章康達(dá), 楊江雄, 段鴻櫻, 占田廣

(浙江師范大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,浙江 金華 321004)

近幾十年來(lái)，分子自組裝已經(jīng)發(fā)展成為化學(xué)與物理、生物、材料等不同學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域之一，為創(chuàng)造新物質(zhì)和制備新功能材料提供了一種強(qiáng)有力的手段[1-3].通過(guò)基元分子在非共價(jià)相互作用驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行自組裝，可以構(gòu)筑具有復(fù)雜有序結(jié)構(gòu)和特定功能的超分子自組裝體系，在仿生結(jié)構(gòu)和功能[4-5]、藥物輸送[6-7]、催化[8-9]、傳感[10-11]，以及分子成像[12-13]等諸多領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景.通常情況下，分子自組裝過(guò)程由熱力學(xué)控制，所獲得的自組裝體系處于熱力學(xué)平衡態(tài)，并且其組裝結(jié)構(gòu)往往具有較好的穩(wěn)定性.在平衡態(tài)自組裝體系中，兩種狀態(tài)之間可以進(jìn)行等速率的組分交換，因而沒(méi)有物質(zhì)和能量的凈流動(dòng).

然而，在某些情況下，分子自組裝過(guò)程與能量消耗相關(guān)聯(lián)，所獲得的自組裝體系處于非平衡態(tài)，其能夠與周圍環(huán)境發(fā)生物質(zhì)和能量的凈交換，這使得非平衡態(tài)(耗散)自組裝體系往往具有儲(chǔ)存和傳遞能量的能力.實(shí)際上，耗散自組裝模式廣泛存在于自然界中，例如生命系統(tǒng)及其所包含的結(jié)構(gòu)在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的，需要消耗能量物質(zhì)(如ATP)才能維持其高級(jí)結(jié)構(gòu)并實(shí)現(xiàn)諸如信號(hào)處理、運(yùn)動(dòng)性、自修復(fù)及自復(fù)制等生命功能.然而，在人造系統(tǒng)中耗散性自組裝過(guò)程的例子并不多見(jiàn).迄今為止，雖然已經(jīng)通過(guò)非平衡態(tài)自組裝策略成功構(gòu)筑了具備獨(dú)特功能的超分子組裝材料[14-16]，例如能量驅(qū)動(dòng)的分子機(jī)器[17-19]，跨膜傳輸系統(tǒng)[20]，以及仿生功能組裝體系[21]等，但是,目前對(duì)于非平衡態(tài)超分子組裝材料的開(kāi)發(fā)仍處于起步階段.其中，以化學(xué)燃料驅(qū)動(dòng)的耗散自組裝是研究最廣泛的一類非平衡態(tài)自組裝系統(tǒng).

本文將介紹3類具有代表性的以化學(xué)燃料為驅(qū)動(dòng)的耗散自組裝體系的構(gòu)筑原理和方法，展示所構(gòu)筑瞬時(shí)超分子材料的獨(dú)特應(yīng)用，同時(shí)對(duì)該領(lǐng)域存在的一些挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行總結(jié)和展望.

1 耗散自組裝

構(gòu)筑耗散自組裝系統(tǒng)至少包含2個(gè)不可逆的化學(xué)反應(yīng)，分別用于調(diào)節(jié)2種物質(zhì)(前體和產(chǎn)物)的活化與失活(見(jiàn)圖1)[16].其中，活化反應(yīng)可以將前體轉(zhuǎn)化為激活的產(chǎn)物，該過(guò)程由不可逆的能源消耗驅(qū)動(dòng)(如化學(xué)燃料的消耗或光的吸收).與之相反，失活反應(yīng)則是將被激活的產(chǎn)物還原為前體的自發(fā)過(guò)程.因此，耗散自組裝所形成的結(jié)構(gòu)只能通過(guò)恒定的能量轉(zhuǎn)換來(lái)維持，當(dāng)定量添加有限的燃料時(shí)，只要系統(tǒng)能夠持續(xù)消耗能量，就能進(jìn)行組裝過(guò)程并維持組裝結(jié)構(gòu).同時(shí)，被激活的構(gòu)筑基元也可以耗散其能量，重新形成初始的非活化組裝基元.需要指出的是，在耗散自組裝系統(tǒng)中組裝結(jié)構(gòu)的形成及其穩(wěn)定性取決于能量耗散率和燃料消耗率的相對(duì)大小，只有在燃料消耗率大于能量耗散率的條件下才能觀察到瞬時(shí)組裝體，反之，能量將被耗散而不發(fā)生自組裝.

