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白杨素- 6 - 磺酸根与金属离子自组装作用及晶体结构研究 史娟 摘要白杨素是一种重要的黄酮类化合物，具有广泛的药理作用，如抗氧化、 抗病毒、抗癌等。超分子化学以分子问由非共价的弱相互作用结合而成的多分子 体系为研究对象，可以被看作是推广了的配位化学，而能够直接将配位化学与超 分子化学联结起来的桥梁则是配合物分子内和分子间的配体问弱相互作用。为了 改善白杨素的性能、提高其生物利用度和与金属离子的配位能力，本文对白杨素 进行了磺化，得到2 种白杨素磺化物：白杨素6 磺酸钠和白杨素8 磺酸钠。以白 杨素一6 一磺酸根为配体与金属离子自组装得到4 种白杨素磺化配合物，培养了它们 的单晶，并对晶体结构和超分子作用进行了研究。此外，对白杨素全合成过程中 出现的b a k e r - v e n k a t a r a m a n 二次重排进行了探讨。 首先，对黄酮类化台物的分类及与金属离子的络合作用，白杨素的药理作用 和超分子自组装研究进行了综述。其次，以白杨素为先导化合物对其进行磺化， 得到两种白杨素磺化物：白杨素一6 磺酸钠和白杨素一8 磺酸钠的混合物。通过络合 解聚使其分离。白杨素6 磺酸钠为配体分别与z n ( i i ) 、c d ( i i ) 、b i i ) 、c u ( i i ) 作用，得到了4 个白杨素磺化配合物，它们分别是：白杨素双核锌配位化合物、 白杨素四核镉配位化合物、白杨素磺酸钡配位聚合物和白杨素磺酸铜配位化合物。 采用元素分析、i r 、和1 hn m r 进行了结构表征。x 一射线单晶衍射法测定了晶体 结构，研究了4 个白杨素磺化配合物的晶体结构和超分子作用。同时，对白杨素 双核锌和白杨素四核镉配位化合物的光致发光性能进行了测定，并讨论了它们的 发光机制。 最后，在白杨素全合成过程中得到了问三苯甲酰氧基苯乙酮、白杨素和二苯 甲酰基甲烷( d b m ) - - - 种物质，其中d b m 是b a k e r - v e n k a t a r a m a n 二次重排反应的 产物，讨论了b a k e r - v e n k a t a r a m a r t 二次重排反应机理。 在白杨素6 位及8 位引入磺酸根不仅提高了白杨素的水溶性，还增强它了与 金属离子的自组装能力。白杨素一6 磺酸根可作为双齿配体与金属离子z n ( i i ) 、 c d ( i i ) 、b a ( i i ) 、c u ( 1 1 ) 发生自组装作用，依靠白杨素一6 磺酸根与金属离子问的 配位作用、阴阳离子之间的静电力、氢键与兀兀堆积作用组装为具有三维结构的 超分子化合物，所得到的多核配合物还具有光致发光性能。水溶性黄酮配体使得 白杨素新药和新型荧光材料的研制开发成为现实。 关键词：白杨素一6 磺酸钠；自组装；超分子作用；配位作用 s e l f - a s s e m b l yo fc h r y s i n - - 6 - s u l f o n a t ew i t hm e t a li o n s a n dc r y s t a ls t r u c t u r e s h i j u a n a b s t r a c tc h r y s i ni so n eo ff l a v o n o i d sw i d e l ys p r e a di nn a t u r e i th a se x t e n s i v e b i o l o g i c a la c t i v i t i e s ，s u c h a sa n t i v i r u s ，a n t i o x i d a n t ，a n da n t i c a n c e r s u p r a m o l e c u l a r c h e m i s t r yi sa ni m p o r t a n te x t e n s i o no ft h ec h e m i c a lf i e l d i t so b j e c ti st h e m u l t i m o l e c u l a re n t i t i e sa s s e m b l e db yt h ew e a kn o c o v a l e n c ei n t e r a c t i o nb e t w e e n m o l e c u l e s i tc a nb ed e f i n e da s “e x t e n d e dc o o r d i n a t i o nc h e m i s t r y a n dt h eb r i d g e l i n k e dt h ec o o r d i n a t i o nc h e m i s t r yw i t hs u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r yi st h ei n t e r m o l e c u l a r f o r c e si nt h ec o o r d i n a t i o nc o m p l e x