9.2.2 基于大环与主客体体系的超分子组装及应用
我们以环糊精为例，介绍大环化合物在超分子组装中的设计原理和应用。环糊精作为第二代超分子主体的代表，在超分子化学和自组装领域中得到了广泛应用。环糊精是由6～12个葡萄糖分子通过1，4-糖苷键环合而成的低聚糖。值得一提的是，最近科学家成功合成了只含有3个或4个葡萄糖单元的小尺寸环糊精[20]。由于糖苷键不能自由旋转，环糊精受到构象限制而以锥形圆桶状存在。此外，天然葡萄糖都是D-构型的，因此商业可得的环糊精大环只有单一手性的异构体。目前，较常用的环糊精是含有6～8个葡萄糖单元的α-环糊精，β-环糊精和γ-环糊精。环糊精的外围由于大量羟基的存在而具有亲水性，而内腔则具有疏水性，其在水中可以像酶一样通过弱非共价相互作用配合一系列客体分子而形成主客体复合物，这一超分子作用是环糊精在自组装中的应用基础。根据客体分子的种类和组装机理的不同，我们对环糊精在超分子组装中的设计原理和应用进行分类介绍。
2017年，蒋凌翔等报道了基于环糊精的仿生晶格自组装[21]。尽管从仿蛋白分子出发，构筑晶型结构已经有不少报道，但是一些特殊结构（如中空的多面体、螺旋微管等）的制备仍然是一个较大的挑战，而这些仿生结构的研究对于理解生物体系中如病毒衣壳等一些重要的结构具有重要意义。如图9-11所示，他们基于环糊精与十二烷基磺酸钠（SDS）之间的主客体相互作用，通过调节浓度来精确调控组装结构，分别得到多面体（质量分数为4%～6%）、微管（质量分数为6%～25%）和层状结构（质量分数为25%～50%）。特别是十二面体结构，是首次通过自组装途径获得的，其尺寸甚至比自然界中已知最大的病毒尺寸还要大，显示了环糊精主客体配合物在构筑大尺寸仿生材料上的独特优势。
图9-11 几类自组装结构示意图
环糊精是手性大环化合物的典型代表，常作为构筑基元用于手性超分子组装。通过环糊精与手性凝胶分子之间的主客体相互作用，刘鸣华研究团队制备了一系列手性超分子水凝胶因子，对环糊精手性与凝胶分子手性在超分子手性的形成与传递方面的竞争或协同关系进行了详细研究，并进一步将其应用于智能响应性超分子圆偏振发光材料的构筑中（图9-12）。例如，采用超分子胶凝子概念，他们设计合成了含有聚集诱导发光模块（氰基二苯乙烯）的谷氨酸水凝胶因子（CG）。研究发现，受到聚集体中氰基二苯乙烯强烈的π-π堆积作用的压制，氰基二苯乙烯的光致顺反异构难以顺利进行。在利用环糊精空腔包结CG分子形成主客体复合物后，该体系的超分子手性和圆偏振发光（circular polarized luminescence，CPL）得以增强，但是其手性符号仍然由凝胶分子的手性决定。更为重要的是，γ-环糊精的空腔弱化了π-π堆积作用，为氰基二苯乙烯的光异构化过程提供了充足的空间。通过紫外光照和加热处理，该体系的自组装纳米结构、超分子手性和圆偏振发光可以多次可逆切换[22]。
图9-12 环糊精与手性凝胶分子构筑超分子水凝胶因子
（a）手性凝胶因子CG与环糊精形成超-凝胶因子示意图；（b）超-凝胶因子自组装形成层状结构；（c）CG分子中氰基二苯乙烯的顺反异构导致自组装结构的解离，致使CPL信号消失
最近，他们还报道了基于CD-MOF的圆偏振发光晶体材料（图9-13）[23]。利用环糊精作为配体、金属离子作为配位点，采用浸泡法、蒸气扩散原位包裹法、溶剂混合原位包裹法和分步依次包裹法等多种策略，他们在较为温和的实验条件下制备了CD-MOF晶态材料。研究发现，除了环糊精的本征空腔，通过自组装进一步形成了另外两个亲水性的手性空腔，可以有选择地封装不同的发色团，从而扩展了CD的包封能力和手性诱导能力，使其成为一种优良的手性载体和平台。他们将多种多样的非手性发光体包结到CD-MOF中，得到了从紫外到可见再到近红外的全波段、不对称发光因子普遍增强的CPL晶体材料，包括通过三原色原理制备的白光CPL晶体材料。他们进一步揭示了该CD-MOF的尺寸效应，当发色团不能被很好固定时，CPL的方向不能得到控制；当发光体的尺寸与手性空穴相匹配时，CPL的方向稳定且强度可以得到显著提高。
