（有机化学专业论文）具有多作用位点客体的选择、设计、合成及其与瓜环的自组装研究.pdf

贵州人学2 0 0 8 届硕上研究生学位论文 摘要 选择、设计和合成了具有多作用位点的长链化合物苯并咪唑盐酸盐客体，即二氯化一1 ，2 - 2 2 ( 2 - 苯并咪唑基) 乙烷( 记为s b e ) 、二氯化1 ，4 - z ( 2 - 苯并咪唑) 丁烷( 记为s b b ) 、二氯化一1 ，6 - - ( 2 一苯并 咪唑基) 己烷( 记为s b h ) ，二氯化1 ，7 - - ( 2 一苯并咪唑基) 庚烷( 记为s b h t ) 、二氯化- 1 ，8 一- ( 2 - 苯并咪 唑基) 辛烷( 记为s b o ) 、二氯化1 ，1 0 - - ( 2 一苯并咪唑) 癸烷( 记为s b d e ) ，通过1 hn m r 、m s 、x 一射 线单晶衍射技术对客体进行结构表征。利用1 hn m r 技术、荧光光谱法以及x 射线单晶衍射法 等现代分析方法，考察t k 环( c u c u r b i t n u r i l sn = 6 8 ) 及部分取代瓜环与该系列客体自组装的情 况。研究结果表明：瓜环( q i n 】1 1 = 6 8 ) 的主客体自组装是新颖的主客体之比控制的自组装体系。 六元瓜环( q 【6 】) 及取代六元瓜环与客体的自组装模式受控于主客体物质的量之比而主要是形成1 ： 1 或2 ：1 的主客体配合物，同时烷基链长度对作用模式有着重要影响；而七元瓜环( 0 【7 】) 与客体 盐酸盐的自组装情况比较复杂，通过对核磁滴定实验发现，七元瓜环的主客体自组装不仅受溶液 的p h 值及物质的量之比的控制影响，而且烷基链得长度也有极大的影响。q 【7 】与客体s b e 、s b b 的作用模式相似，主要是形成一个瓜环一个客体一端苯并咪唑( 1 ：1 ) 或哑铃型的主客体包结配合 物，而q 【7 】与客体s b h 、s b h t 、s b o 、s b d e 的自组装模式主要受控于主客体的比例及介质的 p h 值，主要是形成类轮烷型和哑铃型的两种主客体包结配合物。八元瓜环( q 【8 】) 与客体的自组装 模式是八元瓜环容纳两个苯环于瓜环空腔内，形成1 ：2 的主客体包结配合物和1 ：1 的主客体配 合物超分子。另外，我们首次得到了结构新颖的七元瓜环及取代七元瓜环的主客体配合物晶体， 结x 射线单品衍射结构分析其类轮烷超分子。 瓜环与部分l 广氨基酸等客体的白组装研究，合成得到一系列瓜环与部分氨基酸等客体的主客 体配合物，通过x 射线单晶衍射结构进行表征，结果他们是结构新颖的一维或者多维的瓜环主客 体超分子实体。最后，我们以葸为原料合成了一系列具有多作用位点的葸环的衍生物及其类似物， 为研究组进行以瓜环为主体，葸环的衍生物或类似物为客体的白组装研究、合成荧光超分子材料 及生物化学等领域的应刚研究打下基础。 关键词：瓜环苯并咪唑核磁共振技术荧光光谱法配合物晶体结构超分子 图15 分类号：0 6 2 6 贵州大学2 0 0 8 届硕l 研究生学位论文 a b s t r a c t t h ep o l y f u n c t i o n a lg r o u p sb e n z i m i d a z o l i u m s ( g u e s t s ) s u c ha s2 ，2 一e t h y l e n e d i b e n z i m i d a z o l i u m d i c h l o r i d e ( s b e ) ，2 , 2 - ( b u t a n e 一1 ，4 一d i y l ) d i b e n z i m i d a z o l i u md i c h l o r i d e ( s u b ) ，2 , 2 一( h e x a n e - 1 ，6 d i y l ) - d i b e n z i m i d a z o l i u md i c h l o r i d e ( s b h ) ，2 ，2 一( h e p t a n e 1 ，7 - d i y l ) d i b e n z i m i d a z o l i u md i c h l o r i d e ( s b h t ) ， 2 , 2 - ( o c t a n e - 1 ，8 d i y l ) d i b e n z i m i d a z o l i u md i c h l o r i d e ( s b o ) ，2 , 2 - ( d e c a n e 一1 ，1 0 - d i y l ) d i b e n z i m i d a z o l i u m d i c h l o r i d e ( s b d e ) h a v eb e e ns e l e c t e d ，d e s i g n e da n ds y n t h e s i z e d t h ea b o v eg u e s t sc h a r a c t e r i z e db yt h e m e t h o do f1 hn