（无机化学专业论文）瓜环的主客体化学研究.pdf

论文摘要 1 对称四甲基取代六元瓜环与毗啶芳香衍生物相互作用的研究 选择新型瓜环一对称四甲基取代六元瓜环作为主体，系统地研究了它与 2 - b e n p y 、2 - b z p y 、4 - b z p y 三种客体的相互作用体系。利用1 h n m r 考察了主客 体作用的模式；通过u v v i s 光谱使用摩尔比法和竞争法获得形成包结物的稳定 常数；在以上试验的基础上，在m m + 力场中，使用退火法进行了相互作用的分 子动力学模拟，选用h f 3 2 1 ( 3 基组进行几何构型优化，得到作用体系的最低能 量构型，与试验所得的结果相互印证。 2 瓜环对氨基酸的分子识别研究 使用1 hn m r 和u v v i s 光谱法研究了七、八元瓜环对三种天然氨基酸盐酸 盐的分子识别作用。结果表明瓜环对l 一酪氨酸、l 一色氨酸、l 一苯丙氨酸均能进行 有效的识别。对于七元瓜环而言，主客体之间都是以1 ：1 的化学计量比形成包结 物，并在此基础上计算得到它们相互作用的稳定常数。而八元瓜环与氨基酸客体 存在多种作用模式。荧光光谱性质研究说明各种氨基酸在与瓜环作用后，其发射 光谱也出现多种变化方式。 3 二氯化- - ( n 甲基n - 苄基乙二胺) ( 二水) 合镍的合成及其与瓜环相互作用的 研究 以氯化镍与，k 甲基，v ，苄基一乙二胺( n m e ) 反应合成了配合物二氯化二( * 甲基、7 一苄摹- 乙二胺) 二水合镍( 【n i ( n m e a ) 2 ( h 2 0 m c h ) 。利用元素分析、i r 光谱、n m r 对其结构进行了袁征。通过1 hn m r 和u v “s 光谱研究了该配合物 与六、七、八元瓜环的相互作用，并且考察了其动力学行为。结果表明六、七元 瓜环与配合物能形成质量比为2 ：1 的超分子结构，而八元环与配合物的作用则具 有不同的模式。 关键词：瓜环超分子相互作用分子识别包结物主客体 a b s t r a c t 1 i n t e r a c t i o no ft e t r a m e t h y l c u c u r b i t 6 u r i la n d a r o m a t i c sd e r i v a t ep y r i d i n e i n t e r a c t i o n so ft h ei n c l u s i o nc o m p l e x e so ft e r t r a m e t h y l c u c u r b i t 6 u r i l ( h o s t ) a n d 2 - b e n p y , 2 - b z p y , 4 - b z p y ( g u e s t s ) h a v e b e e nm o n i t o r e d b y 1 hn m r t h e t h e r m o d y n a m i c sc o n s t a n to fc o m p l e x a t i o n sa n dk i n e t i c sc o m p e t i t i o nw e r eo b s e r v e d w i t hu v v i ss p e c t r o m e t e r t h el o w e s te n e r g yg e o m e t r yo fi n t e r a c t i o nw a sc a l c u l a t e d b y h f 3 2 1 g + b a s i ss e ta f t e rm o l e c u l a rd y n a m i c si nm m + f o r c ef i e l d t h e o p t i m i z a t i o nr e s u l t se v e ns h o wt h ef o r m a t i o no fh o s t g u e s t st h a t i si na c c o r d a n c e w l mt h ea b o r e e x p e r i m e n t s 2 m o l e c u l a r r e c o g n i t i o n o f a m i n oa c i db yc u c u r b i t u r i l s m o l e c u l a rr e c o g n i t i o no fa m i n oa c i dh y d r o c h l o r i d e s ( g u e s t s ) b yc u c u r b i t n u r i l f n = 7o r8 h o s t s ) h a sb e e ns t u d i e db y1 hn m r u v - v i ss p e c t r at i t r a t i o na r ee m p l o y e d a n dt h ei n t e r a c t i o nm