圖1 耗散自組裝過(guò)程示意圖

2 化學(xué)燃料驅(qū)動(dòng)瞬時(shí)超分子材料的構(gòu)筑

2.1 化學(xué)燃料消除前體靜電電荷并誘導(dǎo)自組裝

在這種設(shè)計(jì)策略中，帶電荷的前體分子之間由于存在靜電排斥而不能發(fā)生自組裝，當(dāng)其被化學(xué)燃料活化后可以生成減少或消除了電荷的產(chǎn)物，后者因分子間靜電斥力降低可以發(fā)生自組裝形成瞬時(shí)組裝體[22-27].2010年，Boekhoven等[22]首次報(bào)道了一種以二苯甲?；?(L)-胱氨酸(DBC)為前體組裝基元，以烷基化試劑碘甲烷(MeI)作為化學(xué)燃料構(gòu)筑的具有特定壽命的耗散自組裝“活性凝膠”(見(jiàn)圖2).DBC是一種常見(jiàn)的水凝膠劑，其分子中的羧酸基團(tuán)(pKa值約4.5)在pH>4.5時(shí)以陰離子形式存在，此時(shí)DBC分子因具有較強(qiáng)的靜電排斥而不能夠在溶液中形成穩(wěn)定的組裝體.而當(dāng)pH降低至pKa值以下時(shí)，DBC分子中的羧酸陰離子被酸化成中性羧酸基團(tuán)，此時(shí)DBC分子可以通過(guò)分子間氫鍵和疏水作用進(jìn)行自組裝形成穩(wěn)定纖維.

然而，當(dāng)加入MeI將DBC二陰離子轉(zhuǎn)化成二甲酯衍生物后，即使在pKa值以上，其也可以發(fā)生自組裝并形成穩(wěn)定的瞬時(shí)纖維聚集體.并且，通過(guò)控制MeI燃料的加入量及溶液的pH，可以在特定條件下保持酯的形成速率大于其水解速率，從而控制纖維組裝體的壽命.在此基礎(chǔ)上，他們還進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了一種由化學(xué)能消耗驅(qū)動(dòng)的合成、瞬時(shí)、自組裝分子材料的一般方法，并通過(guò)燃料轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)來(lái)調(diào)控瞬時(shí)組裝體的壽命、剛度和再生行為[23].這種由化學(xué)燃料驅(qū)動(dòng)耗散自組裝系統(tǒng)也為構(gòu)筑新型“類生命”系統(tǒng)打開(kāi)了大門.

a：二苯甲?；?(L)-胱氨酸分子結(jié)構(gòu); b：DBC耗散自組裝過(guò)程示意圖

2017年，Tena-Solsona等[27]則利用縮合劑(碳二亞胺，EDC)的水解反應(yīng)提供能量來(lái)誘導(dǎo)含有芴基甲氧羰基(Fmoc)保護(hù)基的氨基酸(見(jiàn)圖3a)進(jìn)行耗散自組裝.如圖3b所示，氨基酸前體分子可以被燃料分子EDC激活并轉(zhuǎn)化成環(huán)狀產(chǎn)物，然后進(jìn)一步通過(guò)自組裝形成不同形態(tài)的超分子聚合物如球晶、膠體等.當(dāng)燃料分子EDC被耗盡后，失活反應(yīng)將環(huán)狀酸酐產(chǎn)物還原為帶電荷的氨基酸前體，從而導(dǎo)致組裝結(jié)構(gòu)的解體.

a：化學(xué)結(jié)構(gòu)；b：化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

此外，該反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)可以很容易地融入肽基自組裝結(jié)構(gòu)如疏水膠體、超分子墨水和自組裝水凝膠等.例如，由于球晶體積較大可以散射光信號(hào)，從而將透明溶液變?yōu)闇啙崛芤?因此，若把前體包埋在聚丙烯酰胺水凝膠中并將燃料通過(guò)掩膜進(jìn)行噴涂時(shí)，可以使球晶僅出現(xiàn)在燃料與前體反應(yīng)的位置，此時(shí)瞬時(shí)球晶可以用作寫(xiě)入臨時(shí)信息的平臺(tái)，即自擦除墨水(見(jiàn)圖4).同時(shí)，由于Fmoc前體具有很好的溶解性，其在碳二亞胺驅(qū)動(dòng)下形成相應(yīng)的酸酐并自組裝成瞬時(shí)膠體后，水解速率與未組裝的前體相比要低得多.因此，可以使用這種瞬時(shí)自組裝膠體來(lái)封裝和釋放各種疏水性染料.