m rs p e c t r o s c o p y , m sa n ds i n g l ec r y s t a lx r a yd i f f r a c t i o nd e t e r m i n a t i o n w eh a v e i n v e s t i g a t e d t h ei n t e r a c t i o n so fq n 】a n ds u b s t i t u t e dq n 】w i t ht h e s eg u e s t sb yu s i n g1 hn m r s p e c t r o s c o p y , f l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p ya n ds i n g l ec r y s t a lx - r a yd i f f r a c t i o nd e t e r m i n a t i o n t h e s e l f - a s s e m b l ye x p e r i m e n t a lr e s u l t sr e v e a l e dt h a tt h ei n t e r a c t i o nm d d e sd e p e n do nt h et h er a t i oo fq n 】t o g u e s to rt h ep ho ft h es o l u t i o n f i r s t l y , t h ei n t e r a c t i o nb i n d i n gm o d e so f0 6 】a n ds u b s t i t u t e dq 6 】 d e p e n do nt h er a t i oo fh o s tt og u e s t ，m a i n l yf i t t e dt o1 ：1o r2 ：1h o s t - g u e s ti n c l u s i o nc o m p l e x e s s e c o n d l y , c o m b i n a t i o no fr e s u l t sf r o m1 hn m r a n dt h es p e c t r o g r a p h i cm e t h o d s ，o n ec a ns u g g e s tt h a t t w ot y p i c a li n t e r a c t i o nm o d e sc o u l de x i s ti nt h e0 1 7 1 - s b es y s t e m s ，a n ds i m i l a rt o0 1 7 - s b bs y s t e m ， b u tt h et i t r a t i o n1 hn m rs p e c t r aa td i f f e r e n tp hf o rt h eq 7 1 s b h ，0 1 7 1 s b h t ，0 1 7 s b o ，0 1 7 一s b d e s y s t e m sg a v ead i f f e r e n tr e s u l t a tal o w e rr a t i oo fn o t t l n g u e s to ri na c i d i cm e d i u m ，t h eh o s t0 7 】 i n c l u d e st h el o n g e rb r i d g e da l k y l e n ec h a i no ft h eg u e s tw i t has i m p l e1 ：1i n t e r a c t i o nm o d e ，w h i l ea t h i g h e rr a t i o so f0 1 7 1t og u e s to ri nb a s i cm e d i u m ，ac h a i ns h a p eg u e s tc o u l db eb o r n et w o0 7 】 m o l e c u l e sa n df o r mad u m b b e l ls h a p ei n c l u s i o nc o m p l e x t h i r d l y , q 【8 】g u e s ts y s t e mf i t t e dt o1 ：2 h o s t g u e s ti n c l u s i o nc o m p l e xo r1 ：1h o s t - g u e s ts u p r a m o l e c u l a rm o d e l m e a n w h i l e ，t h ec r y s t a l so f0 7 】 s b ha n ds u b s t i t u t e dq 7 】 s b hw e r eg o tf o rt h ef i r s tt i m e t h er e s u l to fc r y s t a l