o d e l so f1 ：1b e t w e e n g u e s t sa n dq 7 】i so b t a i n e d t h ei n t e r a c t i o n m o d e l sb e a v e e ng u e s t sa n dq 8 i sa l s o1 ：1 e x c e p tf o rt h ei n c l u s i o nc o m p l e xo f l p h e n y l a l a n i n ea n dq 8 h o s t a tr o o mt e m p e r a t u r e ，t h eb i n d i n gc o n s t a n t s ( k a ) o f t r y h c i ，p h e h c l ，a n dt y r h c lf o rq 7a r e3 7 3 x 1 0 5 ，8 1 5 x 1 0 5 ，a n d2 3 3 x 1 0 5l m o l w i t hn o n l i n e a rl e a s ts q u a r ef i t t i n g r e s p e c t i v e l y as e to ff l u o r e s c e n c es p e c t r ah a sb e e n s t u d i e df o rg u e s t sa n d c o m p l e x e s 3 s y n t h e s i s o f b i - ( ( n - m c t h y l - n - b e n z y l ) e t h y l e n e d i a m i n e ) n i e k e l ( 1 1 ) d i c h l o r i d e a n ds t u d i e so nt h ei n t e r a c t i o no fc u c u r b i t n = 6 8 u r i l sw i t hn i c k e lc o m p l e x g u e s t b i - ( ( l m e t h y l - n - b e n z y l ) e t h y l e n e d i a m i n e ) n i c k e l ( i i ) d i c h l o r i d ew a ss y n t h e s i z e da n dc h a r a c t e r i z e db ye l e m e n t a la n a l y s e s i ra n d1 hn m r t e c h n i q u e s t h e s e l f - a s s e m b l e ds t r u c t u r e so fc u c u r b i t n u r i l s ( n = “8 ) w i t ht h et i t l en ic o m p l e xg u e s tw e r es t u d i e db y1 hn m ra n du v - s p e c t r a t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sr e v e a l e d c l e a r l y t h a tt h ec u c u r b i t n = 6o r7 】u r i l sc a l lf o r ms u p r a m o l e c u l es t r u c t u r e s w i t ht h em e t a lc o m p l e xg u e s tw i t hl ：2r a t i o a n dt h ec o m p l e xg u e s tc a ne n t r y o rl e a v et h ec a v i t yo fc u c u r b i t 8 u r i lw i t h o u to b v i o u sh i n d r a n c e k e y w o r d sc u c u r b i t u r i l s ，s u p m m o l e c u l a r , i n t e r a c t i o n ，m o l e c u l a r r e c o g n i t i o n ， i n c l u s i o n c o m p l e x h o s t - g u s t l 舷硕士学位论文答辩委员会成员名单 l姓名职称单位备注 单永奎教授华东师范大学化学系主席 光谱与波谱教育部重点实 余亦华副教授 验室( 华东师范大学) 吴良平教授华东师范大学化学系 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或 撰写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明 确说明并表示谢意 作者签名：继日期：剑 授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学 位论文的内容绽入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出 版。