（西安交通工程学院，陕西西安 710300）

葫芦脲（Cucurbit[n]uril，CB[n]）又名瓜环，是一类由n个甘脲单元和2n个亚甲基桥联起来的两端开口的桶状大环化合物。1905 年德国化学家Behrend 首次合成了六元葫芦脲（CB[6]），但直到1981 年才由Freeman等测得其单晶结构。由于上世纪末超分子化学的创立和主客体化学研究的兴起，促使了人们对葫芦脲化学研究的兴趣和深入，因此葫芦脲主客体化学的研究也越来越受到人们广泛的关注。到本世纪初，六元的同系物五、七、八、十等其它多元葫芦脲的相继问世，为葫芦脲的理论及应用研究开创了更广阔的空间。由于葫芦脲及其衍生物具有外亲水内疏水的空腔结构特征，故其具有极强的、高度专一性的主客体键合能力，因而它能通过超分子作用力识别金属离子、有机分子、无机分子等。故葫芦脲化合物在分子离子识别、分子机器、分子马达、超分子组装、污水处理、仿生酶、临床药学等领域有着巨大的应用潜力。并在21 世纪的热点学科，如生命科学、能源科学、材料科学、环境科学、信息科学、纳米科学及仿生学等领域彰显出广阔的应用前景。而且在众多经典学科领域，如化学、生物学、催化科学、生物化学、生物物理、物理学等领域凸显出巨大的应用作用。同时在应用领域如食品、化妆品、香料、众多日用化工产品、染料、农药等领域应用广泛。不仅如此，其在工业、农业、国防、军工及医药学等领域均有着重要的应用价值。由此我们不难看出，葫芦脲化学的产生和发展促进了上述学科领域的产生和发展，它们相互促进，相得益彰。在本世纪随着超分子化学的兴起与发展，而使得人们对葫芦脲化合物的研究日新月异，目前已发展成为一门新兴的热门边缘学科──葫芦脲化学。

1 新型葫芦脲衍生物的合成及应用

1.1 新型葫芦脲多孔超分子框架的构筑及在材料科学中的应用

研究表明，框架是一类具有原子或分子有序排列或堆积、组成单元精细整合的结构；其高度的有序排列赋予了框架结构材料独特的性质和功能[1]。受此启发，超分子化学家利用非共价键作用力作为连接手段，构筑了具有多孔性质的超分子框架材料[2]。为此，西北大学的曹利平等人试图突破立体大环（葫芦脲等）的限域空腔限制，利用超分子作用力构建一系列具有宏观形貌可控、微观结构可调的超分子框架材料；并以此为基础积极拓展框架材料独特的开放空腔的功能与应用。于是，他们在该领域研究的成果是：（1）通过葫芦[8]脲作为连接子实现了超分子有机框架形貌的控制，并作为刺激响应性荧光材料实现了在细胞染色领域的应用；（2）通过具有方向性控制途径，首次构筑了具有多重钻石型框架结构的超分子配位框架，及其微米尺寸的八面体形貌组装[3]。该研究将在材料科学、超分子化学及合成化学中得到应用。

1.2 新型葫芦脲荧光超分子有机框架的构筑及在医学上的应用

近十年来，金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs）的多孔框架材料在化学、生物、材料科学领域的应用受到了人们极大的关注[4]。受共价框架材料的启发，超分子化学家们在溶液和晶体状态下成功地构筑出稳定、功能化的非共价框架材料，并称其为超分子有机框架（SOFs）[5]。目前，众多超分子框架材料是通过直接合成的方式构筑二维或者三维框架材料，但由于其框架材料的三维宏观形貌不易控制。为此，西北大学的李亚雯等人选用四（1-羧酸基-吡啶）四苯乙烯衍生物作为客体分子和葫芦脲（CB[8]）作为主体连接子，通过等级组装的策略，实现了以主客体相互作用为基础的二维网络结构的构筑，并有效地控制其组装三维结构的宏观形貌（立方体和球体），从而首次实现了通过主客体相互作用构筑二维网络结构以及三维纳米形貌的控制。此外，他们还发现该超分子有机框架具有良好的光学性质和多重刺激响应性质，故在可控染色癌症细胞方面具有潜在的应用价值[6]。该研究将在医学、材料科学、超分子化学及主客体化学的研究中得到应用。