i no r d e rt oi m p r o v et h ec o o r d i n a t i o na b i l i t i e so f c h r y s i n w i t hm e t a li o n s ，t h ec h r y s i nw a ss u l f o n a t e d t w o c h r y s i n s u l f o n a t e s ， c h r y s i n 一6 一s u l f o n a t ea n dc h r y s i n - 8 一s u l f o n a t ew e r eo b t a i n e d c h r y s i n 一6 一s u l f o n a t ea c t e da l i g a n da n ds e l g a s s e m b l e d 讪mz n ( i i ) ，c a ( i i ) ，b a ( i i ) ，c u ( i i ) 4k i n d so ft i l e s u l f o n a t ec o o r d i n a t i o nc o m p l e x e sw e r es y n t h e s i z e da n dd e t e r m i n e d t h ec r y s t a l s t r u c t u r e sa n ds u p r a m o e c u l a rf o r c e sw e r es t u d i e d i na d d i t i o nt o ，t h em e c h a n i s mo f t w i c eb a k e r v e n k a t a r a m a nr e a r r a n g e m e n tw a sd i s c u s s e d f i r s t l y , t h ec l a s s i f i c a t i o na n dc o m p l e x i n ga c t i o nw i t hm e t a li o n so ff l a v o n o i d s ， p h a r m a c o l o g i c a la c t i o n so fc h r y s i na n ds u p r a m o l e c u l a rs e l f - a s s e m b l yw e r er e v i e w e d s e c o n d l y , t h em i x t u r eo fc h r y s i n - 6 - - s u l f o n a t ea n dc h r y s i n - 8 - s u l f o n a t ew a so b t a i n e db y s u l f o n a t e d c h r y s i n 。b y t h em e t h o do fc o o r d i n a t i o na n d d e p o l y m e r i z a t i o n ，t w o c h r y s i n s u l f o n a t e s w e r e s e p a r a t e d t h el i g a n d ，s o d i u m5 , 7 - b i h y d r o x y f l a v o n e 一6 - s u l f o n a t ec o o r d i n a t e sw i t hz n ( i i ) ，c d ( i i ) ，b a ( i i ) ，c u ( i i ) ，a n d4s u l f o n a t ec o m p l e x e s w e r eo b t a i n e di n c l u d i n gad i n u c l e a rz i n cc o m p l e x ，at e t r a n u c l e a rc a d m i u mc o m p l e x ，a b a r i u mc o o r d i n a t i o np o l y m e ra n dac o p p e rc o m p l e x t h e yw e r ec h a r a c t e r i z e db y1 h n m r ，i ra n dx - r a ys i n g l e c r y s t a ld i f f r a c t i o na n a l y s i s t h ec r y s t a ls t r u c t u r e sa n d s u p r a m o l e c u l a rf o r c e so ff o u rc o m p l e x e sw e r ed i s c u s s e da n dt h ep h o t o l u m i n e s c e n t p h e n o m e n ao ft h ed i n u c l e a rz i n cc o m p l e xa n dt h et e t r a n u e l e a