保密的学位论文在解密后适用本规定 日期；型：! ：z ： 学位论文作者签名：兰生礼 第一章前言 第一章前言 瓜环【卜3 = 以其特殊的疏水性笼状结构和两个亲水性端口，可与各种有机物发 生疏水性的笼体作用；亦可与偶极或离子型化合物发生亲水性的端口相互作用， 形成各种自组装主一客体包结物【4 。】、分子胶囊陋7 】或超分子实体【】。瓜环端1 3 大 小，即所谓瓜环的尺寸效应，也是决定瓜环与其他化合物相互作用的重要因素。 另外，其特殊的化学稳定性使瓜环可用于各种苛刻的介质和条件。因此，有关瓜 环的研究受到主客体化学、自组装超分子化学、环境化学、催化、材料化学、生 物化学等国内外相关学科研究者越来越多的关注【m “引。 l 瓜环与瓜环同系物及衍生物 在介绍与瓜环作用的各种客体之前，有必要回顾合成瓜环的研究进展情况和 各种瓜环的结构。自从二十世纪八十年代初确定六元瓜环结构后( 图1 ) ，以六 元瓜环为受体的主客体化学逐渐发展起来，类轮烷、轮烷、多聚轮烷、分子项链 等超分子实体成为瓜环研究的一个重要课题【“叫9 】。六元瓜环是由六个被哑甲基桥 连的苷脲单元组成的环状化合物，在每个单元上对称地分布着两个偶极羰基，每 个羰基连接两个伸氮原子。约十五年后，即上世纪末，六元瓜环同系物五八元 瓜环【2 叫( 图1 一l 及图卜2 ) 、十元瓜环先后问世，有关对它们在主客体、超分 子化学等领域的研究报道迅速增加【32 2 ”，但对于它们基本性质的了解远不及六 元瓜环。 000 霉攀榔懒蝴 五元瓜环六元瓜环 七元瓜环八元瓜环 圈i - i 五、六、七、八元瓜环的结构示意图 华东师范大学硕士学位论文 瓜环的主客体化学研究 圈1 _ 2 瓜环的单元结构，五、六、七及八元瓜环的h 核磁共振谱图 就溶解性而言，七元瓜环在水中的溶解性最好。加热情况下，在中性水中是比 较易溶的；而八元瓜环即使在水加热至沸腾也几乎不溶；五元瓜环比八元瓜环在水 中的溶解性略好一些。但这些瓜环均不溶于有机溶剂，因而制约了瓜环的广泛研 究( 图1 3 ) 。 图1 - 3 五、六 i “ ! 一“ ； ：+ ： ： 口w ， l j l 扣- a 口 q _ 7 一。 ，：一 瓜环溶解性问题很快受到各国学者的关注，试图改善溶解性问题的一系列的改 性瓜环近一两年不断出现，如十甲基取代瓜环【2 9 1 、二苯基取代瓜环【3 0 1 、五及六环己 基取代瓜环。各种有可能合成改性瓜环的改性甘腮也有所报道【2 3 2 5 , 3 2 , 3 3 】( 图1 - 4 ) 。 i - 潞 = 罩鼍代 墨t 珲 图l 一改性瓜环的结构示意图 ot上上；史1 1 1 。烈飞 第一章前言 贵州大学陶朱研究组利用甘脲二聚体【3 4 】，最近合成得到了对称四甲基六元瓜 环，对称六甲基六元瓜环、二甲基取代五元瓜环等一系列新型瓜环p5 】( 图卜5 ) 。在 引入不同取代基后，这些瓜环不仅表现出亲油性质，如在甲醇和d m s o 中有一定的溶 解性，同时水溶性也大大增加。这有可能是取代基的推电子效应，加强了瓜环端口 羰基氧的极性所致，如对称四甲基六元瓜环在水中的溶解性是六元瓜环的2 0 多倍。 这些最新研究成果不仅扩展了瓜环在主客体、超分子化学等研究领域的应用，同时 也引发了在材料、环境等领域对瓜环研究的思考( 2 3 2 5 , 3 2 , 3 3 】。 一xa n 一心。n 一n h 犍泔葶擎一 苷露二聚体 四甲基取代瓜环 图1 - 5 利用甘腺二聚体合成改性瓜环路径示意图 2 与瓜环相互作用的客体 瓜环与客体作用的动力通常来自于：1 ) 疏水性的笼体效应；2 ) 亲水性的端口效 应；3 ) 相互作用的客体分子或瓜环笼体空间大小，即尺寸效应等。因此，瓜环不仅 能与有机分子相互作用，亦可与无机离子相互作用。不同聚合度的瓜环提供了大小 不等的端口直径和笼体空间，可适于各种大小与性质不同的客体物质。如表1 1 所 示： q 嘲 n 20 2 血 川 表i - 1 能与不同元瓜环作用的特征客体 q 同q nq l s 】 。h h l t c h ：i ，n 岷 4 - ? 妒l n 玎 苯羹 h c - 弭 l h 。- _ 1 0 棹使与同位代不 蕾与q 嘲蹙生t e 甩 2 i 金属离子 从b e h r e n d 的报道中蛔就已知道六元瓜环对金属阳离子具有强的键合能力。 九。=i妒掰西盛“ 华东师范大学硕士学位论文 瓜环的主客体化学研究 b u s c h r n a n n 等( 3 6 j 报道了在水溶液中六元瓜环对碱金属离子、碱土金属离子和其它阳 离子的配合作用。由于在纯水中六元瓜环的溶解度极低，采用了含有不同金属离子 浓度的饱和溶解度法。溶解度数据的测定显示l ：2 主客体化学计量。由于两个金属 离子被刚性空腔隔开，两个金属离子的键合常数相等。脲羰基基团对电荷稠密的阳 离子来说是优良的6 给体。