB[n]分子结构特殊，而且有包结性质，受到了科学家 愈来愈多的关注。随着发展，新的 CB[n]及其衍生物不断被发现。此外，客体分子各种各样，CB[n] 分子的应用愈加广泛，如在色谱固定相、离子通道、囊泡、氢气存储、抗生素制备等方面[47–50]。CB[n] 分子的直接功能化，极大扩展了 CB[n]化学的研究领域，CB[n]分子的超分子化学研究也将迎来新的 高潮。此外，在 CB[n]结构上引入极性基团，合成出多种 CB[n]衍生物后，大大增加了其在水中和有 机溶剂中的溶解度。CB[n]的研究者有着新的机遇的同时，还面临着巨大挑战。CB[n]同系物的产率 低、分离难、合成条件苛刻；另外，羟基 CB[n]衍生物的分离很难，广大学者和科研人员还需要解 决这些问题。但是我们相信，随着对瓜环超分子化学的深入探索，CB[n]一定会在众多研究领域得到 更多的实际应用。 参 考 文 献 [1] 吴亚卿, 李代禧, 李保国, 王娟. 上海理工大学学报, 2007, 29 (4), 315. [2] 李代禧, 刘亿淑, 张建民, 陈正隆. 上海理工大学学报, 2007, 29 (4), 373. [3] 陈秀丽, 王真, 崔艳婷, 邹大鹏. 大学化学, 2014, 29 (3), 41. [4] Kim, K. Chem. Soc. Rev. 2002, 31 (2), 96. [5] Behrend, R.; Meyer, E.; Rusche, F. I. Eur. J. Org. Chem. 2010, 339 (1), 1. 图 9 舒更葡糖及非循环的葫芦脲[42]
大学化学 Vol 33 16] Freeman, w. A; Mock, w. L, Shih, N. Y.J. Am. Chem. Soc. 1981, 103 (24), 7367 18] Jung, I S: Kim, S.Y., Lee, E, Kang, J. K, Sakamoto, S, Yamaguchi, K. Kim, K.J. Am. Chem. Soc. 2000, 122(3),540 19] Day, A. I; Blanch, R. J; Arnold, A P:; Lorenzo, S, Lewis, G. R. Dance, I. Angew. Chem. Int. Ed. 2002, #I(2), 275 [10] Jon, S.Y. Selvapalam, N, Oh, D. H; Kang, J K, Kim, S.Y., Jeon,Y J; Lee, J. W, Kim, K.J. Am. Chem. Soc. 2003, 125(34), 10186 1l尉震,林景祥,薛赛凤,祝黔江,陶朱.贵州大学学报:自然科学版,2007,24(3),313 [12 Lin, J.X., Zhang, Y. Q; Zhang, J.X., Xue, S.F., Zhu, Q. J: Tao, Z.J. Mol. Struct. 2008, 875(1-3), 442 [13] Svec, J. Necas, M; Sindelar, V. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 122(13), 2428 [14] Ma, D; Hettiarachchi, G. Nguyen, D; Zhang, B; Wittenberg, J. B; Zavalij, P. Y; Briken, V; Isaacs, L. Nat. Chem. 2012, 4(6), 503. [15) Murray, J. Kim, K, Ogoshi, T; Yao, w; Gibb, B C. Chem. Soc. Rev. 2017, 46(9), 2479 [16] Cong, H Ni, X L; Xiao, X, Huang, Y ; Zhu, Q.J.; Xue, S F. Tao, Z; Lindoy, L F. Wei, G. Org. BiomoL. Chem. 2016, 47(27), 4335 [17] Liu, J; Tan, C.S. Y; Lan, Y. Scherman, O. A. Macromol. Chem. Phys. 2016, 217(3),319 [8]黄文忠,占田广,林沨赵新.化学进展,2016,28(2)165 】9董运红,曹利平.化学进展,2016,28(7),1039 [20] Yang, LL; Liu, X G. Tan, X.X.; Yang, H. Wang, Z. Q: Zhang, X Polym. Chem. 2013, 5(2), 323. [21] Lee, J. W. Kim, K; Kim, K. Chem. Commun. 2001, 1042 [22]Kolman, V; Kulhanek, P ; Sindelar, V. Chem. Asian J. 2010, 5(11), 2386 [23] Tuncel, D, Ozsar, O, Tiftik, H. B. Salih, B Chem. Commun. 2007, 1369 24] Peng, L; Feng, A C Huo, M, Yuan, J.Y. Chem. Commun. 