rc a d m i u mc o m p l e xw e r e o b s e r v e da n dt h ep h o t o l u m i n e s c e n tm e c h a n i s m sw e r ed i s c u s s e d f i n a l l y , 2 , 4 ，6 - t r i b e n z o y l o x y a c e t o p h e n o n e ，c h r y s i na n dd b m w e r es y n t h e s i z e di n t h es y n t h e t i cc o u r s eo fc h r y s i n a n dt h em e c h a n i s mo ft w i c eb a k e r - v e n k a t a r a m a n r e a r r a n g e m e n tw a sd i s c u s s e d t b ew a t e rs o l u b i l i t ya n dc o o r d i n a t i o na b i l i t yo fc h r y s i nw e r es t r e n g t h e n e db y i i i n t r o d u c e das u l f o g r o u pi n6 - o r8 一p o s i t i o no fc h r y s i n t h eb i d e n t a t el i g a n d ， c h r y s i n - 6 - s u l f o n a t e ，s e l f - a s s e m b l e dw i t hz n ( i i ) ，c d ( i i ) ，b a ( i i ) a n dc u ( i i ) ，a n d f o r m e d s u p r a m o l e c u l a rc o m p l e x e sb y c o o r d i n a t i o n i n t e r a c t i o n s ，e l e c t r o s t a t i c i n t e r a c t i o n s ，h y d r o g e ni n t e r a c t i o n sa n d2 r - 2 1s t a c k i n gi n t e r a c t i o n s t h ed i n u c l e a rz i n c c o m p l e xa n dt h et e t r a n u c l e a rc a d m i u mc o m p l e xh a v ep h o t o l u m i n e s c e n tp h e n o m e n a i t i s p o s s i b l e t om a k ed e v e l o p i n gf l e wd r u ga n dn o v e lp h o t o l u m i n e s c e n tm a t e r i a l s b e c a u s eo ft h es y n t h e s i so f t h ew a t e r - s o l u b i l i t yl i g a n do f f l a v o n o i d s k e y w o r d s ： s o d i u mc h r y s i n - 6 一s u l f o n a t e ， s e l f - a s s e m b l y , s u p r a m o l e c u l a rf o r c e s ， c o o r d i n a t i o ni n t e r a c t i o n i 学位论文独创性声明 y9 0 0 7 0 本人声明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。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，论文中不包含其他个人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得陕西师范大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。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：窒鱼蜀日期：一：i 亟：生 学位论文使用授权声明 本人同意研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属陕西师范大 学。本人保证毕业离校后，发表本论文或使用本论文成果时署名单位仍为陕西 师范大学。学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其它指定机构送交论文 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、院系资料室被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。 