1.3 新型羟基葫芦脲衍生物的制备及在医学中的应用

研究表明，由于葫芦脲端口的羰基可以键合阳离子和带正电的官能团，其疏水空腔可以包结有机小分子，因此它在分子识别、分子组装等领域具有重要的应用价值[7]。由于葫芦脲在水和一般有机溶剂中均难溶，且与其它大环相比，葫芦脲很难被衍生化，因而阻碍其应用和发展[8]。将葫芦脲腰间的氢原子取代为羟基可得到羟基葫芦脲（HOCB），这不仅改善了葫芦脲的溶解性，还引入了活性基团羟基，大大扩展了其在分子识别、分子组装和药物控释等方面的应用。为此，武汉大学的赵学等人以电催化制备的臭氧为氧化剂，将CB[5-8]成功氧化为羟基葫芦脲。他们还通过丙酮扩散法、柱层析法以及DMSO 提纯法对羟基葫芦脲进行提纯[9]。该研究将在超分子化学、分析分离科学、医药学及主客体化学中得到应用。

1.4 新型葫芦脲的合成及主客体作用

实验表明，分子之间的非共价键相互作用,包括范德华力、氢键、疏水键、静电引力、偶极相互作用等在化学和生物学研究中非常重要[10]。例如蛋白质的结构和功能化就是由这些相互作用决定的。研究者利用原子力显微镜(AFM)、光镊技术(Optical Twzzer)测量了这些相互作用力的变化，是研究这些相互作用的主要手段。为了更好的在分子水平理解这些相互作用，武汉大学的梁峰等人搭建了和扫描探针显微镜(STM)联用的表面增强拉曼散射(SERS)显微镜，并用表面增强拉曼动态光谱技术研究了金纳米颗粒在修饰了葫芦脲分子的金纳米电极上动态持续碰撞过程。他们发现在碰撞过程中，金纳米颗粒和纳米电极自动形成了与扫描隧道显微镜固结法中类似的单分子节。它们还发现，由于两边电极是金的纳米结构，利用两个金纳米结构之间间隙的表面等离子体激元，可以实现很高的拉曼信号的增益，实现单分子水平的测量[11]。他们利用这项技术，能够仔细研究金属表面葫芦脲与客体分子的相互作用，得到以前方法无法比拟的主客体相互作用的动态信息[12]。该研究将在分析分离科学、生物学、主客体化学及超分子化学中得到应用。

2 新型瓜环衍生物的合成及应用

2.1 新型错位十元瓜环与芘类衍生物的超分子自组装及应用

Isaacs 教授在2006 年就报道了错位十元瓜环(ns-Q[10])的合成与分离[13]。其包含两个相同的空腔，它不仅可以容纳两种芳香性客体分子，而且还能够将两种其它客体分子如金刚烷铵（ADA）或烷基铵离子容纳到腔中，形成三元复合物。尤其是，Isaacs 教授发现当非对称客体ADA 分子结合在错位十元瓜环空腔时，存在着三种不同的非对映体构型。为此，贵州大学的张晓东等人利用客体分子芘类衍生物（G）与ns-Q[10]的主客体自组装合成了一种新型错位十元瓜环-芘类衍生物的超分子自组装体，并探究了其组装模式。他们依据据荧光分析数据可知，当用340nm 光激发芘荧光基团时，游离的客体在水溶液（pH=2）中产生378nm 和396nm 两个典型的单体发射峰，而在485nm 附近（芘的典型准分子发射）的发射强度增加。客体的准分子发射带的形成可归因于两个芘分子间的π-π 堆积效应[14]。该研究将在超分子化学、主客体化学、分析分离科学及材料科学中得到应用。

