本论文以超分子化学为研究中心,合成了一系列环糊精和卟啉衍生物,构筑了一系列超分子功能材料,如囊泡、荧光探针和纳米螺旋带等,并进一步研究了这些功能材料在药物载运、仿酶催化、探针检测以及超分子自组装等领域的应用。本论文包括以下五个部分:一、绪论介绍了超分子化学的概念,超分子化学中涉及的非共价键作用力;环糊精的发展历史、物理化学性质及其在生产生活中的应用;葫芦脲的发展史、物理化学性质及其应用;主客体超分子囊泡、荧光探针以及凝胶等超分子功能材料的应用。二、基于环糊精及其衍生物的超分子囊泡与药物载运β-环糊精能够包合一系列疏水性的客体分子组装成主客体超分子囊泡,从而实现药物载运功能。我们实验室发现β-环糊精能够包合疏水性药物分子形成超分子双亲分子,进而组装成超分子囊泡。由于囊泡的空腔和栅栏层还可以继续载运亲水性和疏水性的药物分子,因此,这种超分子囊泡能够实现双重乃至多重载药。在本章节中,我们发现β-环糊精能够包合姜黄素组装成姜黄素超分子囊泡。得到的姜黄素囊泡对外部刺激如竞争性客体分子、酶和金属离子具有良好的刺激响应性。当向姜黄素囊泡中加入月桂酸钠、α-淀粉酶和铜离子时,囊泡发生解离,姜黄素被释放出来,实现了姜黄素的可控释放。我们还合成了 β-环糊精衍生物丁二胺基β-环糊精,发现丁二胺基β-环糊精可以包合抗癌药物替加氟组装成替加氟囊泡。由于β-环糊精上连接了丁二胺,丁二胺对铜离子具有较高的络合能力。因此,该囊泡对铜离子表现出了良好的响应性,铜离子的加入,使得囊泡解离,替加氟释放出来。相比于替加氟原药,替加氟囊泡具有更好的抗癌活性和抑制癌细胞分化的能力,显示出该超分子囊泡在药物载运领域巨大的应用潜力。此外,我们还合成了β-环糊精的二茂铁衍生物BA-Fc-CD。BA-Fc-CD自身可以组装成超分子聚合物,而当向其中加入β-环糊精时,我们得到了超分子囊泡。由于丁二胺基可以络合铜离子,而二茂铁基容易被氧化剂氧化。因此,该超分子囊泡对铜离子和双氧水具有很好的响应性。铜离子和双氧水的加入,能够引起囊泡的解离。三、β-环糊精超分子体系与仿酶催化传统的有机化学反应通常使用高温高压或者复杂的催化剂等苛刻条件才能得到较高的产率。此外,传统的有机化学反应通常使用有毒有害的有机溶剂作为反应媒介。因此,如何使有机反应绿色化,如何让有机反应在温和的条件下就能得到较高的产率,成为有机化学工作者们孜孜以求的目标。赖氨酸上有两个氨基,化学环境相似,氯甲酸苄酯与赖氨酸上某一个指定的氨基反应是非常困难的,需要苛刻的化学反应条件。在本章节,我们尝试着向该反应中加入β-环糊精,以观察β-环糊精对该反应的影响,得到了意想不到的结果。我们发现,β-环糊精在水溶液中能够催化DL-赖氨酸与氯甲酸苄酯的反应,得到单一区域选择性和单一立体选择性的产物,ee值达到了99%。反应条件温和,反应产物单一,具有非常强的实用价值,实现了有机反应的绿色化,为环糊精仿酶催化开辟了新的途径。四、葫芦脲超分子荧光探针与百草枯的检测分析百草枯能够有效地杀死各类杂草,与此同时,剧毒的百草枯对人畜生命安全也构成严重的威胁。因此,制备出能够快速高效地检测百草枯的探针是非常有必要的。在本章节,我们合成了两种卟啉衍生物,PC14和PMe4Cl8,并发现一当量的PC14能够包合四当量的葫芦[7]脲构筑成超分子荧光探针,可有效地检测水溶液中的百草枯。PCl4分子在水溶液中具有聚集诱导荧光猝灭(ACQ)效应,荧光极其微弱。当向PCl4水溶液中加入四倍当量的葫芦[7]脲时,葫芦[7]脲能够包合PCl4分子,促使PC14聚集体的解离,同时限制了 PCl4分子的转动,PCl4分子非辐射跃迁降低,导致体系荧光增强。相比于PCl4分子,百草枯与葫芦[7]脲具有更高的包合常数。因此,当向体系中进一步加入百草枯时,百草枯能够将PCl4分子从葫芦[7]脲的空腔中取代出来,使得体系荧光减弱。我们可以通过这种荧光的变化来检测水体中有无百草枯的存在。葫芦[7]脲/PCl4超分子荧光探针能够快速地检测出百草枯的存在,并且在荧光灯下,这种荧光变化是肉眼可观的,这就为百草枯荧光探针的制备提供了有益的借鉴。虽然PMe4Cl8分子可以和葫芦[7]脲包合,但是由于PMe4Cl8分子正电荷较多,其荧光大大降低,即便是葫芦[7]脲的加入也不能引起PMe4Cl8分子荧光的增强,因而PMe4Cl8分子不能用来构筑超分子荧光探针。五、生物活性分子的超分子自组装新体系胆固醇能够在血液中组装凝聚,容易诱发心肌梗塞和脑部中风等后果严重的疾病,因此,生物活性分子的自组装行为研究是非常重要的。在本章节,我们尝试探究了抗癌药物分子喜树碱以及防腐剂苯甲酸钠的自组装行为。研究发现,当向喜树碱浓的DMSO溶液中加入水时,喜树碱分子组装成了纳米螺旋带。调节溶液的pH值,使之呈碱性时,纳米螺旋带消失了。这归因于喜树碱有两种不同的存在形式,中性或者酸性条件下为内酯式结构,碱性条件下为羧酸盐式结构。内酯式的喜树碱水溶性差,在水溶液中容易组装,而羧酸盐式喜树碱水溶性好,碱性条件下,喜树碱组装体解离。我们还研究了苯甲酸钠的超分子组装体系。研究发现苯甲酸钠在低浓度下可以组装成囊泡,而在高浓度下可以组装成凝胶,并且苯甲酸钠凝胶对不同的金属离子如铜离子、锌离子和钙离子以及酸碱具有很好的刺激响应性。金属离子以及酸的加入能够导致凝胶的塌陷,而碱的加入使得凝胶再次形成。最后,我们向小牛血清中加入苯甲酸钠,发现加入苯甲酸钠的小牛血清中出现了大量微米级的组装体。由于苯甲酸钠作为防腐剂广泛地应用在食品行业,因此,苯甲酸钠食用的安全性应该引起我们的关注。