作者签名：塞缉 第一章白杨素研究概况 白杨素( 5 ，7 一二羟基黄酮) ，是一种具有多种药理作用的黄酮类化合物，广泛存 在于蔬菜、水果甚至蜂蜜中，可从木蝴蝶、西番莲等植物中提取得到。白杨素以 色原酮环与苯环为基本结构，其中两个芳环( a 环、b 环) 之间通过一个3 碳链相 连，是植物代谢过程中产生的以c 6 一c 3 一c 6 结构为基本母核的天然有机化合物f 图 1 - i ) 。 o ho 图1 - 1 白杨素的结构式 超分子化学以分子间由非共价的弱相互作用结合而成的多分子体系为研究对 象，是化学科学研究领域的一个重要扩展。在某种意义上说，超分子化学可以被 看作是推广了的配位化学。而能够直接将配位化学与超分子化学联结起来的桥梁 则是配合物分子内和分子间的配体间所存在的超分子作用力( 氢键、兀兀堆积作用、 静电作用、疏水作用和范德华力) 。本章对黄酮类化合物的分类及与金属离子的络 合作用，白杨素的药理作用和超分子自组装研究进展综述。 1 1黄酮类化合物概述 黄酮类化合物广泛分布于天然植物中，是许多植物的有效成分，其种类、数 量较多，目前己知的黄酮单体已有8 0 0 0 多种l l “。黄酮类化合物是一类低分子量 天然植物成分，多数存在于高等植物羊齿类植物中，大多有颜色。由于植物次生 代谢的关系，它们的结构类型和植物来源比较确定，这些都特别适合于高等植物 化学分类的研究。从植物系统学的角度，植物体产生黄酮的能力与植物体木质化 性质密切相关。因此黄酮类化合物主要分布在维管束植物中【5 。7 l ，而在其它较低等 的植物类群中分布较少。天然黄酮类化合物多以苷类形式存在，并且由于糖的种 类、数量、连接位置及连接方式不同，可以组成各种各样的黄酮苷类 8 _ 9 】。了解黄 酮类化合物的分布、类型、药理、结构修饰和晶体结构研究具有重要的意义。 1 2白杨素生理活性研究 白杨素是一种常见的黄酮类化合物，具有抗氧化、抗病毒、抗高血压、抗糖 尿病等多种药理作用。由于白杨素对常见病、多发病所具有的重要的生理作用， 引起了人们的广泛关注。 1 2 1 心血管系统活性 黄酮类化合物在防治心脑血管疾病方面已发挥了重要作用。实验研究表明不 同浓度的黄酮类化合物可以不同程度的抑制二磷酸腺苷( a d p ) 诱导的大鼠血小板 凝集，对5 羟色胺和a d p 联合诱导的家兔和绵羊血小板凝集也有同样的抑制作 用 1 。还可降低血管内皮细胞羟脯酸代谢，使内壁的胶原或胶原纤维含量相对减 少，利于防止血小板粘附凝集和血栓形成，有利于防治动脉粥样硬化。对高血压 引起的头痛、头晕、耳鸣等症状有明显的疗效，尤以缓解头痛为显著。 1 2 2 抗氧化作用 黄酮类化合物的抗氧化作用主要通过两种方式实现：直接清除自由基和与金 属离子螯合。白杨素抗氧化作用的实现是通过苯环羟基与金属离子络合来清除自 由基的。游离于人体内的过渡金属离子通过催化活性氧自由基的产生间接参与了 氧化反应，导致机体的病变1 1 1 - 1 2 1 。包括白杨素在内的一些黄酮类化合物通过与这 些金属离子的多价螯合阻止了自由基的生成，实现了抗氧化目的。n a r u m i s u g i h a r h 1 3 】等人通过胶原酶灌注方法获取肝细胞并对其进行t r y p a n 实验，表明白 杨素与铁，铜，镉等离子在较低浓度下可明显抑制小鼠肝细胞引起的脂质过氧化 产物，从而有效的阻止了氧化反应。 1 2 3 保持并提高血清游离睾酮水平 运动员体内雄激素水平对运动能力的影响始终受到国内外运动医学和营养学 界的重视。大量的动物和人体实验表明，运动成绩在一定程度上和体内雄性激素 的水平和作用密切相关。在雄性激素诸多类型中，睾酮发挥着极其重要的作用。 研究发现睾酮能显著增加运动员肌肉蛋白质合成和肌肉力量， 增加肌肉对葡萄糖 的吸收和肌糖原合成【l “”，并且在一定条件下增强运动员的运动能力和竞技能力， 而运动训练明显影响血睾酮水平和运动能力“”】。因此，血睾酮水平变化一直是 运动医学界研究的重点和运动员身体机能监测的常用指标之一。 1 9 8 4 年s c i e n c e 杂志发表了几种黄酮类化合物对哺乳动物芳香化酶抑制作用的 研究【l ”，一萘黄酮( a n f a n a p h t h o f l a v o n e ) ，白杨素( c h r y s i n ) ，芹菜甙元( a p i g e n i n ) 被 发现有此作用，机理可能是通过竞争底物来改变激素的代谢。根据较早期的报道， 白杨素具有提高人体血睾酮的作用。研究表明，给一批3 0 5 9 岁的男性服用白杨 素、雄烯二酮、美洲蒲葵以及刺蒺藜的混合物，发现受试者血清的游离睾酮明显 增加2 0 1 。运动员经常摄入含白杨素的食物可提高运动能力【2 1 1 。c a n l p b e l l 【2 习就几种 黄酮类和异黄酮类化合物的抑制芳香化酶活性与合成的芳香化酶抑制剂药物氨鲁 米特( a m i n o g l u t e t h i m i d e ，a g ) 进行了比较研究，结果发现i , 萘黄酮显示了最强的抑 制活性，而白杨素作为天然植物黄酮类化合物中最强的酶抑制剂，其抑制活性几 乎和氨鲁米特相当。