l o g r a p h i ca n a l y s i s c o n f i r m e dt h a tt h ea l i p h a t i cc h a i no fp r o t o n a t e ds b hi si n c l u d e di n s i d et h ec a v i t yo f0 7 】t of o r ma n o v e lp s e u d o r o t a x a n es t r u c t u r e i na d d i t i o n ，w es t u d i e dt h es e l f - a s s e m b l yo fq n 】w i t hl - a m i n oa c i d sa n do t h e rg u e s st h r o u g h x r a yd i f f r a c t i o ns t r u c t u r eo fc r y s t a l s ，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 dt h a tt h ei n c l u s i o nc o m p l e x e so f q n 】w i t ht h e s eg u e s t sa r e1 do rm u l t i d i m e n s i o n a ls u p r a m o l e c u l a rs t r u c t u r e o t h e rr e s e a r c h e si n c l u d e d t h a tw es y n t h e s i z e das e r i e so f9 1 0 一s u b s t i t u e da n t h r a c e n ed e r i v a t i v e sa n dt h e s ec o m p o u n d sm a y b e c o n t a i np o l y f u n c t i o n a lg r o u p s ，w h i c hp r o v i d e ds o m eb a s i cw o r kf o rf u r t h e rr e s e a r c hi ni n v e s t i g a t i n g h o s t - g u e s to fq n 】w i t ht h e s eo r g a n i cg u e s t sa n ds u p r a m o l e c u l a ri n f l u o r e s c e n tm a t e r i a l s k e y w o r d s ：c u c u r b i ti n = 6 ，7 ，8 u r i i s ，b e n z i m i d a z o l i u m ，1 hn m rt e c h n i q u e ，f l u o r e s c e n c e n 贵州大学2 0 0 8 届硕l j 研究生学位论文 s p e c t r o s c o p y ，i n c l u s i o nc o m p l e x ，x r a yd i f f r a c t i o n ，s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y i i i 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生学位论文 附：学位论文原创性声明和关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 ： 究曾做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：墨墨塑 曰 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作暑签名：墨君喂导师签名：论文作者签名：塑丝：! ! 导师签名： 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生学位论文 前言 超分子的形成最早源于1 9 6 7 年c h a r l e sp e d e r s e n 对冠醚的偶然发现，1 9 8 7 年n o b e l 化学奖授 予了p e d e r s e nc j 、c r a md j 和k h i ij m 三位科学家，表彰他们对超分子化学的突出贡献， 这也表明了超分子化学作为当今化学研究的一个热门领域，已经受到越来越多的关注。超分子化 学或主客体化学是研究两个或两个以上物质通过非化学键缔合而形成具有更高复杂的实体，是研 究超分子的形成、结构、性质及应用的化学。 在主客体化学中，瓜环以其特殊的刚性结构、疏水性空腔、两端亲水性端口，可与各种有机 物发生疏水性的笼体作用；可与偶极或离子型化合物发生亲水性的端口作用；可自组装形成各种 主客体包结配合物、分子胶囊或者超分子实体；可选择识别结构与之相匹配的客体物质；其特殊 的化学稳定性使瓜环还可以用于各种苛刻的介质和条件。