2014, 50, 13005 [25] Mock, W. L; Irra, T.A., Wepsiec, J. P; Manimaran, T. L J. Org. Chem. 1983, 48(20), 3619 [26] Wieland, M; Mieusset, J. L; Brinker, U. H. Tetra. LeIt. 2012, 53(33), 4351 [27] Wang, Y. H, Cong, H; Zhao, F. F; Xue, S. F: Tao, Z. Zhu, Q.J., Wei, G Catal. Commun. 2011, 12(12), 1127. [28] Premkumar, T; Geckeler, K E Mater. Chem. Phys. 2014, 148(3), [29] de Lima, S M. Gomez, J. A; Barros, V. P, Vertuan, G. D, Assis, M. D; Graeff, C. F. D; Demets, G.J. F. Polyhedron 2010, 29(15), 3008 [30) Li, L; Zou, C. J, Zhou, L, Lin, L. Renew. Energ. 2017, 107, 14 [31 Wu, Y. C; Lan, Y ; Liu, J; Scherman, O. A. Nanoscale 2015, 7(32), 13416. 132J Assaf, K L; Nau, W. M. Supramol. Chem. 2014, 26(9), 657 [33] Chen, T. Adv. Drug Deliver. Rev. 2010, 62(13), 1257. [34]Danquah, M. K; Zhang, X. A; Mahato, R. I. Ad. Drug Deliver. Rev. 2011, 63(8), 623 [35] Oun,R; Floriano, R.S.: Isaacs, L;, Rowan, E. G; Wheate, N J. Taxicol Res. 2014, 3(6), 447. [36]侯昭升,谭业邦,黄玉玲,张翼,周其凤.高分子学报,2005,No.4,49 [37] Jeon, Y J. Kim, S.Y. Ko, Y H; Sakamoto, S: Yamaguchi, K, Kim, K. Org. Biomol Chem. 2005, 3(11), 2122. 38 Wheate, N.J.; Day, A. 1.; Blanch, R. J, Armold, A P; Cullinane, C; Collins, J G. Chem. Commun. 2004, 1424 [39] Trabolsi, A, Skorjanc, T. Benyettou, F. Olsen, J. C. Chem. Eur J. 2017, 23(35), 8333 [40] Samanta, S K; Moncelet, D. Briken, V; Isaacs, L J. Am. Chem. Soc. 2016, 138(43), 14488 [41 Wang, X. Q : Lei, Q; Zhu, J Y; Wang, W.J.; Cheng, Q; Gao, F. Sun, Y.X.; Zhang, X. Z. ACS App/ Mater. Interfaces 2016, 8(35), 22892 [43] Cai, G. P, Matusinovic, Z, Yi, D Q Mariappan, T. Shukla, R, Rathore, R; Wilkie, C. A. Acs Sym. Ser. 2012, 1118, 69. [44]Yang, H. W, An, Q-; Zhu, W, Li, W. N; Jiang, Y, Cui, J. C. Zhang, X; Li, G. T. Chem. Commun. 2012, 48, 10633 [45] Jones, S. T; Taylor, R. W; Esteban, R, Abo-Hamed, E. K, Bomans, P. H. H, Sommerdijk, N. A J. M; Aizpurua, J; Baumberg, J. J. Scherman, [46] Zhang, Y F. Qi, M. L; Fu, R N. Chin. Chem. Lerf. 2016, 27(1),88 [47 Liu, J ; Lan, Y, Yu, Z.Y., Tan, C. S.Y., Parker, R. M., Abell, C; Scherman, O. A. Acc. Chem. Res. 2017, 50(2), 208 [48] Lazar, A. I; Biedermann, F; Mustafina, K. R. Assaf, K I; Hennig, A Nau, W. M.J. Am. Chem. Soc. 2016, 138(39), 13022 [49] Sayed, M; Pal, H.J. Mater. Chem. 2016. 4(14), 2685 [50] Zhou, L-; Zou, C.J., Gu, T. Li, X. K, Shi, Y. J.J. Petrol. Sci Eng. 2017, 149, 65