1 9 9 9 年m a k 玎 通过建立酵母筛选系统，也发现通过筛选的旺一 2 萘黄酮和白杨素具有明显的对抗芳香化酶活性的作用。有研究表明【2 4 】，7 ，8 一苯丙 黄酮及类似的黄酮类化合物一白杨素和芹菜甙元能有效地提高2 岁龄雄性大鼠的 性能力及运动能力。 1 2 4 抗焦虑作用o ” 黄酮类化合物对中枢神经系统的作用在最近十年为人们所逐渐认识，p z a n o l i 等对从洋甘菊属及西番莲中提取到的芹菜素和白杨素进行了小鼠实验。结果表明， 在给小鼠注射较小剂量( 2 5m g k g ) 的芹菜素和白杨素溶液时，两种黄酮化合物可以 同等降低小鼠运动能力。然而，当注射剂量低至lm g 1 ( g 时，芹菜素不再具有这种 能力；而白杨素仍能表现出显著的抗焦虑作用。 1 2 5 作为生物催化剂活性作用” 白杨素是一种天然的植物生物催化剂，可用于提高苄青霉素的大规模生产。 利用化学合成培养基进行摇瓶发酵。通过h p l c 监测及进一步确定a p a ( 对氨基 青霉烷酸) 及苄青霉素的生产。用产黄青霉的分生孢子接种1 2 h 后，萌发培养基中 的a p a 水平增加。接种1 4 h 后向培养基中补加自杨素导致苄青霉素的产生。而在 不加白杨素的实验中a p a 的生产开始于接种后2 1 h 。发酵液中游离a p a 的来源 主要是由于一种a p a 和苄青霉素生物发生的独立代谢途径的参与。 1 2 6 抗肿瘤、抗癌作用 黄酮类化合物具有较强的抗癌防癌作用，一般可通过以下三种途径：( 1 ) 对抗 自由基；( 2 ) 直接抑制癌细胞生长；( 3 ) 对抗致癌促癌因子。从植物中提取的具有细 胞毒和抗肿瘤活性的黄酮类化合物大多数是多羟基或多烷基取代的黄酮。5 ，7 一二 羟基黄酮也具有一定的抗癌活性1 2 ”。白杨素及其硝化衍生物对体外培养的人胃癌 ( s g c 。7 9 0 1 ) 细胞和人结肠癌( h t _ 2 9 ) 细胞具有增殖抑制作用【2 8 1 。徐阳炎等【2 9 1 以问三 酚为原料，通过多步反应合成了白杨素，并通过硝化反应得到8 硝基白杨素，采 用小鼠l e w i s 自发性转移肺癌模型治疗实验评价8 硝基白杨素在体内抗肿瘤作 用。研究结果显示，8 硝基白杨素对小鼠l e w i s 肺癌皮下移植瘤和肺转移瘤结节 具有明显抑制效应，并呈剂量相关性，其高剂量的抑制效应与当前经典抗癌药 c t x 相比较，差异无显著性( p o 0 5 ) 。白杨素乙酰化、卤化、三氟甲基化衍生物 对体外培养人胃癌( s g c 2 7 9 0 1 ) 细胞，人急性粒细胞性白血病饵l 2 6 0 ) 细胞和人结 肠癌( h t 2 2 9 ) 纽1 胞具有抑制增殖作用，呈剂量依赖性。 大量研究表明白杨索还具有抗病毒口引、抗高血压【3 ”、抗糖尿病3 2 】、抗菌抗 过敏d 3 1 作用并对人体鼻咽癌具有细胞毒活性【3 4 】等多种药理活性。而且该类化合物 在植物中分布广泛，毒性比较低，因此是新药开发研究中一个非常重要的资源， 具有广泛的开发应用前景。 1 3 黄酮类化合物与金属离子络合作用的研究 1 3 1 黄酮类化合物与金属离子络合作用概述 黄酮类化合物具有较高的超离域度和完整的兀键共轭体系，强配位氧原子及 合适的空间构型，故可作为金属离子的螯合配体，与金属离子形成黄酮金属络合 物【3 ”。目前文献所报道的黄酮配合物的合成方法大多采用先将黄酮碱化成钠盐， 后将该内络盐作为配体与金属离子作用，从而获得黄酮络合物口6 38 1 。例如3 一羟基 黄酮与铝在碱性醇溶液中反应可得到配合物，该反应可降低自由态a l 在体内的 浓度，从而降低或解除铝对人体的毒性 3 9 - 4 1 】。黄芩甙与铝盐反应可生成具有清热 解毒等功效的络合物，与锌、铜作用则可获得具有清除自由基作用的络合物【4 2 1 。 芦丁可与铜、铁、锌等金属离子作用生成配合物，并显示出比母体更强的清除自 由基活性 4 3 - 4 5 1 。葛根素与c a 2 + 、c 一及z n 2 + 作用可生成稳定的络合物“1 。n a r u t o y a m a s h i t a 等人将槲皮苷与c u ”作用得到稳定的配位络合物，并探讨了d n a 氧 化损伤机理j 。 1 3 2 白杨素磺化物与金属离子络合作用研究 白杨素具备4 羰基及5 羟基结构，可与金属离子作用生成配合物。目前关于 白杨素与金属离子络合作用的研究报道还很少。主要有波兰人p u s z 等对白杨素配 合物的研究( 4 8 巧1 1 ，他们以白杨素为先导化合物使其分别与a i ( i i ) 、g a ( i i ) 、t i ( i v ) 、 i n ( 1 1 1 ) 等金属作用得到白杨素配位化合物，并采用红外、紫外、热分析等方法对其 进行了研究。张尊昕研究小组得到了白杨素多核钙配合物 5 2 1 。曾义波、杨南等人 在乙醇的碱溶液中合成了白杨素与l “i i i ) 的配合物峥。 从金属与黄酮配体形成韵各种络合物可以看出，参与配位作用的配体多为结 构上具有3 ，5 位二羟基，或4 羰基、5 羟基的黄酮化合物，且多为单核配合物。 此夕 ，在黄酮金属络合物的表征方面，人们大都延用传统的方法，如红外、紫外、 热分析和络合物稳定常数测定等给出初步的分析口”。