（有机化学专业论文）吡啶脲基化合物的合成、分子识别及配位化学研究.pdf

中文摘要 本文利用简便的合成方法制各了四个2 吡啶脲基化合物，分别是n 苄基 n ( 2 吡啶基) 脲( h i ) 、- - ( 2 - 吡啶脲基) 乙烷( 1 t 2 ) 、- - ( 2 一吡啶脲基) 己烷( 1 t 3 ) 、 - - ( 2 一吡啶脲基) 间二甲苯( t 1 4 ) ，使用红外光谱、核磁共振氢谱表征了化合物的 结构。研究了这四个化合物的自组装行为，得到了其中一个化合物( n 苄基- n ( 2 吡啶基1 脲) 的晶体结构，分析了该化合物在固体状态下的二聚行为。 研究了这四个具有a d d 形式的主体分子( 2 吡啶脲基化合物) 对具有d a a 形式的客体分子( 胞嘧啶) 的识别行为。采用紫外可见分光光度滴定法定量地测 定了它们的识别络合作用，利用b e n e s i h i l d e b r a n d 方程作图的方法计算得到了 它们的络合化学计量比和识别常数，著分析了主体分子结构的不同对胞嘧啶识别 常数大小的影响。同时，还借助于核磁共振氢谱对识别作用做了进一步的解释。 研究结果表明，四个2 吡啶脲基化合物对胞嘧啶分子均具有较强的识别作用。 选择了化合物h i ( n - 苄基- n ( 2 吡啶基) 脲) 为配体，通过与氯化铜和氯化 钴反应得到了具有六配位八面体结构的c o ( i i ) 、c u ( 1 i ) 配合物，并对该配合物进 行了红外光谱性质分析。通过x 射线衍射解析其晶体结构，研究了配合物的晶 体结构特征，该配合物通过n - h c 1 分子间氢键作用形成一个二维的网络结构。 关键词：吡啶脲基化合物，自组装，分子识别，晶体结构，配合物 a b s t r a c t f o u r s u b s t i t u t e d u r e a s ， n b e n x y l - n p y r i d i n 一2 y l u r e a ( 1 1 1 ) ， b i s ( n p y r i d i n - 2 一y l u r e a ) e t h a n e ( 1 1 2 ) ，b i s ( n p y r i d i n - 2 - y l u r e a ) h e x a n e 0 t 3 ) ， b i s ( n p 蜘d n 2 y l u r e a ) - 2 ，6 - d i m e t h y l b e n z e n e ( h 4 ) h a v eb e e ns y n t h e s i z e d 、析t l lt h e s i m p l em e t h o d t h e s ec o m p o u n d sb e a ro n eo rt w op y r i d i n e - 2 y l u r e am o i e t i e s t h e i r s t r u c t u r e sw e t ec o n f i r m e db yi ra n d1 hn m r t h es e l f - a s s e m b l ya c t i o ni n v o l v e di n c o m p o u n dh 1w a ss t u d i e db yt h ea n a l y s i so f i t sc r y s t a ls t r u c t u r e t h ef o u rs u b s t i t u t e du r e a sc o n t a i nt h ea d d p a t t e r n , w h i l ec y t o s i n eh a st h ed a a p a t t e r n w js t u d i e dt h e i rm o l e c u l a rr e c o g n i t i o na c t i o nu s i n gt h ef o u rs u b s t i t u t e du r e a s a sh o s t sa n dc y t o s i n ea sg u e s t w ed e t e r m i n e dt h ea s s o c i a t i o nc o n s t a n t sw i t ht h e u v - v i ss p e c t r at i t r a t i o n ，a n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo ft h