基于氢键的超分子自组装研究进展

张云峰,薛慧玲,李红梅,孙俊梅,徐小超

(成都大学 生物产业学院，四川 成都 610106)

0 引言

氢键是一种可逆的非共价键作用力，在分子自组装作用过程中起着非常重要的作用，它涉及化学科学、生命科学以及材料科学等领域，是目前研究的热点方向.氢键由于它特殊的几何构型和方向性，使它不同于共价键和范德华作用力.氢键正是由于这种特殊的结构特点，使它在分子组装过程中起着非常重要的作用.羧基-吡啶、羧基-胺基、羧基-咪哇等都可形成稳定的氢键[1]，这些氢键都可以用来形成超分子化合物.很多科研工作者设计并合成了基于氢键的超分子自组装体系，本文将对近年来的氢键自组装体的研究进展进行简要综述.

1 寡聚酰胺自组装体系

2000年，Gong小组[2]巧妙地利用分子内氢键设计了一类芳香寡聚酰胺折叠物体系(图1).此类化合物(1)呈现稳定的刚性弯曲结构，当链长进一步增长时，会形成螺旋状[3]；另外，改变取代基的位置时，可以改变螺旋结构的孔径大小，这类折叠物的刚性结构使羰基总是指向环内[4].此外，闭环的寡聚酰胺类化合物及可作为氢键受体和给体识别大小合适的分子(如胍基)[5].寡聚酰胺类化合物分子中裸露的羰基氧原子和酰胺氢原子使这类分子内部环境是亲水性的，在适当的环境下，可组装成空心的纳米管道.

图1 寡聚芳香酰胺折叠物Fig.1 Oligomeric aromatic amide foldamers

Gong小组还将二胺的四聚体片段与二酸结合合成了对称的九聚体(2)(图2)[6]，由于分子内的氢键作用和芳环的π-π堆积作用致使长链的九聚体采用螺旋构象，形成一定的纳米洞穴.红外、核磁、粉末衍射等均证明了这个螺旋构象的存在.

图2 九聚体(2)的分子结构及晶体结构Fig.2 Molecular structure and crystal structure of 9-mers

我们设计并合成了一系列的具有类似结构的寡聚酰胺化合物(3)[7]，研究了不同寡聚酰胺化合物的堆积和自组装，在氯仿中五聚物和六聚物形成了大的聚集体，在固态下，所有的寡聚酰胺化合物通过π-π作用均堆积成柱状自组装体，并具有亲水性通道，进一步被粉末衍射所证实.

图3 寡聚酰胺化合物(3)及柱状组装模型Fig.3 Crescent oligoamides and colummar assemblies

Gong等还设计了一类非常独特的类似多肽的折叠物(图4)[8].利用分子中的羰基氧原子和酰胺氢原子可以形成氢键，依次按特定的顺序排列，并能与另一互补链自组装成多重氢键的平行双分子链聚合物(4)，此类多肽折叠物具有分子识别能力强和稳定性好等优点[9].Gong等后来还报道了以此类双分子链为母体可以发生聚合物反应(5)[10]，且还可以发生聚合反应形成高分子聚合物(6)[11]和链状多肽聚合物(7)[12].

图4 多重氢键分子链，聚合反应，聚合物和直链肽Fig.4 Multiple hydrogen bonding and polymerization,polymer and straight chain peptid

2014年，He等[13-14]报道了基于多重氢键的寡聚芳香酰胺化合物(8)可以自组装成囊泡结构，他们把该化合物溶于丙酮中，发现此化合物在氢键的作用下可以组装成大小均匀的球状结构.一维核磁和二维核磁均证明了，该化合物存在较强的分子间氢键作用，并且此化合物正是通过氢键发生了自组装，形成囊泡结构.透射电镜进一步证明了囊泡结构的存在.他们后来又运用扫描电镜和动态光散射等手段证明了该化合物通过氢键作用自组装成囊泡结构(图5).

图5 化合物(8)的自组装示意图Fig.5 Schematic representation of self-assembled vesicles of compound 8

2 喹啉衍生物体系

2003年，Huc等[15-16]报道了以8-硝基喹啉为母的聚喹啉-氨基酸体系(9).此类聚合物酰胺基团上的氢与喹啉环上的氮二者能够形成氢键，与此同时喹啉环的π-π堆积作用致使低聚体采取了稳定的螺旋构象.X-ray晶体衍射和NMR谱图均证明了这一点(图6).

图6 聚喹啉-氨基酸的分子骨架及晶体结构Fig.6 Ologomeric quinoline derivative of amino acids system framework and crystal structure

后来，Huc小组[17]把手性基团引入到喹啉-酰胺衍生物体系(10)，由于喹啉环与手性基团苯环存在较强的π-π相互作用，结果得到了左螺旋(M)和右螺旋(P)的分子结构，他们还考察了左螺旋分子和右螺旋分子二者在溶液中稳定性的差异，并成功地实现了其在溶液中的螺旋手性诱导(图7).

图7 化合物(10)及其手型衍生物的结构Fig.7 The structures of its chirality derivatives

3 吡啶-酰胺衍生物体系

Berl等[18]报道了吡啶-酰胺化合物(11)-(13) (图8)，由于吡啶-酰胺化合物酰胺氢原子与吡啶氮原子可以形成分子内氢键，此类分子内氢键作用力可使该化合物分子很容易的采取弯曲螺旋构型，并且在浓度较高的情况下，吡啶-酰胺分子很容易二聚成稳定的双螺旋构型，在吡啶-酰胺分子内部双螺旋分子链是通过吡啶与吡啶间的π-π相互作用而紧密地结合在一起的[19].从动力学上看，吡啶酰胺单分子链和双分子链之间，在溶液体系中存在着构象互变现象，吡啶酰胺单分子螺旋链之间的分子间氢键和吡啶环间的π-π堆积作用稳定了这个双螺旋构象，从而在一定程度上实现了对生物大分子的模拟.

