多电荷环糊精超分子组装体，包括带正/负电荷官能团修饰的单取代-6-脱氧-环糊精、全取代-6-脱氧-环糊精和无规取代-2,3,6-脱氧-环糊精，以及母体环糊精键合带正/负电荷的客体分子形成的超分子组装体，已广泛应用于化学、材料科学、医学、生物科学、催化等领域。

  南开大学刘育教授等近期在《Chemical Society Reviews》上发表了题为“Multicharged cyclodextrin supramolecular assemblies”的综述文章(Chem. Soc. Rev. 2022, 51, 4786-4827)。该综述主要总结了近年来在带正/负电荷官能团的环糊精和母体环糊精键合正/负电荷客体分子方面的最新研究进展，特别是超分子组装体的合成构筑过程及其应用（图 1）。与不带电荷的环糊精相比，多电荷环糊精显示出了高效的抗病毒和抗菌活性以及抑制蛋白质纤维化作用。同时，多电荷环糊精与带相反电荷的染料分子、药物分子、聚合物或者生物大分子等通过多价相互作用组装，对客体分子进行高效的包结和诱导聚集，可以构筑具有多刺激响应性能的超分子组装体。因此，多电荷环糊精的超分子组装在提高载药量和药物传递效率、改善材料的发光性能、提升分子识别和成像能力以及增强超分子水凝胶的韧性方面显示出巨大的优势。这些特性不仅促进了环糊精超分子化学的发展，而且有助于扩展环糊精超分子组装体在交叉学科领域中的应用。

图1. 多电荷环糊精超分子组装体的构筑及其应用

  环糊精（CDs）是通过 α-1,4-糖苷键连接的大环寡糖，具有亲水的表面和疏水的空腔，最常用的环糊精是α-、β-和γ-CD，分别由6、7和8个 d-葡萄糖单元组成（图 2）。结构上，C-6 位羟基位于主面的小口端，C-2 和 C-3 位羟基位于次面的大口端。这些羟基不仅使 CDs 具有优异的水溶性，还可以衍生化合成含有不同官能团的 CDs 衍生物。由于α-、β-和γ-CD中d-葡萄糖单元数的不同，其主面和次面的内径以及空腔的体积也各不相同，通过主客体作用可以分别包结不同尺寸的客体分子。为了提高母体 CDs 的分子识别和组装性能并扩展其应用，在端口的羟基上可以修饰不同种类的官能团。其中，合成的多电荷 CDs 在医学、生物科学和材料等研究领域引起了广泛的关注。利用正负电荷之间的静电相互作用，带正电荷的 CDs 表现出强的抗菌活性，而带负电荷的 CDs 表现出优异的抗病毒活性以及抑制蛋白质纤维化能力。由于静电相互作用作为一种超分子相互作用力被广泛应用于分子组装过程，该综述重点描述了静电相互作用在多电荷 CDs超分子组装体中的非共价聚合的重要作用。结合 CDs 的主客体相互作用和多电荷官能团之间的静电相互作用，为构筑新型环糊精多功能材料提供了坚实的基础。

图2. α-、β-和γ-CD的分子结构及其参数

  带正电荷官能团的 CDs 衍生物是将正电荷官能团通过共价键修饰在C-2、C-3 或 C-6 位羟基合成单取代-6-脱氧-环糊精、全取代-6-脱氧-环糊精、无规取代-2,3,6-脱氧-环糊精或将 CDs 共价修饰到带正电荷的聚合物上（图 3）。一些具有代表性的带正电荷的官能团包括吡啶盐、咪唑盐、吲哚盐、季铵盐和胍盐等。因此，带正电荷的单取代 CDs 衍生物、多取代 CDs 衍生物和 CDs 修饰聚合物已被广泛应用于生物，材料科学等研究领域并展现出优异的特性。例如，正电荷 CDs 具有较强的抗菌活性，可以显著提高载药量和药物的传递效率，特异性捕获体内的有毒物质（如脱氧胆酸），提高组装体的光学性能，构筑超分子催化材料，调节蒽的光二聚产物，构筑刺激响应型凝胶和准轮烷，调控拓扑形态等。