可以设想瓜环对金属离子的配合作用要比只有醚氧给体原 子的配合( 如冠醚) 强得多。另外瓜环的结构刚性阻止配位过程中构型的变化，所有 的给电子原子均位于一个平面内。最后羰基键较之醚氧基团为高的极性也对键合有 利。这可从六元瓜环与1 8 一冠一6 与阳离子的稳定常数的比较中证实。基于配合物的 形成，瓜环溶解度增大，采用饱和溶解度法，b u s c h m a n n 等 3 6 , 3 7 , 4 4 , 6 5 铡用有机碳总 量测定确定溶解度数据，研究了五元瓜环、十甲基取代五元瓜环和六元瓜环与碱金 属( h a + ，盯，r b + ，c s + ) 、碱士金属( c a “，s r 2 + ，b a 2 + ) 及铵阳离子( n h 4 + ，c 6 h 1 3 n h 3 + ) 在水溶液中的配合物稳定性 ，以及五元瓜环和六元瓜环与多价金属离子( c 0 2 + ， n i 斗，c f 一，p b “，z n 2 + ，c d ，c ，f e 3 + ) 在水溶液中的配合物稳定性【”1 。对于多 价金属离子，五元瓜环与六元瓜环的配合物稳定性相当，最稳定配合物为六元瓜环 c + 。此法不能测定十甲基取代五元瓜环与多价金属离子配合物的稳定性，原因是 基于配合物的形成，十甲基取代五元瓜环溶解度减小。b r a d s h a w 等用量热及分光光 度方法研究表明，在l ：l 甲酸一水( v ：v ) 溶液中，相对于碱金属、碱土金属、n h 4 + ， c d ”阳离子，十甲基取代五元瓜环对p b 2 + 具有高选择性【3 8 l 。环己烷取代五元瓜环与 钾离子形成l ：2 的配合物，但两级配合常数不同，这与在水中环己烷取代五元瓜环 未被质子化有关。环己烷取代五元瓜环对p b 2 + 具有很高的选择性，可用作离子选择 性膜电极i j “。澳大利亚的d a y * 研究小组【4 】制得了与上述外配合物不同的内配合物， 晶体结构表明金属离子c i s s n c i ( h 2 0 ) ：进入七元瓜环的内腔，而不是与瓜环羰基氧 配位的外配合作用。 除与简单离子状态的金属离子作用外，瓜环还能与金属簇化合物相互作用形成 超分子结构。图1 6 给出了几种常用的水合的金属簇化合物。 圈1 - 6 几种常用的水合的金属簇化台物【m 3 q 4 ( h 2 0 m 4 + ( a ) ， m ，m ( h ( h 2 0 m 4 + ( b ) m 6 m q b ( h 2 0 ) 1 3 】8 + ( c ) ，其中，m = m o 或w ；q = s 或s e 4 第一章前言 f e d i n 研究组作了大量这方面的研究，除了形成一维的超分子结构，在一些晶体 结构中还能观察到纳米孔洞( 图i - 7 ) 。2 0 0 3 年f e d i n 在其( s u p r a m o l e c u l a rc o m p o u n d s o fc u c u r b i t u r i lw i t hm o l y b d e n u ma n dt u n g s t e nc h a l c o g e n i d ec l u s t e ra q u ac o m p l e x e s ) ) ” 文中作了全面的综述 3 9 】。 圈l 一7 水台的金属簇化合物与瓜环形成的超分子结构以及晶体中的纳米孔洞 在考察各种瓜环与金属离子作用能力大小时发现，在所测定的晶体结构中，较 小的瓜环晶体中可发现金属离子，如与五元瓜环结合的铜离子、铟离子等，与六元 瓜环结合的铁离子等等，但这些金属离子并不一定位于瓜环端口正上方( 图1 - 8 ) 。而 在七元瓜环或八元瓜环的晶体测定中，还未发现金属离子【4 】。 霪嘞 扛 、 、# 毒一h 心e ， 立驴、j i 、 1 - ! f 、，：妒、少_ 、 l l q s i + c u 2 +q i s i + i n z +q 6 1 + f ? + 圈l - 8 几种瓜环与金属离子共存的晶体结构 从以上叙述中我们可以看到，瓜环与各种碱金属、碱土金属、过渡金属都具有 较强的配位作用。这种作用使得瓜环在水溶液中的溶解度显著增大，而且在一些配 合物的晶体结构中能够观察到有纳米孔道的形成。这些性质可能会在环境水处理、 金属离子的捕集、纳米材料的制备等方面发挥一定的作用。 2 2 长链有机胺及其盐 自从六元瓜环的结构确定以后，有机胺及其盐就被首先用于主客体的研究”i 。 吼舢删一w 舂川o，幺 i | 一 -!l 一 堡查堕苎查兰堡兰垡垒壅 巫堑堕圭兰型墅生兰堡l 对于六元瓜环与各种有机胺、长链有机二胺等的自组装主客体化合物的热、动力学 研究，m o c k 研究组以及b u s c h m a n n 研究组进行了详细的研究4 卜4 5 1 。随着瓜环同系 物的出现，d a y 研究组与陶朱研究组分别对六、七及八元瓜环与碳4 至碳1 2 的长链 二胺以及盐的相互作用进行了详细研究4 6 印1 。结果发现：六元瓜环与烷基铵离子在 水溶液中形成的主客体配合物，由于没有h + 质子的竞争，比在稀甲酸溶液中形成的 主客体配合物普遍要稳定。