es 臼m 船o fh o s t so nt h e a s s o c i a t i o nc o n s t a n t s t h e1 hn m rs l o e c t r aw e r eu s e dt oe l u c i d a t ef u r t h e rt h e r e c o g n i t i o na b i l i t i e s 1 1 l er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r ei sas t r o n gr e c o g n i t i o na c t i o n b e t w e e nt h ef o u rs u b s t i t u t e du r e a sa n dc y t o s i n e o n e c 0 0 1 ) a n dc u ( i i )c o m p l e x e s o b t a i n e d b y t h er e a c t i o n so f n b e n x y l - n - p y r i d i n - 2 y l u r e al i g a n dw i t hc o c l 2a n dc u c hh a v eb e e np r e p a r e da n d c h a r a c t e r i z e d s i n g l e - c r y s t a l s t r u c t u r ea n a l y s i sr e v e a l e dt h a tt h et w oc o m p l e x e s f o r m e dt w od i m e n s i o n a ln e t w o k sb yt h en h c lh y d r o g e nb o n d i n gi n t e r a c t i o n s i n a d d i t i o n , t h ep r o p e r t i e so ni rs p e c t r ao ft h el i g a n da n dt h ec o m p l e x e sh a v eb e e n s t u d i e d k e yw o r d s ：p y r i d i n e - 2 - y l u r e a d e r i v a t i v e s ，s e l f - a s s e m b l e ，m o l e c u l a r r e c o g n i t i o n , c r y s t a ls t r u c t i l r e ，c o m p l e x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞叁茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：可啪兰 签字日期：2 。口g 年三月琴日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权蠢鲞盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 罗觊生 签字日期：2 d d 6 年2 月2 s 日 导师签名：j 氏足窃 签字日期：& d 酊年及月a 日 天津大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 超分子化学简介 第一章前言 超分子化学的概念早在2 0 世纪3 0 年代就已经出现，而作为一门学科的概念 则是在l e h n 获诺贝尔奖演讲中得到了最系统地阐明 1 1 。对应于由原子与原子通 过共价键连接起来而形成分子的分子化学，超分子化学是基于分子间非共价键相 互作用而形成的分子聚集体。图1 - 1 概述了从分子到超分子的发展【2 j 。超分子化 学也许可以称为“分子以外的化学”，它是高复杂性的有组织的实体，是一个或 更多个化学单体通过分子间的力而形成的。超分予比分子更高一个层次，原子、 分子、超分子就像英文中字母、单词与句子一样。超分子整体可以由组元、组元 的空间安排，结构及连接这些组元的键的性质所表征。 b 、 c 7 。 a l 化学 弋 分子 超分子 图1 1 从分子化学到超分子化学 f i g 1 - 1 f r o m m o l e c u l a r t os u p r a m o l e c u l a r c h e m i s t r y 超分子化学的发展形成了两个新的概念：一、弱的相互作用在一定的条件下 可以通过加和与协同转化为强的结合力，及通过组装可使超分子体系具有新的禀 性；二、分子已不再是保持物性最小的单位。 