圖4 Fmoc-D通過(guò)化學(xué)燃料驅(qū)動(dòng)的耗散自組裝形成球晶并應(yīng)用于自擦除油墨示意圖[27]

2.2 通過(guò)化學(xué)燃料連接2個(gè)前體并誘導(dǎo)自組裝

在該策略中，通過(guò)化學(xué)燃料驅(qū)動(dòng)可以使2個(gè)不具有組裝能力的分子發(fā)生反應(yīng)形成活化的構(gòu)筑基元，并誘導(dǎo)其自組裝形成瞬時(shí)組裝體[28-33].例如，Morrow等[28]設(shè)計(jì)并構(gòu)筑了一個(gè)耗散自組裝膠束系統(tǒng)，其可以在化學(xué)燃料驅(qū)動(dòng)下保持在非平衡狀態(tài)，并具有自復(fù)制性質(zhì).如圖5所示，以過(guò)氧化氫為燃料可將前體3氧化為具有親水性的二硫化物2，其再與相分離的疏水性硫醇1發(fā)生緩慢交換反應(yīng)生成一分子前體3和一分子亞穩(wěn)態(tài)表面活性劑4.其中，前者可以繼續(xù)與燃料過(guò)氧化氫反應(yīng)進(jìn)入循環(huán)，而后者則能夠進(jìn)行自組裝形成膠束.需要指出的是，只有當(dāng)表面活性劑4達(dá)到一定濃度(0.2 mmol/L)時(shí)才能夠自組裝形成瞬時(shí)膠束聚集體，并且該瞬時(shí)膠束的形成能夠促進(jìn)硫醇1與二硫化物2相混合并提高二者之間的交換反應(yīng)速率，從而催化生成新的表面活性劑4.因此，在這個(gè)耗散系統(tǒng)中，表面活性劑4的形成是自催化的，這使得瞬時(shí)膠束聚集體可以自我復(fù)制.表面活性劑4可以與硫醇1發(fā)生第二次酯交換反應(yīng)而被消耗，同時(shí)生成廢棄物5和前體3，完成反應(yīng)循環(huán).

圖5 化學(xué)燃料驅(qū)動(dòng)的具有自復(fù)制性的耗散自組裝示意圖[28]

值得一提的是，該系統(tǒng)中不需要外部添加試劑用于破壞性步驟，也不需要外部添加起始材料，只需要利用單一、簡(jiǎn)單的化學(xué)燃料(氧化劑)使反應(yīng)的廢物副產(chǎn)物原位再生得到高能起始材料，就可以建立一個(gè)簡(jiǎn)單的代謝循環(huán)以維持復(fù)制因子不平衡.這對(duì)于人工模擬生命體內(nèi)的自復(fù)制現(xiàn)象有著重要意義.此外，他們最近還發(fā)現(xiàn)利用上述基于2個(gè)相分離組分所構(gòu)筑的耗散超分子膠束組裝體能夠作為組裝器用于產(chǎn)生二硫聚合物[29]，并且通過(guò)調(diào)節(jié)溫度和反應(yīng)時(shí)間，或通過(guò)添加聚合物封端劑，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聚合物尺寸的控制.這項(xiàng)工作也為發(fā)展基于耗散自組裝的功能超分子體系提供了新的方向.此外，在某些情況下燃料分子也可以參與形成活化的構(gòu)筑基元來(lái)實(shí)現(xiàn)耗散自組裝[30-32].例如，2016年Maiti等[30]通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)構(gòu)筑了一個(gè)以可溶性的表面活性劑分子1,4,7-三氮雜環(huán)壬烷·Zn2+絡(luò)合物(C16TACN·Zn2+)為前體，以ATP為燃料的耗散自組裝系統(tǒng)(見(jiàn)圖6).ATP在該耗散自組裝系統(tǒng)中起著雙重作用，它既作為燃料分子，又可以通過(guò)非共價(jià)作用與前體發(fā)生絡(luò)合形成兩親性超分子復(fù)合物，并進(jìn)一步自組裝得到瞬時(shí)囊泡.當(dāng)引入馬鈴薯腺苷三磷酸酶來(lái)釋放儲(chǔ)存在ATP中的化學(xué)能，或者當(dāng)ATP水解為ADP后，ATP與C16TACN·Zn2+之間的穩(wěn)定非共價(jià)相互作用消失，從而導(dǎo)致囊泡分解成其前體狀態(tài).在該系統(tǒng)中，瞬時(shí)囊泡的壽命可以通過(guò)調(diào)節(jié)燃料ATP的濃度和馬鈴薯腺苷三磷酸酶的濃度來(lái)控制.同時(shí)，作者還發(fā)現(xiàn)將上述耗散自組裝囊泡作為瞬時(shí)納米反應(yīng)器可以提高水相中有機(jī)反應(yīng)的速率.如圖7所示，瞬時(shí)囊泡的存在可以催化2種疏水性反應(yīng)物1-辛硫醇(C8-SH)和4-氯-7-硝基苯并-2-氧雜-1,3-二唑(NBD-Cl)在水中發(fā)生芳香親核取代反應(yīng)，并且產(chǎn)物NBD-SC8的產(chǎn)率隨著ATP濃度的增加而顯著提高(見(jiàn)圖7b).