图9-13 环糊精-MOF包结系列荧光物质制备圆偏振发光晶体材料
田禾院士与合作者设计合成了含有偶氮苯和4，4′-联吡啶模块的轴手性1，1′-连二萘化合物，其可以与2当量的α-环糊精形成双链状的超两亲分子。如图9-14所示，该超两亲分子可以进一步作为构筑基元与双头型杯芳烃形成超分子聚合物，并通过详细的核磁、紫外吸收光谱、圆二色谱、动态光散射和电镜技术对其进行了表征。研究发现，超分子聚合物中发色团的吸收带与单体中是基本一致的，这表明手性环糊精的配合并未影响到发色团的吸收性质。通过偶氮苯的光致顺反异构，可以对该超分子聚合物的链状结构与组装形貌进行可逆的调控。该工作是超两亲分子和超分子聚合两个概念融合的一个经典例子[24]。(https://www.daowen.com)
图9-14 超两亲分子与超分子聚合概念的融合构筑光响应自组装系统
（a）组装基元分子结构；（b）组装基元与环糊精形成超两亲分子；（c）超两亲分子作为新的构筑基元与双杯芳烃形成超分子聚合物（此时偶氮苯为反式构型）；（d）偶氮苯的光致顺反异构调控超分子聚合物的组装与性能；（e）环糊精和双杯芳烃的分子结构及其示意图
刘育课题组借助水溶性的磺化环糊精与荧光染料分子的主客体相互作用构筑了一种具有超高天线效应的人工超分子光丰收体系[25]。如图9-15所示，他们设计合成了具有聚集诱导发光性质的含氰基的对苯撑乙烯类衍生物（OPV-1）。通过环糊精的诱导，OPV-1的水溶性和聚集诱导发光性能得以增强。OPV-1和环糊精共组装成囊泡结构，并发射黄色荧光。当将疏水染料尼罗红载入超分子组装体的疏水层作为受体时，OPV-1给体的荧光可以通过共振能量转移的形式传递给尼罗红。当给体与受体的物质的量的比达到125∶1时，可以获得高达32.5的天线效应值，从而展示了高效的共振能量转移效率。
图9-15 环糊精主客体组装体构筑光丰收体系
（a）磺化环糊精与含氰基的对苯撑乙烯类衍生物（OPV-1）示意图；（b）环糊精与OPV-1自组装囊泡发射黄色荧光；（c）掺杂尼罗红受体后，能量从OPV-1转移至尼罗红，发射红色荧光
美国国立卫生研究院陈小元课题组和浙江大学黄飞鹤及高长有教授等合作报道了一种新颖的基于环糊精的超分子纳米诊疗体系[26]。如图9-16所示，他们制备了乙二胺功能化的环糊精，并合成了苝二酰亚胺类型的荧光分子。该分子连接有聚乙二醇长链，可以与多个环糊精分子形成多轮烷，并利用靶向基团实现对多轮烷的封端。该多轮烷可以组装成为纳米颗粒，他们将其作为纳米药物的载体。研究发现，环糊精可以显著抑制聚合物链的结晶性，从而提高了体系的稳定性和载药能力。苝二酰亚胺具有光热效应，从而加速载药在靶细胞内的释放，提高了纳米药物的疗效。在活体实验中，他们发现这一化疗和光热治疗联用的策略可以完全治愈肿瘤并防止复发，显示了基于环糊精的超分子纳米材料在癌症的诊断和治疗中具有一定的优势。
图9-16 基于环糊精的超分子纳米诊疗体系
（a）功能化环糊精的化学结构及其示意图；（b）靶向基团的化学结构及其示意图；（c）基于苝二酰亚胺的光热基团化学结构及其示意图；（d）多轮烷形成示意图；（e）由多轮烷自组装形成的纳米药物载体示意图