这为准确确定黄酮类金属络 合物的分子结构与空间构型，考察络合物的结构与生物活性带来了诸多不便。因 此，对黄酮类化合物进行改造，设法提高其水溶性、配位结晶能力，并进行x 一 射线结构分析，对指导黄酮类化合物的结构修饰和构效关系研究具有非常重要的 意义。 1 4 超分子自组装 1 4 1 超分子作用力”6 1 超分子( s u p r a m o l e c u l e ) 通_ 常是指由两种或两种以上分子依靠分子问相互作用 结合在一起，组装成复杂的、有组织的聚集体，并保持一定的完整性，使其具有 明确的微观结构和宏观特性。由分子到超分子和分子间相互作用的关系，正如由 4 原子到分子和共价键的关系一样。一个稳定的超分子体系，它的体系自由能极小， 分子间的超分子作用可以降低体系的自由能。超分子作用力包括氢键、卅7 c 堆积 作用、静电作用、疏水作用和范德华作用等。氢键和芳环兀7 1 ：堆积作用在超分子 化学中比较重要，将详细介绍。 1 4 1 、1 氢键“7 “ 关于氢键的构成和几何形态有具体的规定。一般氢键的几何形态为：d h a ， d 为氢键的质子给体，简称氢键给体：a 为氢键的质子受体，简称氢键受体( 图 1 2 ) 。氢键的给体一般可以是n 、o 、f 和c l 等电负性比较大的原子，也可以是c ， 由于氢键强弱与它的给体与受体关系比较大，特别是给体，以此为依据可将氢键 分为经典氢键和“软”氢键。经典氢键的给体d 和受体a 均为电负性比较大的原 子，如n 、o 、f 和c l 等。软氢键的给体d 一般为c ，包括各种杂化态的碳，如 c 和、c 班和c 等；受体可以是n 、o 、f 和c l ，也可以是一些共轭体系，如双 键，三键，苯环等 5 6 , 6 0 j 。d 与a 之间的距离称为氢键键长，一般用r 表示，d h a 之间的夹角为氢键键角，用妒表示。氢键键角一般为1 1 0 1 8 0 0 。氢键是具有方 向性的作用力。氢键的键能一般为4 1 2 0k j m o l 4 之间，与氢键的键长r 、氢键给 体d 和氢键受体a 的性质有密切关系。r a ) 越小，妒越接近1 8 0 。，越有利于 电子云重叠，从而降低体系能量，氢键就越强。最强的氢键为f h f ( e = o 2 2n m ， p = 1 8 0 0 ，a e = 2 0 0 k j t o o l 1 ) ，h 位于中间。一般情况下，氢键的h 原子是二配位， 但在有些氢键中，h 原子可以是三配位或四配位，即形成三中心或四中心氢键( 图 l 一2 、a 7 彤r 2 。、 a ，坤 d j 平 a d h d h ：a i f laa 图1 - 2 氢键的几何形态 1 4 1 2 哥堆积作用”1 “” 堆积作用是芳香体系伍) 的一种特殊空间排布，是一种与氢键同样重要的非共 价键相互作用。h u n t e r 等经过理论计算和实验验证指出，兀一兀堆积作用起源于芳 香体系之间不同符号电子云之间的吸引，一般很少出现完全相对的芳香体系的堆 积，因为会产生强烈的排斥作用，常见的堆积作用分为两种：错位面对面堆积作 用( o f f s e tf a c e t o f a c e ) ，即p 型堆积，两个芳香体系基本平行；边对面堆积作用 ( e d g e t o f a c e ) ，即严型堆积，两个芳香体系互相垂直( 图1 3 ) ，有研究认为后者比 前者更为稳定。最常见的兀咀堆积作用就是苯环之间的堆积作用，它们的能量大 小约为l 5 0k j m o l ，多数在1 0k j m o l 1 左右和以下。两个完全平行平面之问的 垂直距离( ) 一般在o 3 5n i n 左右，心心之间距离( d ) 为o 3 3 0 4 0n m ，心心之间的 横向侧移距离为0 1 3r l l n 。对于不完全平行的两个平面，其二面角应该小于2 0 。， 用一个平面的中心到另一个平面的垂直距离代替h 。 f ：型7 ：型 图1 3 堆积作用几何与类型 1 4 2 超分子作用下的分子自组装 超分子识别和自组装是超分子化学研究的两个重要方面，分子自组装的中心 是分子识别。只有通过分子识别，超分子自组装体系才能表现出特定的功能。分 子识别可定义为某给定受体( r e c e p t o r ) 对作用物( s u b s t r a t e ) 或给体( d o n o r ) 选择性结 合并产生某种特定功能的过程 6 9 1 。它包含两方面的内容：一是分子间有几何尺 寸、形状上的相互识别；二是分子对氢键、“芤相互作用等非共价相互作用的识 别。 超分子作用是分子识别和组装的核心。分子自组装是在平衡条件下，分子间通 过非共价相互作用自发组合形成一类结构明确、稳定、具有某种特定功能或性能 的分子聚集体或超分子结构的过程，它是各种复杂生物结构形成的基础。目前自 组装方法已广泛运用于有机和无机化学，并促进了超分子化学的发展，通过自组 装方法已构筑了许多复杂却高度有序的功能分子和超分子实体。自组装主要分为 以下几种类型1 7 0 1 ： 1 4 2 1 氢键驱动自组装 氢键是超分子自组装的基本驱动力之一。若一组分上只带有质子供体，另一 组分上只带有质子受体，则两者形成的自组装体系结构最稳定。如具有光学活性 的4 一磺酸l 苯丙氨酸，该化合物在氢键驱动下自组装形成超分子聚集体【7 ”。 