而且对六、七元环而言，与其键合时作用力最强的是庚 二胺而不是己二胺。在水溶液中，未被质子化的羰基氧原子与胺基氮原子h n 0 2 c 表1 - 2 六、七、八瓜环与烷基铵离子在永溶液中形成主一客伴配合物的离解常数及一f 混合物膏群)- d c p ( k j m 0 1 ) q 6 + 丙二胺 1 1 5 x l o 6 3 3 2 3 q 6 + t - i 眭 5 9 8 x 1 0 。73 4 8 7 q 6 + 戊二胺4 5 8 1 0 7 3 5 5 1 q 6 + 己二胺 3 8 2 xl o 73 5 9 6 q 6 + 庚二胺 1 4 3 x1 0 43 8 3 5 q 6 + 辛二胺 9 2 8 1 0 - 73 3 8 0 q 6 + 壬二胺 9 8 x1 0 43 3 6 6 q 6 + 癸二胺 a 7 7 xl 矿3 0 3 4 q 6 + 十= 碳二胺 + q 7 + 丙二胺 7 8 l 矿2 & 5 8 q t + 丁= 胺 “t q 7 + 戊二胺 3 5 3x1 0 43 0 5 l q 7 + i = a - ：胺8 6 2 xl 矿 3 3 9 8 q 7 + 庚二胺 2 9 1 x 1 0 73 6 6 2 q 7 + 辛二胺 5 3 0 xl o 3 5 1 6 q 7 + 壬二胺 2 1 x 1 0 63 1 7 8 q 7 + 癸二胺 3 1 2 l 矿3 0 8 l q 7 + 十二碳= 胺 q 8 + 壬二胺 1 1 8 x l 矿3 3 1 7 q s + 十二碳二胺 以定的键长，特定的夹角稳定存在，六元瓜环对二胺链长有着特殊的选择性，烷 基胺链在空腔中包结时的构型亦决定了其稳定性的大小。七元瓜环与各种二胺作用 6 第一章前言 时，除与丁二胺无明显作用外，其他与六元瓜环结合规律相同，只是空腔较大，相 对于六元瓜环需要多一个碳链长的二胺，才能伸至端口外。八元瓜环对壬二胺、十 二碳二胺有较强选择性。参见表l - 2 。 第一个瓜环与长链二胺自组装形成的类轮烷晶体最近被制备成功。在晶体结构 中，穿入六元瓜环的l ，8 辛二胺是以直链形式存在，而不是象预测的螺旋形式( 图 l 一9 ) 一。参照相应的核磁共振谱图，与胺基相邻劳且在位于瓜环端口外的亚甲基质 子( h 。) 向低场移动了约o 4 p p m ( h4 ) ，位于胺基b 位的亚甲基质子( h 8 ) 与瓜环端口菝 基氧基本处于同平面，其化学位移略向高场移动了约0 2 p p m ( h ”) ，而其余的亚甲基 质子均位于瓜环内腔，受到的屏蔽也较强，向高场移动的幅度也较大。 2 晕= _ 一斧 罨i 。，- t f 3 霞一 、 ：夕螽参， i-i。|iiin i c i h 一 。i：! ， rl 警 一 一：j ：j j 一、i 、? j j 了i a j 一 2 3 含苯基或苄基化台物 对于瓜环同系物而言，它们的结构相似，与客体作用的的机理也相似。所不同 的是瓜环端口直径与笼体空腔的大小，因而与之作用的客体在分子尺度上是有所不 同的。不同的瓜环对具有某种结构特征的客体分子或基团有强烈的选择性。 一般来说，由于尺寸相当，六元瓜环对尺寸如苯基大小的有机分子或含这类基 团的分子有较高的选择性。吴承泰教授研究组报道1 - 苯基哌嗪与六元瓜环可相互作 用形成自组装包结配合物( 图i - l o ) ，瓜环对芳环有明显的选择性( 因为苯基质子向高 场移动，而哌嗪亚甲基质子向低场移动) 【i ”。 华东师范大学硕士学位论文 瓜环的主客体化学研究 r 、产 ：。t 、。，a 。 圈1 1 01 - 苯基哌唪与六元瓜环作用的1 hn m r 谱图 陶朱研究组对一系列苯基或苄基取代哌嗪与五至八元瓜环相互作用进行了考察 ( 图1 1 1 ) 。只有p z 4 与六元瓜环作用( 图1 1 2 ) ，而五、七、八元瓜环与这些客体 都观察不到有效的作用，质谱数据也支持这一结论。 。如。锄醍 艺o 晓。 图l 一1 1 系列苯基或苄基取代哌嗪与五至八元瓜环 h l i ；- 一l _ j 圈1 - 1 2 p z 4 与六元瓜环作用的1 hn m r 谱图，其中加“一表示与瓜环作用的质子 这些客体与七元瓜环作用的核磁共振谱显示出客体分子高频率地进出瓜环，r 客 体的质子峰星馒头峰) ；而具有较大内腔的八元瓜环能与除p z 5 以外的其他四个客体 分子相互作用形成主客体包结物。 这一实验结果表明，取代基的大小、位置对能否发生相互作用有重要的影响。 苄基上存在有诱导效应( c h 3 - ) 或共轭效应( c h 3 c o ) 取代基时，无论取代的位置如何， | _ 言 一 一 吵弋恤 ? _ ：一 w “ 每 一 一 心移麓 苎二童堕宣 如邻、间、对位，苄基取代的哌嗪类化合物均无法与六元瓜环作用。瓜环的空腔增 大后，对客体的选择性明显降低此外，瓜环疏水性笼体作用，端口亲水性的偶极作 用也不容忽略。 