图3. 正电荷 CDs 及其正电荷官能团结构

  与带正电荷的 CDs 相比，根据官能团的大小，带负电荷的 CDs 不仅可以自包结其带负电荷的官能团，还可以包结其疏水部分形成分子间包合物。除了最常见的负电荷官能团羧酸根和磺酸根，CDs 也可以共价修饰到带负电荷的聚合物上，如透明质酸和羧甲基纤维素等（图 4）。就取代度而言，除了 CDs 与带负电荷的聚合物连接，大多数研究主要集中在多取代 CDs 的衍生物上。负电荷 CDs 除了具有较高的抗病毒活性和抑制蛋白质纤维化作用，还可以用来构筑磁性超分子组装体用于高效抗癌，特异性识别氨基酸，构筑光捕获能量传递平台和刺激响应型凝胶等。

图4. 负电荷 CDs 及其负电荷官能团结构

  与带正电/带负电的 CDs 及其组装体相比，由母体 CDs 键合带正电的客体形成的超分子组装体主要依赖于 CDs 的主客体相互作用，在水溶液或固态情况下包结带电荷的客体分子的疏水（图 5）。重要的是，这些组装体暴露的正电荷部分可通过静电相互作用与带负电的分子或其葫芦脲共组装，用于构建多级超分子组装体。因此，基于 CDs 二次组装的多电荷相互作用赋予了超分子组装体优异的性能，并在功能性超分子水凝胶、拓扑形态调控、发光材料、分子识别、假轮烷和离子有机-无机框架等领域具有广阔的应用前景。

图5. 母体 CDs 键合正电荷客体分子的组装示意图

  CDs 不仅仅能够包结带正电荷的客体分子，而且还可以包结带负电荷客体分子的疏水部分和负电荷的部分，形成紧密的超分子组装体（图 6）。例如，CDs 包结带负电荷的荧光染料可以显着增强其发光性能。当 CDs 包结疏水部分的能力超过其带负电荷基团的能力时，暴露的负电荷可以通过静电相互作用与带正电荷的分子组装，以及与其他带负电荷的超分子大环如杯芳烃和柱[n]芳烃共组装，用于构筑具有多刺激响应性的多元超分子组装体。

图6. 母体 CDs 键合负电荷客体分子的组装示意图

  由此可见，多电荷 CDs 作为重要的大环化合物不仅丰富了环糊精超分子化学的内容，而且大大促进超分子化学与其他学科的共同发展。利用环糊精空腔的限域作用和多电荷之间的静电相互作用形成的多电荷 CDs 超分子组装体有望在超催化、超组装和限域发光等领域得到更广泛的应用，必将推动其在发光材料、信息防伪与加密、软机器人、3D打印、柔性电子器件、信息处理、分子识别与成像、软材料等科技领域的快速发展。

  此外，刘育教授研究团队近年来在大环主体限域的纯有机室温磷光及其应用方面取得了一系列研究成果，包括“客随主变助窜越，避重就轻长发光”（Angew. Chem., Int. Ed. 2019, 58, 6028-6032; Chem. Sci. 2019, 10, 7773-7778），“协同策略两相宜”（Angew. Chem., Int. Ed. 2020, 59, 18748-18754），“水中磷光来成像”（Nat. Commun. 2020, 11, 4655），“分子折叠全窜越”（Adv. Mater. 2021, 33, 2007476），“荧光磷光双靶向”（J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 13887-13894），“级联磷光光捕获”（Angew. Chem., Int. Ed. 2021, 60, 27171-27177; Angew. Chem., Int. Ed. 2022, 61, e2021152），并受邀发表综述（Chem. Rev. 2022, 122, 9032-9077; Acc. Chem. Res. 2021, 54, 3403-3414; Aggregate 2020, 1, 31-44）等，为大环限域纯有机室温磷光材料在生物成像、信息加密、防伪材料等应用于提供了新策略。

  原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/CS/D1CS00821H

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