图i 4 氢键驱动4 磺酸l 一苯丙氨酸形成超分子聚集体 6 q 。 1 4 2 2 配位键驱动自组装 配位键驱动自组装在超分子化学领域中占有相当重要的位置【7 2 1 。由于金属离 子和配体的多样性，利用配位键构筑超分子时，人们可以根据金属离子的特性和 配体的结构较好地进行超分子的分子工程设计。如利用配体4 一磺酸一l 苯丙氨酸与 z n 离子配位自组装形成一维链状聚合物( 图1 5 所示) 1 7 l 】。 图1 - 5 日b 位键驱动自组装形成一维链状聚合物 1 4 2 ，3 堆积效应驱动自组装 堆积效应主要包括两种相互作用：m n 相互作用和弘兀相互作用1 7 ”，如利用 4 一烯苄基辛可尼啶与铜离子自组装形成了c u + 一兀相互作用的配位聚合物【7 4 1 ( 图1 6 a 所示) ，图l 。6 b 则显示了毗啶环中7 【作用控制富“一电子的客体与缺“一电子的主 体之间的络合。 黛+ 一。“蕊 ( a ) 图1 。6 a4 烯苄基辛可尼啶与铜离子c u + 相互作用b 在吡啶环中m 雠积作用 1 4 2 4 静电作用驱动自组装 1 9 9 1 年d e c h e r 【7 5 利用静电吸引力将具有阴、阳离子的分子直接组装成有序多 层薄膜。这种膜称为分子沉积膜( 简称m d 膜) 。图1 7 为静电作用驱动自组装m d 的 膜过程。 h 黔 图1 7 静电作用驱动自组装m d 膜过程 、羚、臻 乒一 1 4 2 5 疏水作用驱动自组装 在水溶液或极性溶剂中，非极性分子趋向于聚集在一起，这是由疏水作用导 致，疏水作用是一种方向性较差的弱相互作用。但在超分子自组装过程中也是一 种不可忽视的作用力。例如在环糊精有关的轮烷中，环糊精与有机客体的疏水作 用可使联苯基进入环糊精腔体内( 7 6 1 o 1 42 6 模板驱动自组装 应用分子，离子等作为模板进行的自组装就叫模板驱动自组装 7 7 1 。其特点是 可以使组装的超分子具有独特的结构或功能。主体分子与模板之间的作用力是非 共价键力。 超分子作用的重要性在于其在复杂的、有组织的聚集体的组装，并使这些超 分子保持一定的完整性，使其具有明确的微观结构和在宏观特性方面具有重要的 作用。在超分子作用和配位键的共同作用下金属离子与有机配体自组装成为金属 配位超分子化合物，它在光电材料、人体组织材料、高性能高效率分离材料以及 纳米材料中发挥应有的作用，其实际应用最有可能取得突破的领域是光电材料。 1 5 本论文研究工作的意义 黄酮类化合物是当前植物开发的重要宝库，同时也是提供研制新药的先导化 合物来源。目前许多黄酮类化合物已经是治疗脑、心血管等疾病的临床药物。近 几年来，荧光化学敏感器和分子信号系统使荧光探针的应用有了很大程度的提高 和扩充，使得荧光物质在药物分析1 7 “、电致发光器件、防伪标识及农用薄膜方面 都有广阔的应用前景1 7 9 - 8 0 】。寻求新型的光致发光材料成为当前的重要课题。本文 以黄酮类化合物中的白杨素为研究对象，对其进行磺化得到了两种白杨素磺化物： 白杨素6 一磺酸钠和白杨素8 一磺酸钠。以水溶性白杨素6 一磺酸钠为配体，使其与金 属离子作用，得到一系列结构新颖的白杨素磺化配合物。所合成的白杨素四核镉， 白杨素双核锌磺化配合物还具有光致发光现象，采用x 射线单晶衍射和荧光法测 定了这两种化合物的晶体结构和光致发光性能。在试图以间三羟基苯乙酮为原料 通过全合成法，经磺化，酯化，重排及关环制备白杨素一6 磺酸钠的过程中，发现 了b a k e r - v e n k a t a r a m a n 二次重排反应，得到的最终产物为白杨素和二苯甲酰基甲 烷( d b m ) 。 1 5 1 白杨素一6 一磺酸根与金属离子的自组装作用和晶体结构研究 为了丰富白杨素的性质，改善其性能，我们以白杨素为先导，磺化得到两种 黄酮体磺酸盐：5 ，7 二羟基黄酮- 8 磺酸钠和5 ，7 二羟基黄酮一6 一磺酸钠的混合物。 通过络合解聚的方法，将其分离。以5 , 7 一二羟基黄酮一6 一磺酸钠为配体与金属离子 作用得到四种结构迥异的配合物：白杨素双核锌配位化合物 z n ( c 。5 h 8 0 7 s ) ( d m s o ) 2 h 2 0 、白杨素四核镉配位化合物( 【( c d ( c 1 5 h 8 0 7 s ) ( h 2 0 ) ( d m s o ) 3 c d ( c i s h 8 0 t s ) ( h 2 0 h 3 d m s o h 2 0 、白杨素磺酸钡配位聚合物 b a ( c 1 5 h 9 0 7 s ) 2 】。及白 杨素磺酸铜配位化合物 c u ( c 1 5 h 8 0 7 s ) ( 3 h 2 0 ) ，对它们的晶体结构进行了研究。 1 5 2 白杨素磺化配合物的光致发光性能 光致变色材料在光信息存储及光开关等多方面的应用前景，近些年备受瞩目。 迄今为止，人们已经发现了数百种光致变色化合物，其中大多数是有机化合物， 属于配合物的较少。本论文合成的白杨素双核锌配位化合物和白杨素四核镉配位 化合物的固体均具有较强的光致发光现象。 