2.2 新型十元瓜环与系列溴代3-羧戊基苯并三氮唑衍生物的超分子自组装及应用

超分子化学涉及化学、材料学及生命科学等多个领域。选择合适的基本构筑单元分子或离子，通过分子间弱相互作用自发构筑具有新颖结构或特殊性质的超分子自组装体已成为构筑新物质和产生新功能材料的重要手段。十元瓜环(Q[10]或CB[10])具有大的空腔体积和好的刚性结构，故利于主客体的超分子自组装有新意。为此，贵州大学的胥卫涛等人通过化学反应合成了一系列溴代3-羧戊基苯并三氮唑衍生物(溴代1-乙基-3-羧戊基苯并三唑，溴代1-丙基-3-羧戊基苯并三唑，溴代1-丁基-3-羧戊基苯并三唑，溴代1-戊基-3-羧戊基苯并三唑，溴代1-己基-3-羧戊基苯并三唑，溴代1-庚基-3-羧戊基苯并三唑)客体分子，并通过核磁共振和质谱进行了结构表征。同时，他们还通过1HNMR 滴定、紫外光谱法及荧光光谱法考察了十元瓜环与这一系列碳链长短不一的溴代3-羧戊基苯并三氮唑衍生物的作用模式。其结果表明，客体分子溴代3-羧戊基苯并三氮唑衍生物的碳链长度不同，与十元瓜环的包结作用有关[15]。该研究将在材料科学、生命科学、超分子化学及主客体化学等研究中得到应用。

2.3 新型瓜环的非共价健自组装及应用

自2000 年以来对瓜环（又称葫芦脲）化学的研究日新月异，期间形成了两个明显的发展阶段:（1）在2004～2009 年间，是系列瓜环作为一类新型主体化合物的基本性质研究阶段，主要包括简单主客体化学、简单配位化学及功能改性瓜环合成三个主要研究方向，研究的主要对象是五、六、七元瓜环。此阶段的研究结果表明瓜环在各个研究领域并不比环糊精有优势[16]；（2）从2009 年至今，形成了以八元瓜环疏水空腔在水溶液中能同时容纳两个客体分子为标志的超分子聚合物功能化学的研究。瓜环对客体分子具有选择性好、络合常数高的优势在这一阶段被完美地体现出来[17]。为此，贵州大学的倪新龙等人2014 年发现和提出的瓜环“外壁作用”概念[18]以及2016 年报道的瓜环“主客体调控荧光”现象为瓜环超分子化学发展提供了新的借鉴[19]。该研究将在超分子化学、主客体化学、材料科学配位化学等研究中得到应用。

2.4 十元瓜环在分析分离科学中的应用

研究表明，十元瓜环（Q[10]）是迄今为止发现的具有最大空腔的瓜环类物质，由于其合成过程中因含量低，产物难分离等因素的影响，因而限制了其发展及应用[20]。为此，贵州大学的姚宇清等人利用Q[10]实现了选择性捕集释放金属阳离子[21]。在最开始的试验中，他们尝试着在不同介质中培养Q[10]和金属阳离子配位组装的晶体，并得到了两种实验现象：（1）在6M 盐酸介质中，Q[10]溶液和金属阳离子的溶液混合之后即刻产生Q[10]与金属阳离子配位组装而成的沉淀（微晶）；（2）在浓硝酸介质中，Q[10]溶液和金属阳离子溶液混合加热之后在1h 内会逐渐析出Q[10]的单晶（不含金属离子）。由于这一实验现象的出现，他们想到了在盐酸中捕集金属阳离子，在硝酸中释放金属阳离子后循环再生，然后再次在盐酸中进行捕集，这样循环往返从而实现对金属离子的分离。他们还通过进一步的实验证明，在特定的体系中，Q[10]可以逐步选择性捕集释放金属阳离子，从而实现了对金属阳离子的分离[22]。该研究将在分析分离科学、主客体化学、环境科学及生命科学的研究中得到应用。

3 结语

综上所述，由于植根深远的葫芦脲化合物的桶状环具有大小可扩缩性，因而可像钥匙和锁子的关系一样选择性地包合不同客体物质，故使其应用无处不有，难以尽举。近年来，虽然葫芦脲化学的研究有了长足的发展，并取得了丰硕的研究成果，但仍方兴未艾，还有很多未知理论和应用需要探求，很多未解决的难题还有待攻克。今后葫芦脲化学研究重点主要将集中在以下六个方面：（1）应加强葫芦脲在非热门领域如农业生产和地质勘探等领域的研究；（2）环葫芦脲及其衍生物在对反应系统的控制和影响方面的研究；（3）如何高效回收使用过的葫芦脲化合物；（4）新型葫芦脲及其衍生物的合成、主客体超分子的自组装及应用；（5）在国内实现葫芦脲的大规模工业化生产；（6）在分子机器、分子器件及分子马达中如何应用。但我们坚信，随着人们对葫芦脲化学研究的不断深入，葫芦脲化学这把“万能钥匙”将会启开更多的应用“锁”，从而更好地造福于人类。