瓜环及其同系物的发现，使得瓜环像冠 醚( c r o w ne t h e r ) 、环糊精( c y c l o d e x t r i n ) 、杯芳 烃( c a l i x a r e n e ) 等具有特定内腔的穴状配体一样成为众 多研究人员的研究目标，它不仅为超分子化学提供了一个重要研究领域，更重要的是为合成瓜环 超分子物质提供了重要的主体材料。特别是近年来，有关瓜环的主客体化学、自组装超分子化学、 催化化学、生物化学等方面的研究受到国内外相关学者越来越多地关注。 苯并咪唑衍生物及其金属配合物一直都是研究热点，之所以引起人们极大的研究兴趣，主要 是由于这类化合物具有良好的生物活性，许多药物是苯并咪唑衍生物或其配合物，其中最重要的 两类是抗寄生虫药和质子泵抑制剂。在自然界，苯并咪唑衍生物作为许多酶的活性中心功能基， 参与了重要的生物化学反应，对生命活动起着十分重要的作用。由于苯并咪唑类化合物是具有共 轭p - 一p 键的平面分子，所以具有良好的光化学性质。随着苯并咪唑及其衍生物的广泛应用，对 这类物质的相关研究也具有重要的学术价值和应用价值。 氨基酸是构成生命的物质基础，近年来以环糊精、氮醚、冠醚等大环化合物及分子钳化合物 为受体对氨基酸分子识别的研究十分活跃，同时国内外学者也投入了人量的研究，以期通过以氨 基酸作为底物的自组装超分子结构研究有助于我们了解生物体内各物质间复杂的反应过程。 在化学发光体系中，葸及其衍生物作为荧光质是一类高效且便宜的荧光质，有的9 ，1 0 取代 蒽衍生物还具有较好的生物活性，如比生群具有较好的抗肿瘤活性，抗肿瘤谱广，类似阿霉素。 近年来，9 ，1 0 取代葸衍生物在发光材料、医药开发等研究领域受剑越来越多的重视。 本课题选择、设计并合成了一系列具有多作用位点的烷基双苯并咪唑( 客体) ，利州核磁共振 技术、x 射线单晶衍射技术等表征客体结构，首次报道部分客体的结构；采用核磁共振技术、x 射线单品衍射技术、荧光光谱法以及运h j 紫外可见光谱法等现代研究手段，对它们与瓜环相互作 用的主客体白组装体系进行研究，了解与掌握其间作用模式及作用规律，并对其影响冈素进行了 1 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生学位论文 深入研究，首次合成了结构新颖的七元瓜环及取代为七元瓜环的主客体超分子物质；通过x 射线 单晶衍射技术研究了瓜环与部分氨基酸等客体的自组装超分子结构；最后合成了一些9 ，1 0 - 取代衍 生物及类似物。本研究工作为进一步合成瓜环与多作用位点功能基团的配合物或超分子配合物提 供参考，为瓜环在分子识别、纳米技术、分子器件设计等方面的研制和开发提供科学依据。 2 贵州人学2 0 0 8 届硕上研究生学位论文 第一章文献综述 自从美国化学家p e d e r s e n ，c j 、c r a m ，d j 和法国的l e h n ，j m 共享了1 9 8 7 年的诺贝尔化 学奖以来，超分子化学的发展越来越受到人们的关注，尤其是近年来，学术刊物( ( s u p e r a m o l e c u l a r c h e m i s t r y ) ) 的创办和几本有影响的专著的问世( l e h n ，j m 1 9 9 5 ；b a l z a n i ，ve ta 1 1 9 9 0 ；i _ e l m ，le t a 1 1 9 9 6 ) ，更使得超分子化学发展成- f l 涵盖生物无机化学、有机化学、分析化学以及与生命科 学、材料科学和信息科学密切相关的新兴边缘科学。像高分子化学一样，己得到世界各国化学家 的普遍认同，这也表明了超分子化学作为当今化学研究的一个热门领域，超分子化学或主客体化 学受到越来越多的关注，其中主体对客体的分子识别和组装是它的核心研究内容。大环超分子化 学是处于近代化学、材料科学和生命科学交融的前沿学科，其研究对象是以非共价键弱相互作用 力键合起来的复杂有序且具有特定功能的分子集合体。超分子化学是共价键化学的一次升华、一 次质的超越，被称为是“超越分子概念的化学”，它不仅在材料科学和信息科学中有重要的研究 意义，而且在生命科学中也具有重要的理论意义和潜在的应用前景。在主体化合学中，人们对冠 醚( c r o w ne t h e r ) 、环糊精( c y c l o d e x t r i n ) 、杯芳烃( c a l i x a r e n e ) 做了大量的研究，发现由于它们具有特 定的空穴内腔，可以和多种客体形成主客体自组装结构。瓜环( c u c u r b i t u r i l s ) 及其同系物的发现， 又为超分子化学和主客体化学提供了一个重要的研究领域。近年来，一系列改性瓜环不断出现， 如十甲基取代瓜环( k i m ，j e ta 1 2 0 0 0 ) 、二苯基取代瓜环o s o b e ，h e ta 1 2 0 0 2 ) 、五及六环己基取代 瓜环( z h a o ，j z e t a l 2 0 0 1 ) 等，各种有可能合成改性瓜环的改性甘脲也有所报道( d a y ，a e t a l 2 0 0 3 ； j a n s e n ，ke ta 1 2 0 0 3 ；b u m e t t ，c 久e ta 1 2 0 0 3 ；b u m e t ，c a e ta 1 2 0 0 3 ) 。