超分子化学可以分为两类：一、分离的寡分子样品，它是由于n 个组元根据 分子识别原理分子间结合形成的；二、超分子组装体，它是大数目组元( 数目可 能不确定) 的特殊的状态的样品i ”。 函 甓 删姚 韩 天津大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 1 超分子体系中的分子识别 ， 所谓分子识别就是主体( 或受体) 对客体( 或底物) 选择性结合并产生某种 特定功能的过程，是组装及组装体功能的基础。分子识别、转换和传输是超分子 物种的基本功能。分子识别是自然界生物进行信息存储、复制和传递的基础，例 如基因、酶和生物膜的功能都是基于分子识别的原理得以实现的。以分子识别为 基础，研究构筑具有特定生物学功能的超分子体系，对揭示生命现象和过程具有 重要意义，并可能给化学研究带来新的突破；同样以分子识别为基础，设计、合 成、组装具有新颖光、电、磁性能的纳米级分子和超分子器件，将为材料科学提 供理论指导和新的应用体系，为改善人类生活质量做出重要贡献。分子识别既是 分子器件信息处理的基础，又是组装高级结构的必由途径 4 1 。分子识别具有高度 的专一性，其关键是要研究清楚超分子体系中分子间弱相互作用是如何协同、加 和，之后又是怎样产生方向性和选择性的。它包含两方面的内容：一是分子间几 何形状与尺寸的相互识别；二是分子间弱相互作用( 如范德华力、氢键、加石相 互作用、静电相互作用、疏水相互作用等) 的识别。即分子识别过程需要受体与 底物之间空间匹配，立场互补。当主体和客体的分子形状和结合位点在几何和电 子的特点上有互补关系时，上述各种弱相互作用中的一种或多种就会协同作用进 行分子识别。有机分子的结晶过程被认为是分子识别最为准确和典型的实例，有 机分子晶体是上百万个分子通过极其准确的相互识别自我构造的组装体。分子识 别主要可分为对离子客体的识别和对分子客体的识别。 1 1 2 超分子体系中的分子组装 超分子化学的一个重要目标是研究组装过程以及组装体，并且通过分子组装 形成超分子功能体系。分子组装涉及到两个基本概念：组织和自组纠5 1 。组织就 是一个系统的要素按着特定的指令，形成特定的结构和功能的过程；而自组织是 指系统的要素按彼此的相干性、协同性或某种默契形成结构和功能的过程。组织 与自组织的区别在于有无外界特定干预或信息来源的不同，自组织不是按系统内 部或外部的指令完成的，而是根据事物运动变化的规律和特定条件完成的。分子 识别是分子组装的基础，只有具备分子识别功能的组装方式才能保证组装体系的 有序性。目前分子组装一般是通过模板效应、自组装、自组织来实现的【州。 生物的奥秘和神奇不是由于特殊的结合力和特殊的分子与其体系，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根据个别组件的特 征无法预测的薪特性。天然体系所具有的自组装性、应答性、协同性与再生性， 也正是人工体系所追求的目标。因为大自然并没有穷尽化学的所有可能性，我们 天津大学硕士学位论文第一章前言 可以依照自然法则去开发与创造具有新的功能且能与天然体系媲美甚至优于天 然体系的人工体系，如超分子功能材料及智能器件、分子器件与机器、d n a 芯 片，导向及程控药物释放与催化抗体、高选择性催化剂等等。它们在诸多科学和 技术的领域已经展开了良好的应用前景。 1 2 氢键相互作用 分子间的相互作用主要包括范德华力，静电引力，氢键，疏水相互作用力等。 在诸多的相互作用中，氢键是一种非常重要的分子间作用力。氢键在自然界广泛 存在，尤其是在生命科学中，氢键的作用显得尤为突出。1 9 3 6 年，m i r s k y 和p a u l i n g 指出保持肽键折叠结构的主要因素是氢键的存在。1 9 5 0 年，p a u l i n g 和c o r e ) , 的 n 角蛋白的舡螺旋结构说划时代地确立了氢键的生物学地位。1 9 5 3 年， w a t s o n - c r i c k 提出了d n a 的双螺旋结构模型，认为两个链的互补结构是因为一 个链上的嘧啶基和另一个链上的嘌呤基之间发生了氢键相互作用【”。 氢键由给体( d o n o r , d 。给体由通过共价键结合在一起的氢原子和电负性强 的原子组成) 和受体( a c c e p t o r , a 电负性强的原子) 基团组成。