无环葫芦脲作为对乙酰氨基酚的捕获剂

《Chemical Communications》：Acyclic cucurbituril as sequestrant for acetaminophen

　　

无环CB[n]型主体分子H4可作为固态捕获剂用于去除水中的药物微污染物（PMs)，对对乙酰氨基酚的去除效率在5分钟内可达99.8%。一项头对头比较研究表明，H4在模拟胃液中捕获对乙酰氨基酚的表现至少与活性炭(DARCO^?)相当。

研究背景与意义

20世纪以来，化学学科的发展极大地提高了人类生活质量和预期寿命，抗生素、口服避孕药、抗抑郁药（如西酞普兰）、心血管药物（如普萘洛尔）、阿片类镇痛药以及非甾体抗炎药（如对乙酰氨基酚和布洛芬）等药物的研发功不可没。然而，现代社会对非处方药和处方药的过度依赖，加之用药依从性差、不当处置和滥用等问题，导致了包括抗生素耐药性、药物微污染物(PMs)造成的水体污染以及高药物过量死亡率在内的诸多社会问题。在此背景下，对乙酰氨基酚作为一线镇痛药和最为广泛使用的非处方药及处方药之一，具有特殊的重要性。其广泛使用使得对乙酰氨基酚及其代谢物成为水体中的关键污染物，对水生生物造成直接氧化应激和神经毒性。在美国，对乙酰氨基酚过量每年导致近56,000次急诊就诊、2,600次住院和500例死亡。此外，对乙酰氨基酚经肝脏细胞色素P450代谢为N-乙酰对苯醌亚胺(NAPQI)，后者耗竭肝脏谷胱甘肽并增加NAPQI-蛋白加合物，导致严重肝损伤。对乙酰氨基酚毒性占美国急性肝衰竭的50%和肝移植的20%。活性炭目前作为急救过量处理和废水处理厂的主要吸附剂，而N-乙酰半胱氨酸因增加谷胱甘肽合成被FDA批准为对乙酰氨基酚毒性的特异性解毒剂。

现有研究存在以下问题：传统水处理方法如絮凝、混凝、过滤、反渗透、光降解、化学氧化和吸附等虽能去除微污染物，但效率和应用范围受限。Dichtel课题组开创性地使用β-环糊精(CD)衍生聚合物去除水中微污染物的工作，激发了超分子化学家探索其他大环类化合物包括杯芳烃、杯[4]吡咯、柱芳烃、穴状配体和萘管等的应用。其中，大环葫芦脲(CB[n])因具有高亲和力结合、极低的水溶性（CB[6]：6.5 μM，CB[8]：10 μM）、高生物相容性以及可从廉价原料制备等优势而备受关注。Isaacs课题组在过去15年间合成了一系列水溶性无环CB[n]型主体分子，研究了其分子识别性质，并探索了其作为神经肌肉阻滞剂、麻醉剂和滥用药物体内捕获剂的应用。在此过程中，研究人员合成了众多水不溶性变体，包括邻苯二酚壁乙二醇脲四聚体衍生主体H4（水溶性：3.4 μM）。H4此前被发现可作为内分泌干扰物（双酚A、双酚S）、染料（甲基紫）、全氟烷基物质和碘的固态捕获剂，但其局限性在于需要大量摩尔过量才能实现>90%的去除效率。因此，研究人员开展了本项研究，旨在探索H4作为固态捕获剂在低浓度(250 μM)和高浓度(≤90 mM)药物微污染物条件下的应用，分别模拟水体污染和药物过量场景。

关键技术方法

本研究主要采用了以下关键技术方法：紫外-可见光谱(UV/vis spectroscopy)用于测定超滤液中待测物的浓度并计算去除效率；核磁共振波谱(NMR spectroscopy)，包括溶液态¹H NMR和固态魔角旋转¹³C NMR，用于确认结合行为和表征复合物；高分辨质谱(HRMS)用于检测H4与对乙酰氨基酚形成的复合物离子；X射线电子衍射(3D-ED, three-dimensional electron diffraction)用于解析微小晶体中H4·对乙酰氨基酚复合物的三维结构；以及单晶X射线衍射尝试（因无序度过高未能成功解析）。实验样本为商业化获得的H4及对乙酰氨基酚等五种化合物。

研究结果

**H4对药物微污染物的固态捕获效率**：研究人员首先考察了H4对苯酚及 panel of PMs的固态捕获效率。实验固定H4用量为2.0 mg，在25°C下使用ThermoMixer^TM振荡孵育2小时，通过改变各PM的体积(0.25 μM)以获得不同的H4:PM摩尔比。离心后，通过UV/vis光谱测定超滤液中各PM浓度并计算去除效率(RE)。结果表明，在8:1的H4:PM摩尔比下，H5对所有五种化合物均表现出固态捕获能力，RE值范围为35%（布洛芬）至99.8%（对乙酰氨基酚）。值得注意的是，即使在2:1的H4:对乙酰氨基酚摩尔比下，H4对对乙酰氨基酚仍表现出极高的捕获效率(RE: 95%)。相反，H4对布洛芬钠的捕获效果较差（8:1摩尔比下RE=35%），这很可能是由于其阴离子羧酸盐与H4电负性的羰基端口之间存在不利的静电相互作用。H4对西酞普兰的捕获效果也不佳（RE=39%），推测是因其空间位阻较大。H4对普萘洛尔(RE: 78%)和苯酚(RE: 82%)表现出中等程度的捕获能力。有趣的是，普萘洛尔的RE低于基于其结构的预期值，原因在于普萘洛尔通过与H4形成H4·普萘洛尔复合物增加了H4的溶解度，这可通过超滤液的¹H NMR谱图检测到。H4具有良好的可回收性，经甲醇和水洗涤后可循环使用，在三个循环内保持对对乙酰氨基酚的高RE值。动力学研究表明，在4:1的H4:对乙酰氨基酚摩尔比下，H4在60秒内即达到93%的RE值，显示出快速吸附特性。