68 大 学 化 学 Vol.33 [6] Freeman, W. A.; Mock, W. L.; Shih, N. Y. J. Am. Chem. Soc. 1981, 103 (24), 7367. [7] Barrow, S. J.; Kasera, S.; Rowland, M. J.; del, Barrio, J.; Scherman, O. A. Chem. Rev. 2015, 115 (22), 12320. [8] Jung, I. S.; Kim, S. Y.; Lee, E.; Kang, J. K.; Sakamoto, S.; Yamaguchi, K.; Kim, K. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122 (3), 540. [9] Day, A. I.; Blanch, R. J.; Arnold, A. P.; Lorenzo, S.; Lewis, G. R.; Dance, I. Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41 (2), 275. [10] Jon, S. Y.; Selvapalam, N.; Oh, D. H.; Kang, J. K.; Kim, S. Y.; Jeon, Y. J.; Lee, J. W.; Kim, K. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125 (34), 10186. [11] 尉震, 林景祥, 薛赛凤, 祝黔江, 陶朱. 贵州大学学报: 自然科学版, 2007, 24 (3), 313. [12] Lin, J. X.; Zhang, Y. Q.; Zhang, J. X.; Xue, S. F.; Zhu, Q. J.; Tao, Z. J. Mol. Struct. 2008, 875 (1–3), 442. [13] Svec, J.; Necas, M.; Sindelar, V. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 122 (13), 2428. [14] Ma, D.; Hettiarachchi, G.; Nguyen, D.; Zhang, B.; Wittenberg, J. B.; Zavalij, P. Y.; Briken, V.; Isaacs, L. Nat. Chem. 2012, 4 (6), 503. [15] Murray, J.; Kim, K.; Ogoshi, T.; Yao, W.; Gibb, B. C. Chem. Soc. Rev. 2017, 46 (9), 2479. [16] Cong, H.; Ni, X. L.; Xiao, X.; Huang, Y.; Zhu, Q. J.; Xue, S. F.; Tao, Z.; Lindoy, L. F.; Wei, G. Org. Biomol. Chem. 2016, 47 (27), 4335. [17] Liu, J.; Tan, C. S. Y.; Lan, Y.; Scherman, O. A. Macromol. Chem. Phys. 2016, 217 (3), 319. [18] 黄文忠, 占田广, 林沨, 赵新. 化学进展, 2016, 28 (2), 165. [19] 董运红, 曹利平. 化学进展, 2016, 28 (7), 1039. [20] Yang, L. L.; Liu, X. G.; Tan, X. X.; Yang, H.; Wang, Z. Q.; Zhang, X. Polym. Chem. 2013, 5 (2), 323. [21] Lee, J. W.; Kim, K; Kim, K. Chem. Commun. 2001, 1042. [22] Kolman, V.; Kulhanek, P.; Sindelar, V. Chem. Asian J. 2010, 5 (11), 2386. [23] Tuncel, D.; Ozsar, O.; Tiftik, H. B.; Salih, B. Chem. Commun. 2007, 1369. [24] Peng, L.; Feng, A. C.; Huo, M.; Yuan, J. Y. Chem. Commun. 2014, 50, 13005. [25] Mock, W. L.; Irra, T. A.; Wepsiec, J. P.; Manimaran, T. L. J. Org. Chem. 1983, 48 (20), 3619. [26] Wieland, M.; Mieusset, J. L.; Brinker, U. H. Tetra. Lett. 2012, 53 (33), 4351. [27] Wang, Y. H.; Cong, H.; Zhao, F. F.; Xue, S. F.; Tao, Z.; Zhu, Q. J.; Wei, G. Catal. Commun. 2011, 12 (12), 1127. [28] Premkumar, T.; Geckeler, K. E. Mater. Chem. Phys. 2014, 148 (3), 772. [29] de Lima, S. M.; Gomez, J. A.; Barros, V. P.; Vertuan, G. D.; Assis, M. D.; Graeff, C. F. D.; Demets, G. J. F. Polyhedron 2010, 29 (15), 3008. [30] Li, L.; Zou, C. J.; Zhou, L.; Lin, L. Renew. Energ. 