最近，我们研究组利用自 己合成得到的甘脲二聚体( j o n ，s y e t a l 2 0 0 3 ) ，合成得到了对称四甲基六元瓜环，二甲基取代五 元瓜环等一系列新型瓜环( 中永强等，2 0 0 3 ) 。 瓜环及其同系物的发现，便象冠醚( c r o w ne t h e r ) 、环糊精( c y c l o d e x t r i n ) 、杯芳烃( c a l i x a r e n e ) 等 具有特定内腔的穴状配体一样成为众多研究人员研究的重要目标，它不仅为超分子化学提供了一 个重要的研究领域，更重要的是为合成瓜环超分子物质提供了重要的主体材料。特别是近年来， 瓜环的超分子化学在主客体化学方面，即分子识别、自组组装以及合成特殊超分子等方面得到了 迅猛发展。而本文研究的瓜环与客体的白组装正是基于这种背景，成为近几年热点前沿课题。 1 1 瓜环的研究现状 瓜环( c u c u r b i t 【n 】u r i lm = 5 1 2 ) j 皂- - 类由n 个茁脲单元和2n 个亚甲基桥联起来的大环笼状 化合物，最早是在1 9 0 5 年由德国化学家b e h r e n d 等首次合成，但直到1 9 8 1 年f r e e m a n 等学者重 新研究这个反应后，才首先确定了其中甩= 6 的二环化合物的结构，表明其与金属盐的品状加合 物实为包结配合物。谱学数据( i r 、1 hn m r ) 以及元素分析表明其化学计量式j , j ( c 6 h 6 n 。0 2 ) n 。从 3 型! ! 竺! ! 型! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 硫酸溶液中得刮了其酸式硫酸钙刚台物，x 射线单品衍射分析其卦1 成为 ( c 6 i i 洲；o ! ) e c 。s 0 h 2 s 0 4 ( h 2 0 ) 6 其有机部分是一种一：甲桥忖腮的环状? 、聚体，所有的耶矩过胺 链连接在一起( b e h r e n d ，r “a l1 9 0 5 ；f r e e m a n ，w _ ae t 口 1 9 8 1 ) 。由下该类化台物的系统命名特别 复杂，f r e e m a n 建议p dc u c u r b i l u t i l ( d ? 文译作葫芦脲或瓜环) 粜命名该种化台物是因为其外部特 缸e 与葫芦或南瓜的形状报类似为表明环中的结构单元数，可采f j 类似r 杯芳烃的命名规则，称 为葫芦【6 】脲或j 、元瓜环，这个英文俗名己被1 泛接受，中文名目前还设有统的名称。在遵循上 述原则的基础上为简单起见，根据c u c u r b i t u f i l 第一个字母的投音结台结构单元数，我们记 之为0 【n 】，如把 元瓜环记为o 【6 】等等。 q 6 ( k i m ，sy e t a l2 0 0 1 ) 是在酸性条件f ，由甘脲和过坫甲醛发生缩台而制得，b 咐h m a n n 等( h o f f m a n n ，re ta l1 9 9 4 ) 在f r e e m a n 的台成基础上，对合成步骤进行了优化，朋f 列方法r 反 庸式l 一1 ) 可以安全经济地制备。 拿警随o“v ” 心v ”。叫： 在1 9 9 8 - 1 9 9 9 年度的研究中- 南韩的1 0 m ( k i m ，咒2 0 0 2 ；d a y , di e t a l2 0 0 1 2 0 0 2 ) 和澳人利 弧的d a y 儿乎同时发现了瓜环的同系物c u c u f b l t 扣 i l r i l o = 5 1 0 ) ，片分离得到了c u c u r b i t n u r i l ( n = 5 8 脚图1 - 1 ) 。在稀硫酸溶液中，较低温度( 7 5 一l o o ) f 反应得到瓜环的混合物经分离除 得到o 【6 】外，还得到了o l s 、q 7 1 , _ i0 1 8 。 ，。l t ， t t ， ， 、 ， h h j q t - “ 图1 15 、6 、7 、8 元瓜环的结杜j 示意l 刳 f i g u r e i - 1 x r a ys t r u e l u r e o f o n 】( n = 5 8 ) 由丁瓜环的溶解性差制约了瓜环的研究与麻埘，1 ：是人们投入人越的人力和物力进行政性 d 生型查兰型型坐型壅兰兰些堕兰 瓜虾的台成研究，导致一幕驯的娃性瓜环小断m 现，抛十甲甚l 瑕代瓜环、璀基取代瓜环、而 ，、王1 = 己基部分取代瓜王1 = 等f 如幽1 2 1 。 s t o d d a r tw ( h i n n ，ae t 口1 9 9 2 ) 1 u 一甲基甘脲平3 7 的甲酪溶液往盐酸溶液中加热反麻闸流 2 h ，将得到的暗红色溶液再同流1 h 然后慢慢拎却，经过滤水洗得到白色沉淀。