图8 聚吡啶酰胺分子(11)-(13)及其分子螺旋结构Fig.8 Poly picolinamide and its helical conformation

4 氨基苯甲酰胺体系

Hamilton等利用吡啶二甲酸和氨基苯甲酸为单体交替排列合成了氨基苯甲酰胺化合物(14)[20]，在氨基苯甲酰胺分子中，羰基氧原子与酰胺基团上的氢原子能够形成分子内氢键.同时，吡啶环上的氮与酰胺基团上的氢也能够形成分子内氢键，除此之外，氨基苯甲酰胺分子中的吡啶环与苯环之间还存在着较强的π-π堆积作用，当分子链逐渐增长时，氨基苯甲酰胺分子链就会形成紧密的、稳定的螺旋二级结构[21]，X-ray粉末衍射和核磁均证明了此类二级结构的存在(图9).

图9 氨基苯甲酰胺(14)及分子结构Fig.9 Anthranilic acid amide molecular (14) and its helical conformation

5 菲咯啉-酰胺体系

图10 菲咯啉聚合物(15)及构象转换Fig.10 Phenanthroline polymer (15) and the helical conformation transition model

Hu等[22]以菲咯啉二甲酸和邻苯二胺为单体通过缩合反应合成了菲咯啉酰胺聚合物(15)(图10)，在固相和溶液体系中，由于芳环-芳环之间的π-π相互作用以及分子内氢键的存在，可使菲咯啉酰胺化合物分子形成非常稳定的螺旋构型，当把带手性(R)-苯乙胺基团引入到菲咯啉酰胺化合物中时，该化合物分子则可以形成左螺旋构型或右螺旋构型，通过核磁、圆二色谱、紫外光谱的表征发现：通过往该体系中加入酸或者碱，则可以使分子的构型发生转换.

6 芳香酰肼体系

2010年，Du等[23]报道了一类苯酰肼折叠体系(16) (图11)，这类聚合物在分子间氢键的作用下可以进行自组装成二聚体或多聚成有机囊泡，有机凝胶和超分子化合物.

图11 酰肼分子骨架(16)和二聚物晶体结构Fig.11 Crystal structure and molecular structure of the dimeric of hydrazide

7 吡嗪-咪唑酰胺体系

2012年，Lee等[24]合成并报道了吡嗪-咪唑乙酰胺化合物(17)，酰胺上的氧原子与吡嗪-咪唑环上的氢，以及氨上的氢与吡嗪环上的氮分别形成分子间氢键，在氢键的驱动下，此化合物能自组装成三重螺旋结构(图12).

图12 吡嗪-咪唑乙酰胺氢键模型及组装成的三重螺旋结构Fig.12 Pyrazine-imidazole acetamide hydrogen bonding model and a triple helix structure diagram assembled

8 尿基衍生物体系

脲属于酰胺类化合物，尿基团具有两个NH和一个羰基，这种结构决定了其酰胺上的氢原子可以与邻近羰基上的氧原子形成氢键，使具有脲基的化合物分子可以通过氢键作用组装成超分子凝胶[25].

2010年，Escuder等[26]合成了含有脲基的间苯二甲酸化合物(18)，该化合物通过氢键自组装形成了纳米纤维结构，并进一步形成水凝胶，这已被原子力显微镜证明(图13).

图13 含尿基的间苯二甲酸分子及氢键组装模型Fig.13 Based-urea isophthalic acide and hydrogen bonding assemble model

2012 年，Zhang等[27]合成了具有双脲基团的化合物分子(19).它在甲苯溶剂中可自组装成螺旋纳米结构，并形成热力学可逆的物理凝胶.扫描电镜和透射电镜均证明了该化合物呈现规则有序的棒状纳米晶态结构(图14).

图14 含双尿基的化合物分子及SEM(a)和TEM(b)图片Fig.14 Molecular structure based bis-urea and images of SEM and TEM

Zimmerman等合成了一类脲基萘啶化合物(20).此化合物通过分子间氢键作用可以形成两种结构互变的二聚体，且聚合常数为Kd=105L/mol.后来，Hisamstsu等合成了尿基咪唑并吡啶化合物(18).研究发现，此化合物通过氢键作用形成的二聚体非常稳定，聚合常数高达1.1×105L/mol，比化合物(21)提高了三个数量级[28].

图15 尿基萘啶化合物(20)和尿基咪唑并吡啶化合物(21)的氢键二聚体结构Fig.15 Hydrogen bonding dimer of ureidonaphtyridine and ureidoimidazo-pyrimidine

9 总结与展望

综上所述，氢键在分子自组装中起着极其重要的作用，近年来，基于氢键的自组装受到人们的广泛关注并取得了快速的发展，并形成了不同类型超分子组装体系.本文综述了氢键在以上所述的几大类超分子组装体中的研究进展，我们发现，由于氢键具有可逆性，基于氢键的超分子自组装体系具有组装的多样性和广泛性等特点，据此，我们可以对氢键型超分子自组装体进行分析，并预测氢键对自组装体结构和性质的影响，为设计和合成出结构稳定、性能优异、可以自由调控的材料提供理论基础.