氢键代表了一 个质子给体与一个受体之间相互作用的关系。归纳起来，氢键具有以下几个特点 s l ：( 1 ) 成键对象的有限性：只有少数几个电负性较强的原子( f ，o ，n ，c i 等) 才能生成氢键，而且两个成键原子的电负性相差越大，氢键的强度也越大。 ( 2 ) 氢键的方向性：氢键a h b 大致可以看成是直线，当实际上发生偏离直 线时，键能就会大大削弱。( 3 ) 氢键具有饱和性：氢原子的配位数不超过2 。( 4 ) 键能的适宜性：氢键键能一般为4 4 0l o m o l ，既不太强，也不太弱，这对生物 高分子功能的发挥是很重要的。( 5 ) 氢键具有不对称性：在几乎所有的氢键中， 氢原子总是比较靠近两个毗连的电负性原子中的一个。( 6 ) 氢键的交换性：即氢 键的主键部分可以与此键部分发生翻转a h b a h b 。( 7 ) 氢键的协同性： 氢键群在生物体内往往表现出某种“社会性”协同关系。( 8 ) 氢键的可塑性：氢 键可以弯曲，拉长和压缩。 表1 1 列出了部分氢键的类型及强度大小。传统上，氢键可以分为分子内氢 键和分子闻氢键两类：按照形成氢键的数目，氢键又可以分为单氢键和多氢键。 单氢键相互作用的强度主要取决于给体和受体的强度，给体与受体的电负性越 强，氢键的强度越大。例如，f 原子是一个电负性非常强的原子，其氢键f h f 的强度很大；在自然晃种最常见的氢键具有中等强度，如：n h ”n ，n - - h 0 ， o h o 。 天津大学硕士学位论文 第一章前言 表1 一l 常见氢键的类型及强度 t a b l e1 - it y p e sa n di n t e n s i t yo f u s u a lh y d r o g e nb o n d s 元素绘体绘体的强受 蹙体 受体强度 f 。菲常强 f不h 非常强 f 趣摇 0 一h ( m a n 强 。o - i , o - s ， 强 o a c i d )o c 强 o - h 0 n 臻旧l 口 厶电0 s s ，中等强度 o o ra l c o h o i s中等强度c i i a 2 0 ,中等强度 h - o - c c - o - c n n + h强c = n c 中锷强度 nn h 中等强度 n ( r ) 3 中罅强度 s$ h弱s 中等弱 c( 一h 弱n - e l e c t r o n s群 多个平行的或近似平行的一组氢键常常会发生协同作用，因此与单氢键相 比，多氢键相互作用具有强度大，方向性和专一性强的特点。在自然界和生命科 学中，多氢键相互作用较为广泛。例如，作为生命遗传物质的d n a 分子，两条 链上的碱基依靠多氢键相互作用进行配对，从而使两条链紧密地结合在一起。如 腺嘌呤( a ) 和胸腺嘧啶( t ) ，鸟嘌呤( g ) 和胞嘧啶( c ) 互相配对，结构图 ( 图1 - 2 ) 如下： 辫豫畴嚏嚷峥 艉赌碇鸟唆崎 图l - 2 碱基通过氢键进行配对的结构图 f i g 1 - 2t h es t r u c t u r eo f c o m p o u n d sc o n j u g a t e db yh y d r o g e nb o n d i n g 天津大学硕士学位论文第一章前言 多氢键络合物的结合强度主要取决于该组氢键中单氢键的强度和氢键的数 目【9 】。s c h n e i d e r 1 0 】指出，在不存在空间阻力、电荷转移、堆积作用等其它效应 时，络合物的结合能同氢键数目线性相关。单个氢键的强度越大，氢键数目越多， 多氢键络合物的结合强度越大。值得注意的是，多个氢键的强度除与单个氢键中 给体的酸性和受体的碱性、氢键的数目有关之外，还与给体和受体基团的组织类 型有关 i i - 1 2 1 。如在三氢键体系中，给体( d ) 与受体( a ) 基团得组织类型不同， 多氢键的结合能有很大的差别。例如，图1 3 ( a - c ) 列出了三组具有不同结合能 的三重氢键体系。这三种不同的多氢键体系之所以具有不同的结合能是因为络合 物中不仅存在着三个氢键的相互作用，还存在着相互吸引或排斥的次级相互作 用。图( a ) 中除了存在三个氢键相互作用外，还存在着四个相互排斥的次级相互 作用；图( ”中存在两个相互吸引和两个相互排斥的次级相互作用；图( c ) 中 存在四个相互吸引的次级相互作用。因此，三个多氢键体系中( c ) 的结合能最大， f b ) 的结合能次之，( a ) 的结合能最小。实验所测的络合常数也证明这一点，由 此可以看出，a a a - d d d 络合方式是最稳定的【1 3 4 1 。 