由此制得的单品 经x 射线单品衍射分析确定为十甲基五元瓜环( m e 口o 【5 】反廊式1 - 2 ) ，不过产率比较低。 十甲基五元瓜环 对称四甲基 元瓜环二苯基取代 元瓜环 反应式1 - 2 十甲摹五元瓜环的制备方法 s c h e m e1 - 2 s y n t h e s i so f m e 。o f 5 】 一 4 k i m ( z h a o ，je t a l2 0 0 1 ) 研究掘j t j 环己抗片甘脲与甲醛拒盐酸- 硫酸中8 0 cr 反麻，提纯得到 全取代环己基五元瓜环( c y 5 0 【5 】) 自l 全取代环己摹 元瓜环( c y 5 0 1 6 ) ( 反廊式1 - 3 ) 。通过谱幽日究 和x 射线单品衍射分析证实为五玮己坑百元瓜环和? 、环己烷 元瓜环。令人欣喜的是，这种新的 瓜环衍生物与五、，“七、八元瓜环及p 甲基取代五元瓜环相比它们在通常的溶荆如水、甲醇、 d m s o 中有比较高的溶解性在乙醇、d m f 、丙腈- p 也有比较台理的溶解度。山人意料的是，尽 5 - 要些生! ! 塑坚! ! 。! ! 型兰! 垡堡兰 管其腰上有环己烷的存在，它们在水中的溶解度比枉有机溶刑c p 婴人j 、驯，己烷1 _ 瓜环在水中的 弁解j 皇平d 环枷精相当。最近他们研究出新颠的瓜环衍，上物( k i m ，d “u l2 0 0 7 ) 。 反应式1 - 3 环己基瓜环( c y 。o f n n 及烷氧基取代瓜环( r o 。q n 1 ) 的合成 s c h e m e1 - 3 s y n t h e s i so f c y n o 【n l ( 56 ) a n dp , o 。o 【l 贵州人学应h j 化学研究所在台成改性瓜环方面也 j 所突破，赵云沾等( z h a o ，yj e ta l 2 0 0 4 、 片j 甲基仃脲和前腮一聚体反麻，台成并分离山对称四甲基 元瓜环，反廊式如r ： e u c u r b i l s ，u ur i l 反应式1 5 部分环己基取代瓜环的合成 s c h e m e l - 5 s y n t h e s i s o f p a r t i a l l ys u b s t i t u t e dc y c l o h e x a n o c u c u r b i t s ，u u n l i s a a c sl 等人f 、v a g n e r bde t a l2 0 0 5 ) 粼构新颖的q 1 6 i 类似物，具有淋在的应川价值- 总2 ，由t - 瓜环同系物及系列政性瓜环的出现，拓宽了瓜环这类土荨! = 体化学的研究领域及麻h j 范 嗣。 贵州大学2 0 0 8 届硕上研究生学位论文 图1 3 六元瓜环类似物的结构 f i g u r e1 - 3 s t r u c t u r e so fe u c u r b i t n u r i la n a l o g u e s 1 2 瓜环的结构特征及性质 瓜环( q 【n 】) 是具有类似于南瓜外形的环状化合物，具有两端开e l 的空腔，其两端端口尺寸相同， 空腔直径大于端口直径，每个端口各有与单元结构数相同的氧原子，同时笼壁上有大量的氮原子， 其数目四倍于单元结构数目。环绕在端口极性较强的羰基形成了与刚离子健和位点，可以通过离 子偶极相互作用和与脲羰基的氢键作用来键和金属离子或有机分子的带电部分。而其有机部分二 甲桥甘脲的环状，l m = 5 1 0 ) 聚体，通过所有的胺链连接成环j 构成瓜环的非极性内腔，可以通 过疏水基相互作用包结有机分子，几种瓜环的结构参数列于表1 - 1 。从表中可以看出 c u c u r b i t n u r i l s0 = 6 、7 、8 ) 空腔尺寸与、p - 、y - 环糊精的相当( m o c k ，w l e t a l 1 9 9 6 ) 。与环糊 精相当，瓜环的疏水空腔，不仅可以包括有机分子，还可以根据其空腔的大小选择性的容纳尺寸、 形状相匹配的客体分子。 瓜环的另一特征是其结构的刚性，由冠醚、杯芳烃、环糊精到瓜环，分子结构的刚性依次增 强r 韩宝航等，2 0 0 3 ) 。普通瓜环不能改变形状以适应客体分子，所以可以预期配位作用必会伴随 着极强的专一性，和极高的缔和常数。结构决定性质，在充分了解瓜环的结构特征之后，可以针 对性的对其键合位点加以很好的利用。 从化学稳定性来看，环糊精为多聚糖类，因此在酸性或碱性环境下是不稳定的，而瓜环在强 酸性或强碱性介质中都具有良好的稳定性( o h ，ks e t 口f 2 0 0 1 ) 。 