2 4 联毗啶或台联毗啶基的化合物 在2 0 0 2 至2 0 0 3 年间k i m 研究组和k i a f e r 研究组先后报道了一系列4 , 4 一联毗啶 的双季铵盐衍生物与七元瓜环或八元瓜环的相互作用1 4 9 5 3 1 ，并对它们的电化学性质 作了详细考察。结合配位化学研究结果，陶朱研究组将配体2 ，2 一联吡啶作客体与瓜 环作用的考察中发现，它能与六元瓜环以及对称四甲基取代六元瓜环发生强烈作用 形成自组装主客体包结物( 图1 - 1 3 a 与b ) 。另外，在这些联吡啶上引入不同基团后， 则可观察到七元瓜环或八元瓜环也能与这些衍生物发生相互作用形成自组装主客体 包结物1 3 5 】。 二己。二e 。j 。二一二二z 一 圈1 1 32 , 2 联吡啶与六元瓜环以及对称四甲基取代六元瓜环作用的1 hn m r 谱图 2 5 稠环化合物、含氮稠环化合物及其衍生物 k i m 研究组在报道六元瓜环同系物的同时，还报道了能与七元瓜环和八元瓜环 相互作用的萘的咪唑衍生物口l 。陶朱研究组最近系统地研究了氨基萘及其衍生物、 喹啉及其衍生物、啡咯啉及其衍生物与各种瓜环相互作用形成主客体配合物的结构 特征等基本性质1 5 轧。实验发现：尽管八元瓜环的笼体空腔可容纳1 ，1 0 。目# 咯琳，但其 核磁基振谱显示l ，l o 啡咯啉并未进入瓜环内腔，而是“盖”在瓜环端口形成形成分 子胶囊壳( 图i 1 4 ) 。而4 ，7 啡咯啉则可进入八元瓜环内腔。具有不同取代基的啡咯 啉衍生物能否与瓜环作用刚与取代基的大小与电子效应有关1 5 5 1 。 9 华东师范大学硕士学位论文 瓜环的主客体化学研究 在对喹啉及其异构体与瓜环相互作用的研究中发现，六、七元瓜环对喹啉、异 喹啉有明显的荧光增敏作用，核磁共振谱显示了七元瓜环对这些客体的包结作用， 而八元瓜环与异喹啉作用的荧光光谱则显示原客体的荧光强度随瓜环的不断加入而 逐渐悴灭，同时在长波方向出现一新的发射峰。( 参见图1 - i s ) 。 叫h“l 4。：h 掣q t _村e - 啦 衅r 。 t _ 浮 i ji - _ j 。 “。， - ；、爨 图i - 1 5 喹啉( q 1 ) 、异喹啉q 二、与七元瓜环以及八元瓜环在水中的荧光光谱 2 6 笼状化合物 笼状化合物在这里是指如碳硼烷，金刚烷胺，六次甲基四胺或瓜环本身这样的 客体分子a 目前，已报道的具有三维立体结构的笼状化合物客体主要与七元瓜环 有关。 d a y 用邻位碳硼烷作为模板试剂以试图选择性地合成特定瓜环时发现，七元瓜 环能包结邻位碳硼烷形成主客体化合物【5 8 】。 圈1 1 6 七元瓜环与邻碳硼烷的包结示意图 1 0 g 第一章前言 k i m 在c u c u r b i t u r i lh o m o l o g u e sa n dd e r i v a t i v e s ：n e wo p p o r t u n i t i e si n s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y ) ) 一文中提到另一个笼状化合物金刚烷胺能与七元 瓜环相互作用扩1 。在对金刚烷胺及其异构体、若干金刚烷基化合物与各种瓜环相互 作用作了较详细地研究5 9 1 后发现，它们均只能与七元瓜环相互作用，尽管八元瓜环 具有较大的笼体空间，但却不能与这些客体发生相互作用( 图1 - 17 ) 。 一一丁一1 一7 r 圈l - ”金刚烷类窖体与七元瓜环相互作用的1 1 4n m r 谱图 另外，还发现当七元瓜环与笼状化合物六次甲基四胺相互作用对，不仅 能形成包结物，还能形成包结了六次甲基四胺而以六次甲基四胺为“盖子”的分子 胶囊结构【7 】( 图1 1 8 ) 。 ；婆l 。基建誉 走攻_ 蓦四艘：七置瓜苇1 ：1 走攻墓日融：七置瓜i f 3 j ：l 图1 - 1 8 六次甲基四胺与七元瓜环相互作用的hn m r 谱图及分子胶囊结构示意图 有趣的是，目前最大的能与瓜环作用的笼状化合物却是瓜环本身。d a y 在a c u c u r b i t u r i l b a s e dg y r o s c a n e ：a n e w s u p r a m o l e c u l a rf o m l 一文中报道十元瓜环的同 时，还包含了其包结的五元瓜环：0 1 ( 图1 - 1 9 ) ，而在合成中得到的未包结的十元瓜环 呈椭圆状。 装 一ll弋 d 一1 出一 。是 譬；鹾 一 ej、njim+ 华东师范大学硕士学位论文 瓜环的主客体化学研究 圈l 一1 9 色结五元瓜环的十元瓜环 2 7 环状化合物 最小的能与瓜环作用的环状化合物可能要数胺甲基环戊烷，图1 9 a 是胺基甲 基环戊烷与六元瓜环相互作用的示意图【4 2 1 。由于1 ，4 环氧六环容易与六元瓜环相 互作用，它被用作合成瓜环时判断六元瓜环分布的探针试剂。目前最大的能被包 结的环状化合物是1 4 ，7 1 0 四氮杂十二烷、1 ，4 ，8 ，1 1 四氮杂十四烷的铜配合物( 图 2 0 b 和c f ”。 。乏k ? 澎。