**H4优异去除效率的机制探究**：研究人员通过¹H NMR光谱确认了UV/vis光谱测定的高去除效率。在D₂O中使用2当量H4对对乙酰氨基酚(0.25 mM或90 mM)进行固态捕获后，超滤液的¹H NMR谱图中未检测到对乙酰氨基酚的信号。高分辨质谱检测到对应于[H4·对乙酰氨基酚+H]⁺（m/z 1172.46584）、[H4+Na]⁺（m/z 1043.38498）、[H4·对乙酰氨基酚+2Na]²⁺和[H4+2Na]²⁺（m/z 533.18716）的离子，精度≤6 ppm，证实了H4在水中对对乙酰氨基酚的亲和力。固态魔角旋转¹³C NMR光谱清晰显示固体中存在H4和对乙酰氨基酚，且相对于未复合的对乙酰氨基酚出现较小的化学位移变化，但未能据此阐明H4与对乙酰氨基酚在固态中的相互作用构型。

**H4·对乙酰氨基酚复合物的结构解析**：研究人员尝试了多种结晶方法，包括从三氟乙酸(TFA)中通过缓慢挥发和蒸汽扩散法（反溶剂：甲醇、乙醇、异丙醇和丙酮）培养晶体，均未成功。随后采用替代方案：首先从TFA中通过异丙醇蒸汽扩散结晶H4，去除TFA后用乙醇洗涤晶体，再将晶体浸泡于对乙酰氨基酚乙醇溶液(550 mM)中，获得适于单晶X射线衍射的晶体。但由于H4腔内无序度过高，无法准确解析复合物结构。因此，将晶体粉碎后浸泡于对乙酰氨基酚乙醇溶液(550 mM)中，通过三维电子衍射(3D-ED)解析了微晶H4·对乙酰氨基酚复合物的结构。结果显示，对乙酰氨基酚通过三重氢键（a: H???O 2.03 ?, O???O 2.98 ?, O–H???O 158.95°; b: H???O 2.01 ?, O???O 3.02 ?, O–H???O 163.16°; c: H???O 1.76 ?, O???O 2.71 ?, O–H???O 156.95°）和π–π相互作用被稳定于H4腔体内。芳香侧壁顶端之间还形成了第四重氢键（d: H???O 1.97 ?, O???O 2.76 ?, O–H???O 134.00°）。对乙酰氨基酚的苯环C原子与芳香侧壁C原子平均平面的距离平均为3.461 ?，符合公认的π–π堆积距离3.4 ?。复合物在固态中呈带状堆积，一个H4·对乙酰氨基酚分子的凸面与相邻分子形成头对尾式偏移π–π相互作用，邻二甲苯侧壁的CH₂桥位于相邻H4相对芳香侧壁的上方，C原子至相对侧壁平面的平均距离为3.388 ?。

**高浓度对乙酰氨基酚条件下的捕获性能及与活性炭的比较**：鉴于H4在低浓度对乙酰氨基酚(250 μM)条件下优异的RE值，研究人员进一步考察了其在高浓度(≤90 mM)条件下的表现。在37°C水溶液中孵育5分钟，2:1 H4:对乙酰氨基酚摩尔比下RE值很高，而1:2摩尔比下约去除一半对乙酰氨基酚，这为对乙酰氨基酚被捕获于H4腔内的结论提供了额外支持。以DARCO^?活性炭（12–20目）为对照，在等质量条件下进行相同实验。结果表明H4的表现与活性炭相当。在模拟胃液(SGF, Biochemazone BZ175)中的进一步实验显示，H4的表现略优于DARCO^?活性炭。SGF含有200 mM NaCl和3.2 g L^-1胃蛋白酶，pH 1.5。缺乏胃蛋白酶的对照实验显示H4和活性炭的RE值均略高，表明胃蛋白酶抑制了对乙酰氨基酚的去除。动力学监测显示两者均在60秒内实现快速摄取。作为对照，CB[6]和CB[8]在SGF中对对乙酰氨基酚的捕获实验表明，CB[6]是非常差的捕获剂，而CB[8]表现较好（2:1摩尔比下RE=84%），但效率低于H4。

讨论与总结

研究人员已证明H4是panel of PMs的有效固态捕获剂，在环境相关水平(250 μM)下具有优异的去除效率。H4对对乙酰氨基酚的摄取尤为出色，4:1摩尔比下60秒内RE达93%，2小时后达99.8%。在高浓度(≤90 mM)条件下，H4的表现与活性炭相当，并优于大环CB[6]和CB[8]。该工作表明，水不溶性主体分子（如H4及其类似物）作为固态捕获剂用于解毒和水体清洁具有广阔前景。该论文发表于《Chemical Communications》。