白杨素双核锌配位化合物的固体在沁x = 4 2 3n n l 条件下可发出九e m = 4 8 8n n l 的黄色荧光，白杨素四核镉配位化合物在九e x = 4 4 0i r a 条件下可发出丸e m = 4 9 6n l n 的黄绿色荧光，结合晶体结构对其光致发光机制进行了探讨。这两种配合物符合 发光材料高量子效率的荧光特性，且荧光光谱主要分布在4 0 0 7 0 0n i n 可见光区 域内，是新型的荧光材料。 1 5 3b a k e r - v e n k a t a r a m a n 二次重排反应 在以间三羟基苯乙酮为原料制备白杨素磺化物的过程中发现了b a k e r - v e n k a t a r a m a n 二次重排。白杨素为b a k e r - v e n k a t a r a m a n 次重排产物，b a k e r v e n k a t a r a m a n 二次重排产物为二苯甲酰基甲烷( d b m ) 。 本课题的研究工作利用磺化反应给白杨素分子中引入磺酸基( s 0 3 ) 合成水溶 性黄酮磺化配体。在白杨素中引入的磺酸根的氧原子可以参与到与金属离子的配 位中，使其可作为多齿配体，与金属离子发生配位作用。此外，磺酸基具有显著 的定向形成氢键的特性，并呈现较强的配位倾向，能有效引导超分子自组装【8 1 4 2 1 ， 制备了一系列结构新颖、性质独特的超分子化合物。通过对白杨素磺化衍生物晶 体结构和超分子作用的研究，可以更精确的了解分子的立体构型和构象、分子间 的相互作用和分子堆积以及各个原子的振动幅度等，为开发新型的、高技术含量 的新药及新型荧光材料提供了理论基础。 第二章白杨素的磺化反应 在白杨素的结构修饰中，磺化反应是制备水溶性黄酮衍生物的一个重要方法。 2 0 0 1 年，波兰的p u s z 【4 8 j 等人在对白杨素进行磺化时得到了白杨素的b 环磺化产 物：白杨素4 磺酸钠，该磺化物在水中具有较好的溶解度。研究发现，磺化产物可 以有效改善黄酮类化合物母体的溶解度，解决临床中存在的生物利用度低、吸收 差和显效慢的特点，使得白杨素新药的研制开发成为现实。以此为依据，我们对 白杨素进行了磺化，得到两种白杨素的a 环磺化产物：白杨素一6 一磺酸钠和白杨素 8 一磺酸钠，并对磺化反应的机理进行了讨论。 2 1 白杨素的磺化反应 2 1 1 仪器及试剂 n i c o l e tl7 0 s xf t i r 红外光谱仪( k b r 压片) ：b r u k e ra v 1 3 0 0 超导核磁共振 仪( d m s o d 6 为溶剂) ：v a r i o e lh ic h n s 元素分析仪。 白杨素购于江苏省南通利天化工有限公司( 纯度 9 8 ) ；乙二胺四乙酸二钠购 于西安化学试剂厂( 纯度 9 9 ) ：其它试剂为分析纯。 2 1 2 白杨素磺化反应及磺化产物表征 2 1 2 1 白杨素的磺化反应 白杨素2 0g 置于2 5m l 圆底烧瓶中，加入1 0 m l 浓 王2 s 0 4 在8 0 水浴下反 应1 2h ，冷却至室温，倾入1 0 0 m l 饱和n a c i 水溶液中，析出黄色沉淀，静置2h ， 过滤，再用饱和n a c l 水溶液将沉淀洗至中性，给滤出的沉淀物加水2 0 0m l ，溶 解，称取3gn a c i 固体加入其中，出现混浊，加热溶解，静置过夜，析出黄色沉 淀，过滤。将滤出的黄色沉淀用5 0 m l 水溶解，加入饱和z n s 0 4 溶液8 m l ，生 成不溶于沸水的沉淀，将其趁热过滤后，在含水1 0 的d m s o 溶液中重结晶得亮 黄色片状晶体1 5g ，为白杨素双核锌( 1 ) ，产率为3 9 5 ，晶体结构研究见3 2 2 。 所得滤液冷却后析出浅黄色针状晶体1 6g ，为5 ，7 一二羟基黄酮- 8 一磺酸锌( 2 ) ，产 率为5 5 6 ，其1 h n m r 光谱图见附图1 。 化合物1 ：1 hn m r ( d m s o 一哦，3 0 0m h z ) 6 ：7 0 1 ( s ，1 h ，h - c 3 ) ，6 5 2 ( s ，1 h ，h c 8 ) ， 7 5 7 - 7 5 9 ( m ，3 h ，h - c 2 ，h c 4 ，h c 6 ，8 0 8 ( d ，2 h ，h c 3 0h c 5 ，1 2 7 1 ( s ，i h ，o h c 7 ) p p m - i r ( k b 0v ：2 3 6 0 ，1 6 3 l ( s ) ，1 4 9 6 ( s ) ，1 1 7 3 ( b gw ) ，1 0 0 5 ( s ) ，1 0 3 6 ( s ) ，9 5 8c m - 。 a n a l c a l c d f o r c 3 4 h 3 0 0 1 7 8 4 z n 2 ：c4 2 1 2 ，h3 1 2 ；f o u n d c 4 2 1 2 ，h3 3 5 化合物2 ：1 hn m r ( d m s o 一碗，3 0 0m h z ) d ：7 1 3 ( 1 h ，s ，h - c s ) ，6 2 1 ( i h ，s ，h c 6 ) ， 7 6 0 ( 3 h ，i n ，h c 2 一，h - c 4 一，h c 6 ，8 3 3 ( 2 h ，q ，t t c sr ，h c 5 ，1 2 4 9 ( 1 h ，s ，h o c 7 ) ， 1