圖6 以ATP為燃料的耗散自組裝囊泡形成示意圖[30]

a：瞬時(shí)囊泡存在下進(jìn)行的芳香親核取代反應(yīng)；b：產(chǎn)物產(chǎn)率與添加ATP濃度的關(guān)系

2.3 通過(guò)化學(xué)燃料誘導(dǎo)改變前體的分子構(gòu)象并自組裝

在這一策略中，化學(xué)燃料可以誘導(dǎo)前體分子發(fā)生構(gòu)象變化而得到具有組裝能力的活化產(chǎn)物，并進(jìn)一步通過(guò)分子間非共價(jià)相互作用發(fā)生自組裝形成瞬時(shí)組裝體[34-35].例如，Jalani等[34]設(shè)計(jì)了一個(gè)含有富電性芘負(fù)離子和缺電性紫精正離子單元的兩親性前體(圖8中PN-VN)，其在溶液中可以在分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(CT)作用下形成折疊構(gòu)象.當(dāng)加入化學(xué)燃料(Na2S2O4)時(shí)，折疊體前體PN-VN中的紫精單元可以被還原成自由基陽(yáng)離子，這極大地削弱了前體中的分子內(nèi)CT作用并使其轉(zhuǎn)變成具有非折疊構(gòu)象的活性基元分子，然后進(jìn)一步發(fā)生自組裝得到片狀瞬時(shí)組裝體(見(jiàn)圖8).當(dāng)水溶液中存在溶解氧與葡萄糖氧化酶(GOX)時(shí)，可以通過(guò)酶促反應(yīng)將葡萄糖氧化為葡萄糖內(nèi)酯(廢物)并形成氧化劑過(guò)氧化氫，后者可以將片狀瞬時(shí)組裝體中的紫精自由基陽(yáng)離子單元氧化成二價(jià)陽(yáng)離子，從而誘導(dǎo)組裝基元重新形成折疊構(gòu)象并破壞組裝體.

有趣的是，在兩親性折疊體前體PN-VN未被化學(xué)燃料激活時(shí)，能夠自組裝形成囊泡，而通過(guò)化學(xué)燃料誘導(dǎo)折疊體展開(kāi)，活化產(chǎn)物則能夠組裝形成片狀的瞬時(shí)組裝體.因此，可以通過(guò)改變?nèi)剂虾兔傅臐舛葋?lái)調(diào)節(jié)組裝基元的瞬時(shí)構(gòu)象并實(shí)現(xiàn)組裝體形態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)間控制.該研究工作對(duì)于未來(lái)設(shè)計(jì)具有活性、適應(yīng)性和自主性材料的分子和超分子系統(tǒng)具有積極的意義.