2017, 107, 14. [31] Wu, Y. C.; Lan, Y.; Liu, J.; Scherman, O. A. Nanoscale 2015, 7 (32), 13416. [32] Assaf, K. I.; Nau, W. M. Supramol. Chem. 2014, 26 (9), 657. [33] Chen, T. Adv. Drug Deliver. Rev. 2010, 62 (13), 1257. [34] Danquah, M. K.; Zhang, X. A.; Mahato, R. I. Adv. Drug Deliver. Rev. 2011, 63 (8), 623. [35] Oun, R.; Floriano, R. S.; Isaacs, L.; Rowan, E. G.; Wheate, N. J. Toxicol Res. 2014, 3 (6), 447. [36] 侯昭升, 谭业邦, 黄玉玲, 张翼, 周其凤. 高分子学报, 2005, No. 4, 491. [37] Jeon, Y. J.; Kim, S. Y.; Ko, Y. H.; Sakamoto, S.; Yamaguchi, K.; Kim, K. Org. Biomol. Chem. 2005, 3 (11), 2122. [38] Wheate, N. J.; Day, A. I.; Blanch, R. J.; Arnold, A. P.; Cullinane, C.; Collins, J. G. Chem. Commun. 2004, 1424. [39] Trabolsi, A.; Skorjanc, T.; Benyettou, F.; Olsen, J. C. Chem. Eur. J. 2017, 23 (35), 8333. [40] Samanta, S. K.; Moncelet, D.; Briken, V.; Isaacs, L. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138 (43), 14488. [41] Wang, X. Q.; Lei, Q.; Zhu, J. Y.; Wang, W. J.; Cheng, Q.; Gao, F.; Sun, Y. X.; Zhang, X. Z. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8 (35), 22892. [42] Ma, D.; Zhang, B.; Hoffmann, U.; Sundrup, M. G.; Eikermann, M.; Isaacs, L. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51 (45), 11358. [43] Cai, G. P.; Matusinovic, Z.; Yi, D. Q.; Mariappan, T.; Shukla, R.; Rathore, R.; Wilkie, C. A. Acs Sym. Ser. 2012, 1118, 69. [44] Yang, H. W.; An, Q.; Zhu, W.; Li, W. N.; Jiang, Y.; Cui, J. C.; Zhang, X.; Li, G. T. Chem. Commun. 2012, 48, 10633. [45] Jones, S. T.; Taylor, R. W.; Esteban, R.; Abo-Hamed, E. K.; Bomans, P. H. H.; Sommerdijk, N. A. J. M.; Aizpurua, J.; Baumberg, J. J.; Scherman, O. A. Small 2014, 10 (21), 4298. [46] Zhang, Y. F.; Qi, M. L.; Fu, R. N. Chin. Chem. Lett. 2016, 27 (1), 88. [47] Liu, J.; Lan, Y.; Yu, Z. Y.; Tan, C. S. Y.; Parker, R. M.; Abell, C.; Scherman, O. A. Acc. Chem. Res. 2017, 50 (2), 208. [48] Lazar, A. I.; Biedermann, F.; Mustafina, K. R.; Assaf, K. I.; Hennig, A.; Nau, W. M. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138 (39), 13022. [49] Sayed, M.; Pal, H. J. Mater. Chem. 2016, 4 (14), 2685. [50] Zhou, L.; Zou, C. J.; Gu, T.; Li, X. K.; Shi, Y. J. J. Petrol. Sci .Eng. 2017, 149, 65