表1 1 瓜环的结构参数 t a b l e1 - 1s t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fc u c u r b i t n u r i l s 笊 0 5 】0 6 】0 1 7 】0 1 8 】 结构参数 端口直径r i m0 2 40 3 90 5 40 6 9 空腔直径r i m 0 4 4 0 5 80 7 2 0 8 8 空腔体积r i m 3 0 0 8 20 1 6 40 2 7 90 4 7 9 外径r i m 1 3 l1 4 41 6 0 1 7 5 高度r i mo 9 10 9 1 0 9 1o 9 1 嚣h 人学2 0 0 8w lm r * i 3 瓜环的应用 1 j 1 在生物化学和药物化学方面的应用 k i m 课韪绀利川吖啶取代的槠胺 l l o 【6 】形成的准轮炕，d n a 问的作埘，抑制性水解实验i 止明 形成了二元配合物( 1 s o b e ，he l a l2 0 0 0 ) 。随后t 他hj 也报道了多胺树状分f 。o 【6 】形成的准轮烷 插人d n a 形成的= 元体系( l i m ，ybe la l2 0 0 2 ) 。近米，他们逋过电泳实骀展示了精胺的o 【6 雕 轮烷对d n a f p b r 3 2 2 ) f f j 切* u 忭川( i s o b e ，he t a l2 0 0 5 ) ，如f 幽所示： 匿王三 图1 4 c b 6 准轮烷k , f | d n a ( 曲r 3 2 2 ) i ￥j 切割作川 f i g u r e l 4l n c i s o r y c b 6 lr o t a x a n e f o r d n a ( p b r 3 2 2 ) k j m 研究组还研究了o 7 】对抗癌药物f f 3 雠( j e o n ，jj 口a l2 0 0 5 ) 作川，o 【7 】包结一个抗癌 蓟物丁瓜环空腔内，增强了该曲物的稳定性使得药物释放得以碱缓井降低了曲物的负面作川。 q 7 i 与凌药物包结物的形成及晶体结构如f ： 图1 - 5 0 1 7 j i t 机癌药物的包结作川 f i g u r e i - 5 i n c l u s i o no f 0 7 w i t ha n t i c a n c e r d r u g k 岫课题组也发现水溶性的a 环己基取代a 元瓜环( c y 6 0 1 6 】) 能够与神经传递录乙酰j i f i 碱形 成hi 的包结物，乙酰胆碱的二甲氯基留在空腔外部，其余的基团进入剑瓜王1 = 的山腑( z h a o jze t a l2 0 0 1 ) t 但a 环己基取代a 元瓜环( c y 6 0 【6 1 ) 。胆碱仅仪发现为弱的相4 佧川他们也展示了并 基取代瓜叫、衍t 物在离子通道方面的麻u e o n yle ta l2 0 0 4 ) ，返对发现新的鲋物￥着重要佧 州 陈慧兰课题组通过探讨碘苯基辫基畦啉_ l o 【6 l 的片t n 体在结杜jl ：的变化i 止明了甲状腺激素 忭为一种碘助的不对称模扳的功能而止是这种开戈似的功能诱发r 倚尔蒙受体且有生物活性的 构遗( z h a “fe ta l2 0 0 5 ) 。 1 3 2 分子识别 8 o o 贵州人学2 0 0 8 届硕士研究生学位论文 超分子形成过程是分子识别过程，是通过给定的受体( 主体) 分子结合和选择底物( 客体) 过程， 有机胺及其盐就被首先被用于主客体研究。对于六元瓜环与各种有机胺、长链有机二胺、吡啶的 衍生物等的主客体白组装化合物的热、动力学研究，瓜环能对某些金属离子和脂肪胺离子进行分 子识别。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( m o c k ，w le ta 1 1 9 8 4 ；1 9 8 6 ； 1 9 8 8 ；b u s c h m a n n ，h j e ta 1 1 9 9 8 ) 。 b a n i l ( 等( h a o u a j ，m e e ta 1 2 0 0 1 ) 应用1 2 9 x en m r , i hn m r 谱图研究证实，在水溶液中氚可 以可逆地进、出0 【6 】的空腔而形成1 ：1 的主- 客体配合物。k i m 等发现2 ，6 - - - ( 4 ，5 - 二氢一1 h - 2 - 基) 萘分子太大，不能与q 【6 】形成主- 客体配合物，但可与q 7 1 形成1 ：1 包结配合物，与o 8 1 形成1 ： 2 包结配合物。 1 3 2 自组装 生物的奥秘和神奇不是由于特殊的结合力和特殊的分子及其复杂体系，而是在于特殊的组装 体之中，这种通过组装所形成的稳定结构具有一些无法预测的新特性。作为超分子化学中非常重 要的一类主体化合物，瓜环在组装与自组装方面有着广阔的应用前景。 m o c k 等( m o c k ，w ：j e ta l1 9 9 0 ) 基于h 3 + n ( c h 2 ) 6 n h 3 4 ( k f = 2 8 8x1 0 6 d m 3 m o l 。1 ) 和 h 3 + n ( c h 2 ) n h 3 + ( 1 ( f = 2 7 xl o s d m 3 m o l 。1 ) 与q 【6 】包结常数的不同，设计得到了反应式1 - 6 的分子 开关。该开关响应于溶液的酸度( 转换点) 。在此基础上，k i m 等( j u n ，s le ta 1 2 0 0 0 ) 发展了带有 荧光信号的轮烷分子开关。