参 t 曼般，“ b a ：胺基甲基环戊烷与六元瓜环包结物的剖面图： b ：1 ，4 7 ，1o - 四氨杂十二烷与八元瓜环包结物的晶体结构： c ：i ，4 , 8 i 卜四氮杂十四烷的铜配合物与八元瓜环包结物的晶体结构： 圈2 0 环状化合物与各种瓜环相互作用示意图 2 8 多作用点的客体化合物 已有不少对瓜环与各种客体相互作用的研究报道，但对于不同瓜环与同一客体 作用的强度与竞争性或者同一瓜环对不同客体的选择性的研究极少见到报道。然而 嫩瞄。- 蕊移一 酶3 积硌 |1，一 y ， 第一章前言 了解这些基本性质，对瓜环在分离提纯、分子识别等方面的应用具有重要意义。设 计和合成多作用点的客体分子，考察瓜环与它们相互作用的选择性，以及与瓜环作 用时，客体间的相互竞争性是提高对这些性质的认识的有效手段。实验结果发现， 如六元瓜环与2 氨甲基吡啶能有效作用形成自组装主客体配合物；七元瓜环也能与 金刚烷胺有效作用形成白组装主客体配合物。菪将两单独的客体结合形成多作用点 客体，如2 一 n ，( 1 金刚烷基) 1 氨甲基毗啶，当它分别与六元瓜环或七元瓜环作用时， 从相应的核磁共振谱图上可观察到它们作用于客体的吡啶基部分或金刚烷基部分 ( 图2 1 a - c ) ；但同时加入六元瓜环或七元瓜环，则只能观察到客体于七元瓜环作用， 即七元瓜环与金刚烷基部分的作用远比六元瓜环与毗啶基部分作用要强。原与八元 瓜环没有作用的客体在结合成多作用点的客体后，如2 - 氨甲基吡啶或1 金刚烷胺各 自独立则不能与八元瓜环产生相互作用，但形成多作用点客体后，却能与之很好地 相互作用形成自组装包结配合物参见图i 一2 1 d 。 b d 圈1 2 1 不同瓜环对客体不同作用点的选择性 ( a ) 客体；( b ) 与六元瓜环作用；( c ) 与七元瓜环作用；( d ) 与八元瓜环作用 a 3 九 睁 悃悃 留 每 华东师范大学硕士学位论文 瓜环的主客体化学研究 2 9 瓜环与d n a 相互作用的研究 本世纪初，k i m 研究小组开始对瓜环在生物化学领域展开了对瓜环的研究一并 且在q 6 】与d n a 相互作用方面取得了一些成果f 67 1 6 8 i 。由于六元瓜环本身与d n a 并 不发生相互作用，因此，如何将q f 6 与d n a 键和成为这一课题的关键。k i m 设计 了很多桥连分子，这些分子的共同特点是带有能与瓜环形成稳定包结物的胺基烷基 基团。以保证瓜环能被牢固地结合在桥链上，如下表所示： 表1 - 2 进攻d n a 的轿连分子及其与六元瓜环的包结铂 。：1 j l ；x ! j ， 。? j | ： 5 、_ = j 6 - 甜j 7 l2 34 c l s l q i 6 1 ，t1 。、” 4 “h ? s 杠m i , w ；， 。 ， 4 跏h 曲 + t 惜4 p 妇# k 1 。4 ：d n a ；2 ：包结物1 + d n a 3 ：包结物3 + d n a c ：环形结构d n a ；l ：线形结构d n a s ：超螺旋结构d n a 图l - 2 2 瓜环包结物与d n a 作用的凝胶电泳u v 照片 第一章前言 凝胶电泳的结果表明，六元瓜环与带有吖啶基团的客体2 和4 形成的包结物( i 、 3 ) 能嵌入到d n a 分子中( 图1 2 2 ) ，而多胺类客体能被q 【6 】包结，却不能形成“多胺 一瓜环一d n a ”的三元作用实体。这也证明了包结物i 和3 是以吖啶作为进攻基团作 用于d n a 分子。 3 瓜环主客体化学的应用前景 以上主要叙述了能与瓜环作用的客体以及它们与瓜环相互作用所形成的主客体 化合物，它们的真实性与可靠性是建立在核磁共振技术、单晶x 一射线衍射、质谱等 方法的基础上。 通过分类归纳，可发现在同一链两端同时分别穿有两个瓜环的结构，或一个瓜 环穿在一链上，两链端则留在瓜环两端口外以及链一瓜环一链一瓜环的超分子结 构，以及在同一链不同作用点上的往复运动，可用于分子器件乃至分子导线或纳米 管等的合成( 图卜2 3 ) 。 铲心婚洳龟 b lj l 。心im j 魄一! v o u 鼬扎沁屯 图1 - 2 3 对称四甲基与多胺客体取代六元瓜环形成的链状超分子结构 通过考察较小有机笼状化合物与瓜环作用产物的结构特征、相互作用强度以及 外界条件影响、竞争与选择等性质，发现所形成的分予胶囊在不同条件下的解离和 自组装，不仅可用于选择性包结、缓释方面的应用，而且有可能提高被包结物的稳 定性和开发出薪特性 7 , 2 6 5 5 1 。 利用熟分析、红外、时间分辨的紫外可见、荧光等多种波谱方法、电化学方法， 系统研究了瓜环与喹啉及其衍生物、啡咯啉及其衍生物、联苯胺类化合物、联吡啶 及其衍生物等稠环化合物的作用产物的各种特殊性质，如瓜环与喹啉及其衍生物作 用时使它们荧光特性大大增强，反之，与联苯胺类化合物作用时使它们荧光性质陡 然猝灭，利用这些性质可用于灵敏分析方法的建立、包结物结构特征的研究、环境 生查塑堇查兰塑兰垡垒茎巫至堕圭查堡垡! 望望坠一 污染物、贵重金属离子等的检测以及捕集、高选择性和高灵敏度的检测器或( 光学) 传感器的研制等【5 。 