圖8 化學(xué)燃料驅(qū)動(dòng)和酶促輔助的折疊體瞬時(shí)構(gòu)象轉(zhuǎn)變及其耗散自組裝過(guò)程示意圖[34]

利用上述化學(xué)燃料驅(qū)動(dòng)分子構(gòu)象轉(zhuǎn)變策略，最近，Jalani等[35]進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一種含有富電性芘負(fù)離子和缺電性萘二酰亞胺(NDI)的兩親性電荷轉(zhuǎn)移單體(見(jiàn)圖9中前體PNF)，并構(gòu)筑了一種可控的耗散自組裝超分子聚合物體系.在該系統(tǒng)中，CT折疊體單體PNF可以自組裝得到單分散性超分子聚合物.輸入還原劑SDT后，前體中的NDI單元可以被還原成活性自由基陰離子(PNF-NDI·-)而解除折疊構(gòu)象，并進(jìn)一步形成穩(wěn)定聚集體.在氧氣條件下，活性單體分子中的NDI自由基單元可以被氧化成中性NDI單元，從而誘導(dǎo)單體重新形成折疊構(gòu)象并自組裝得到高單分散CT超分子聚合物.因此，可以通過(guò)改變還原劑濃度來(lái)調(diào)節(jié)休眠狀態(tài)的穩(wěn)定性和氧化速率，實(shí)現(xiàn)超分子聚合物的分散性和分子量的動(dòng)力學(xué)控制.

圖9 電荷轉(zhuǎn)移折疊體的分子結(jié)構(gòu)及其自組裝形成單分散超分子聚合物示意圖[35]

3 結(jié)論與展望

本文綜述了幾類以化學(xué)燃料驅(qū)動(dòng)的耗散自組裝體系及其應(yīng)用.事實(shí)上，目前這一領(lǐng)域的相關(guān)研究十分活躍，各種類型的耗散自組裝體系包括纖維[36-37]、囊泡[30]等被相繼報(bào)道，并在自擦除油墨[27]，自修復(fù)超分子凝膠[22-23]，自復(fù)制和組裝結(jié)構(gòu)可控膠束[38-39]及瞬時(shí)納米反應(yīng)器[30]等方面得到廣泛應(yīng)用.盡管如此，對(duì)于化學(xué)燃料驅(qū)動(dòng)的人工耗散自組裝系統(tǒng)而言，仍然存在幾個(gè)亟待解決的問(wèn)題：

首先，燃料所產(chǎn)生的廢物會(huì)影響系統(tǒng)進(jìn)行多次循環(huán)的能力.迄今為止，僅有少數(shù)的例子可以通過(guò)連續(xù)流動(dòng)去除廢物[40]，或者是以沉淀[41]或氣態(tài)形式[42]除去廢物.因此，需要對(duì)耗散反應(yīng)循環(huán)過(guò)程進(jìn)行更巧妙的設(shè)計(jì),以消除廢物所帶來(lái)的影響.例如，可以通過(guò)設(shè)計(jì)巧妙地將反應(yīng)循環(huán)串聯(lián)在一起，使其中一個(gè)循環(huán)的廢料充當(dāng)下一個(gè)循環(huán)的燃料.

其次，目前使用的化學(xué)燃料大多具有較強(qiáng)的反應(yīng)性，在循環(huán)過(guò)程中往往造成溶液的緩慢分解，并且有不同程度的毒性.因此，若能設(shè)計(jì)使用無(wú)反應(yīng)性的“預(yù)燃料”，并以受控方式將其轉(zhuǎn)化為更具反應(yīng)性的物質(zhì)，或者通過(guò)催化或與第2種預(yù)燃料反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化過(guò)程，將有望發(fā)展出新一代耗散自組裝系統(tǒng).此外，還可以將基質(zhì)和燃料結(jié)合在一起以實(shí)現(xiàn)高選擇性的催化劑等.

最后，如何有效地控制所涉及的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)也是制約耗散自組裝系統(tǒng)進(jìn)一步精確化、智能化發(fā)展的關(guān)鍵因素之一.目前已報(bào)道的大多數(shù)耗散循環(huán)系統(tǒng)中，失活反應(yīng)速率往往受溶劑的影響而難以控制[22-23].因此，若能發(fā)展出新的化學(xué)反應(yīng)使耗散循環(huán)系統(tǒng)中的每個(gè)步驟都使用受控的催化反應(yīng)，將有望實(shí)現(xiàn)對(duì)耗散循環(huán)網(wǎng)絡(luò)中的反應(yīng)進(jìn)行獨(dú)立和正交的控制.

此外，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，耗散自組裝系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計(jì)使用具有生物相容性或者生物正交的反應(yīng)循環(huán)，這將有利于所構(gòu)筑的自組裝材料獲得仿生功能，例如能夠隨著所處環(huán)境的變化而進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，或者實(shí)現(xiàn)類似生命體系的復(fù)雜功能等.