由六元瓜环穿在芴基三胺上形成的准轮烷是有荧光特性的可逆分子开 关。p h 值的变化可使分子珠( 六元瓜环) 由一个位置转换到另一位置，该过程将伴随着颜色和荧光 的变化，可供观察( 参见反应式1 7 ) 。 h 0 肿占毗吱。 - 扎c 0 塞 k 咎蠢 c o 钛辅 。吒h ，c 扣 h 反应式1 - 6 己二铵盐与六元瓜环形成的分子开关 s c h e m e1 - 6m o l e c u l es w i t c ho fh e x y l i ca m m o n i u ma n dc u r c u r b i t 6 u r i l 器固p 导赫器固 1y e l l o w ，f l u o r e s c e n tv i o l e t ，n o n - f l u o r e s c e n t 反应式1 7 带有荧光信号的轮炕分子开关 s c h e m e1 - 7 f l u o r e s c e n t ，r e v e r s i b l er o t a x a n e - b a s e dm o l e c u l a rs w i t c h 9 小 争 。蜥 喈 敬 叫 贵州大学2 0 0 8 届硕士研究生学位论文 由于瓜环具有中空的特殊结构，可作为链状化合物的受体，在合适的条件下，这些链状化合 物客体可穿过瓜环形成所谓的类轮烷，选择合适的化合物作为塞子以防链状化合物从环中脱出， 则形成轮烷。k i m 等( j e o n ，y m e t 口f - 1 9 9 6 ) 将六元瓜环与1 , 4 丁二铵盐溶于水中一段时间后，向 溶液中加入2 , 6 - 2 2 q j 基吡啶，将p h 值调至8 ，再加入2 ，4 - 二硝基氟苯，则可得到如图1 - 6 所示的 轮烷，中心轮轴两端体积大，阻止轮烷的瓜环脱离。 刚矗一班 刚心龆一谢静诺口獭 k 盔 图1 - 6 六元瓜环与1 ，4 丁二铵盐、2 ，4 二硝基毗啶形成的轮烷 f i g u r e1 - 6 r o t a x a n eo fq 6 】w i t hb u t a d i a m i n os a l ta n d2 , 4 - d i n i t r o p y r i d i n e b u s c h m a n n 等( b u s h m a r m ，h j e ta 1 2 0 0 0 ) 用联胺和六元瓜环形成类轮烷，以不同的甲酰氯( 苯 甲酰氯、1 萘甲酰氯、2 - 萘甲酰氯、3 - 苯基丙酰氯、联苯4 酰氯、环己基甲酰氯和3 , 4 , 5 三甲氧 基苯甲酰氯) 封端，以1 0 一9 0 的产率制得轮烷( 如图1 7 ) 。 o 图l - 7 六元瓜环与联胺、不同的甲酰氯形成的【2 】轮烷 f i g u r e1 - 7 【2 1 2r o t a x a n eo fq 6 】a n dh y d r a z i n ew i t hd i f f e r e n tf o r m y l c h l o r i n e 1 3 3 分子催化 基于瓜环对铵离子的特殊的专一性，m o c k 等( m o c k , w le t a l 1 9 8 3 ；1 9 8 9 ) 进行了炔烃和烷基 叠氮的1 ，2 一偶极环加成反应，其中所使用的炔烃和烷基叠氮均带有一个末端胺基以使它们与q 6 】 形成稳定的配合物。这一环加成反应在稀甲酸溶液中缓慢进行时生成三唑和一个区域异构体，但 当加入催化剂量的q 【6 】则使反应人大加速( 5 5 1 0 4 倍) ，且生成区域专一的产物。这应归因了二瓜 环与两反应物之间形成了过渡态的三元配合物。这两种底物的铵离子分别与羰基端口配位，非极 性部分穿入瓜环的空腔，从而促进了环加成反应( 反应式1 8 ) 。 壬1 2 n c 1 h - c = c 1 i +n - n = n c h 2 一c h 2 一n 嘞 _ ，悄+ o h r ，n o h n - - 4 时，q 【6 】与客体的自组装模式是否如我们所预料的那 样呢? 我们使用r l = 6 、1 0 时具有代表性的客体即s b h 和s b d e ，来考察q 【6 】与这一系列客体的 自组装模式。对于q 【6 卜s b h 体系，采用培养单品的方法。使用溶解比较好的1 ，2 ，3 ，4 - 四甲基六 元瓜环删e q 【6 】，贵州人学应刚化学研究所提供) ，将n t m e q 6 3 f i is b h 配成的物质的量之比 为2 ：1 的饱和溶液，放置数天后便析出晶体，收集晶体，测量晶体结构。图4 - 9 为n t m e q 6 一s b h 的品体结构图，晶体为三斜晶系，空间群为p 1 ，分子式：c l o o h 2 1 6 c 1 2 n 5 2 0 7 6 ，分子量：3 4 3 4 1 5 ， 主要晶胞参数为：a = 1 7 4 0 9 ( 4 ) a ，b = 1 8 2 3 5 ( 4 ) a ，c = 2 4 7 6 7 ( 6 ) a ，口= 9 2 9 7 4 ( 3 ) 0 ，夕= 1 0 6 1 1 5 ( 3 ) o ， ) ，= 9 0 1 6 5 ( 3 ) 0