在对一些小分子有机物与瓜环相互作用的研究中发现：由于瓜环的端口效应或 尺寸效应，即便一取代基由氢原子换为氟原子，或取代基的位置略有变化，即可由 极易相互作用变为完全不发生作用【2 6 l 。特别是我们最近的研究表明，与通常圆形瓜 环具有c 。对称性不同，对称四甲基六元瓜环d 2 h 对称性，呈椭圆状，犹如一把刀鞘， 对平面型分子有特殊的亲和性和选择性，同时还可发现在这种自组装结构中的 c h 相互作用，利用这些特性，瓜环在对有机小分子的分离提纯方面的应用应 该是大有可为的【2 6 6 3 _ 6 。 另外，在实验中还发现，当瓜环与某些无色稳定化合物一接触，即刻伴有颜色 变化，表明有化学反应的发生，也暗示着瓜环具有催化作用。 所有这些，如瓜环的基础研究及应用基础研究，特别是许多瓜环应用的新途径 亟待研究和开发。 4 本论文的工作 前面已述及，有关瓜环的主客体研究方面各国学者作了很多工作。如五、六元 瓜环能与诸如氧气、氮气、惰性气体等分子，有机小分子等作用形成包结物 1 0 , 5 8 - 5 9 i 。 另外，由形成的主客体化合物进一步可合成多聚轮烷、分子项链等一维、二维超分 子结构等诸多内容1 1 3 1 似“1 。 4 1 新型瓜环( 对称四甲基取代六元瓜环( s t m q 6 ) ) 一小分子作用规律研究。 新型瓜环改善了瓜环在有机溶剂中的溶解性，可以更广泛地应用于与有机小分 子的相互作用研究的体系中。利用s t m q 6 特殊的溶解性，以s t m q 6 为主体，选 择含苯基为取代基的毗啶衍生物为客体，考察客体的取代基类型、取代基位置对主 客体相互作用的影响，以及主一客体分子相互作用动力学行为。进行主客体化学作 用规律的基础研究，为应用基础研究提供理论依据。此研究对于定向合成新型瓜环、 设计功能性超分子材料有理论意义。 4 2 瓜环一氨基酸分子识别作用研究。 研究表明，各类大环、分子钳化合物对生物分子，如氨基酸等具有识别能力。 瓜环分子本身稳定，易于与各种有机小分子和金属离子形成稳定的包结配合物或者 类轮烷、分子胶囊等超分子结构。基于上述研究结果，选取带有芳香性侧基的氨基 酸盐酸盐客体，探索瓜环对天然氨基酸分子的识别作用以及进行有效作用的条件， 对主客体作用进行定性和定量的表征。这一研究将为模拟和解释生物化学过程对氨 基酸的选择性识别，设计和合成具有生物活性的新型瓜环以及模拟生物活性酶的化 学反应过程做基础。 i 6 第一章前言 4 3 瓜环一配合物超分子实体的形成与相互作用研究。 人们合成了各种各样的无机配合物药物用以医药领域。然而，仅仅通过改变配体 的结构和性质以期达到低剂量，高效率的目的以改善药物的化学稳定性的努力收效 甚微。利用瓜环在不同条件下对化合物的捕集能力的不同，形成稳定的包结物，可 用于各种药物的缓释，以获得新型的长效药。本文设计莠合成带有较易与瓜环作用 的苯基配体n 甲基一n 一苄基乙二胺( n m e a ) ，以2 ：l 的比例与金属形成螯合物客 体。主一客体包结物的作用方式硕究表明该金属配合物能与瓜环形成哑铃型的超分 子实体，以便于进一步将瓜环定向地两两相连接，这为合成以瓜环为单元的纳米管 奠定了基础a 同时也为试图解决无机药物小分子组分在生物活体环境中地水解和降 解问题提供了一条新的途径。 坐查塑苎查兰堡主兰垡垒茎 墨至塑童查堡些堂堡壅 参考文献 i1f r e e m a nw a m o c kw l ，a mc h e ms o c 1 9 8 1 ，1 0 3 ( 2 4 ) ：7 3 6 7 2 】d a y a i a r n o l da pm e t h o d f o rs y n t h e s i sc u c u r b i t u r i bw o 0 0 6 8 2 3 22 0 0 0 ，8 3 】k i mj ，j u n gi s ，k i ms ye t c ，a mc h e m s o c 2 0 0 0 ，1 2 2 ( 3 ) ：5 4 0 4 】l o r e n z os ，d a ya ，c r a i gd ，b l a n c hr 。a m o l d a ，d a n c ei ，c r y s t e n g c o m m ，2 0 0 1 ，4 9 1 5 】k i mh j ，j e o nw s ，k oy h ，k i mk ，p r o c e e d i n g so f t h en a t i o n a la c a d e m yo f s c i e n c e so f t h e u n i t e ds t a t e so f a m e r i c a ，2 0 0 2 9 9 ( 8 ) ：5 0 0 7 6 d a ya ，a m o l da e ，b l a n c hr j s n u s h a l lb ，j o r g a nc h e m ，2 0 0 1 ，6 6 ( 2 4 ) ：8 0 9 4 【7 】s h e nyq ，x u es f ，z h a oy j z h uq j t a nz ，c h i n s c i b u l l ，2 0 0 3 ，4