h - - - n l h k f l 靠) 0 3 m 诫 融i 以l o 新1 了o d 又 t d 7d 胁棚t 。 a 疋- 、d 一h y 出o g b o n d 怕c t i 谨5 k o r i d a f yi m e 嘲| 舯 r 酬妇础j m w l 两 图1 3 三重氢键络合体系 f i g 1 - 3t h er e c o g n i t i o ns y s t e mw i t ht r i p l eh y d r o g e n - b o n d i n g c d f c ( 1 )1 1 8 5 2 ( 1 7 )c ( 8 ) - c ( 9 ) - h ( 9 ) l1 9 8 c ( 3 ) - c h ) - h ( 2 a ) 1 2 0 7 c ( 1 0 ) - c ( 9 ) h ( 9 ) 11 9 8 c ( i ) - c ( 2 ) - h ( 2 a ) 1 2 0 7 c ( i1 ) - c ( 1 0 ) - c ( 9 )1 2 0 4 7 ( 1 9 ) c ( 2 ) - c ( 3 ) - c ( 4 )1 1 9 7 7 ( 1 7 )c ( i d - c 0 - h ( 1 0 ) 1 1 9 8 c ( 2 ) - c ( 3 ) - h ( 3 a ) 1 2 0 1 c ( 9 c ( 1 0 ) - h ( 1 0 ) 1 1 9 8 c ( 4 ) - c ( 3 ) - h ( 3 a ) 1 2 0 1 c ( 1 2 ) - c ( 1i ) - c ( 1 0 )1 1 9 4 5 ( 1 外 c ( 5 ) - c ( 4 ) - c ( 3 ) l1 7 7 9 ( i n c ( 1 2 ) - c ( 1i ) - h ( i1 ) 1 2 0 3 c ( 5 ) - c ( 4 ) _ h ( 4 ) 1 2 1 1 c ( 1 0 ) - c ( 11 ) - h ( i1 ) 1 2 0 3 c ( 3 ) - c ( 4 ) - h ( 4 ) 1 2 1 1 c ( 1 1 ) - c ( 1 2 ) - c ( 1 3 )1 2 0 1 1 ( 1 9 1 n ( 1 ) - c ( 5 ) - c ( 4 )1 2 4 5 0 ( 1 8 )c ( 1 1 ) - c ( 1 2 ) - h ( 1 2 ) 1 1 9 9 n ( i ) - c ( 5 ) - h ( 5 ) 1 1 7 7 c ( 1 3 ) - c ( 1 2 ) - h ( 1 2 ) i1 9 9 c ( 4 ) - c ( 5 ) 一h ( 5 ) 11 7 7 c ( 1 2 ) - c ( 1 3 ) - c ( 8 )1 2 1 1 1 ( 1 8 ) - 2 5 - 天津大学硕士学位论文 第二章2 吡啶脲基化合物的合成与组装 o ( 1 ) - c ( 6 ) - n ( 3 )1 2 2 9 7 ( 1 6 1c ( 1 2 ) - c ( 1 3 ) - h ( 1 3 ) 1 1 9 4 o ( 1 ) - c ( 6 ) - n ( 2 ) 11 9 i1 ( 1 6 ) c ( 8 ) - c ( 1 3 ) - h ( 1 3 ) 1 1 9 4 n ( 3 ) - c ( 6 ) - n ( 2 ) 11 7 9 0 ( 15 1 表2 - 5 化合物h 1 的扭转角数据( o ) t a b l e2 - 5t o r s i o na n g l e s ( 。) o f c o m p o u n dh 1 a t o m s a n g l e ( 6 ) a t o m s a n # e ( 。) c ( 5 ) - n ( i ) - - c ( 1 ) - c ( 2 )0 8 ( 2 ) c ( 1 ) - n ( 2 ) - c ( 6 ) - n ( 3 ) 1 9 ( 3 ) c ( 5 ) - n ( 1 ) - c ( i ) - n ( 2 )一1 7 9 3 7 ( 1 4 )c ( 6 ) - n ( 3 ) - c ( 7 ) - c ( 8 )- 8 8 2 0 ( 1 9 ) c ( 6 ) - n ( 2 ) - c ( i ) - n ( i )3 o ( 2 )n ( 3 ) - c ( 7 ) - c ( 8 ) - c ( 9 ) 4 0 ( 2 ) c ( 6 ) - n ( 2 ) - c ( 1 ) - c ( 2 )一1 7 7 1 3 ( 16 )n ( 3 ) - c ( 7 ) - c ( s ) - c ( 1 3 )一1 7 6 3 9 ( 1 5 ) n ( i ) = c ( i ) - c ( 2 ) _ c ( 3 ) o 1 ( 2 ) c ( 1 3 ) - c ( 8 ) - c ( 9 ) - c ( 1 0 ) - o 9 ( 2 、 n ( 2 ) - c ( 1 ) - c ( 2 ) - c ( 3 )- 1 7 9 9 2 ( 1 5 ) c ( 7 ) - c ( 8 ) - c ( 9 ) - c ( 1 0 ) 1 7 8 6 5 ( 1 5 ) c ( 1 ) - c ( 2 ) - c ( 3 ) - c ( 4 )- o 6 ( 3 )c ( 8 ) - c ( 9 ) - c ( 1 0 ) - c ( 11 )o 6 ( 3 ) c ( 2 ) - c 0 ) - c o ) - c ( 5 )0 5 0 1c ( 9 ) - c ( i o ) - c ( ii ) - c ( 1 2 )_ o 3 0 1 c ( 1 ) - n ( i ) - c ( 5 ) - c ( 4 )o 9 ( 3 )c ( 1 0 ) - c ( 1 1 ) - c ( 1 2 ) - c ( 1 3 ) o 2 ( 3 ) c ( 3 ) - c ( 4 ) - c ( 5 ) - n ( 1 ) o 3 ( 3 ) c ( i 1 ) - c ( 1 2 ) - c ( 1 3 ) - c ( 8 ) o 5 0 1 c ( 7 ) - n ( 3 ) - c ( 6 ) - o ( 1 ) 2 9 ( 2 ) c ( 9 ) - c ( 8 ) - c ( 1 3 ) - c ( 1 2 ) o 9 ( 3 ) c ( 7 ) - n ( 3 ) - c ( 6 ) - n ( 2 )一1 7 8 4 6 ( 1 4 )c ( 7 ) - c ( 8 ) - c ( 1 3 ) - c ( 1 2 )- 1 7 8 7 2 ( 1 们 c ( 1 ) - n ( 2 ) - c ( 6 ) - o ( 1 )1 7 9 3 9 ( 1 5 1 表2 - 6 化合物h 1 的氢键数据( a 。) t a b l e2 - 6h y d r o g e n b o n d i n gg e o m e t r y ( a ，。) o f c o m p o u n d l d h a d ( d - h ) d ( h a )d ( d a ) q d h a ) n ( 3 ) - h ( 3 ) n ( 1 )0 8 8 8 ( 1 6 )1 9 9 5 ( 1 6 )2 7 0 6 ( 2 )1 3 6 1 ( 1 4 ) n ( 2 ) - h ( 2 ) o ( 1 w 10 8 9 7 ( 1 7 )1 9 6 8 ( 1 8 )2 8 6 2 ( 2 )1 7 4 3 ( 1 5 ) s y m m e t r yc o d e ：( i ) - x + 1 ，- y ，- z + 1 2 6 天津大学硕士学位论文第三章2 吡啶脲基化合物对胞嘧啶的分子识别研究 第三章二吡啶脲基化合物对胞嘧啶的分子识别研究 3 1 引言 分子识别是超分子化学中最基本也是最重要的过程之一，是酶和受体选择性 结合底物的根源，也是超分子反应的源泉。发展针对特定客体分子具有选择性识 别作用的主体分子，研究其识别行为，不仅有助于理解、研究生物体系中分子识 别机制，而且在药物分子输送、生物传感及分子器件等领域具有广阔的应用前景。 超分子化学中的识别作用可以通过很多不同的物理方法进行表征。络合常数 的测定是对这些络合物定量分析的一部分。测定络合常数的方法很多，一般有紫 外可见分光光度滴定法【5 9 1 、荧光滴定法1 6 0 、核磁共振滴定法【6 “、圆二色谱法【6 2 1 、 质谱法f 6 3 1 、红外光谱法、电位分析法嘲、溶剂萃取法1 6 6 、量热法 6 7 1 等，并建 立了一系列的理论和经验公式以计算形成超分子络合物的络合常数，定量地考察 识别作用的强弱程度。在众多的测定方法中，常见的有紫外可见分光光度滴定法 和核磁滴定法。本文采用紫外可见分光光度滴定法定量地测定了合成的2 吡啶脲 基化合物与胞嘧啶分子的识别络合作用，并借助于核磁共振氢谱对识别作用做了 进一步的解释。 3 2 实验原型5 4 】 3 2 1 紫外可见分光光度滴定法 化合物紫外光谱的变化反映了化合物结构的微小变化，因而主客体形成超分 子络合物后引起主体或客体的结构变化，可通过其紫外光谱的变化反映出来。紫 外光谱滴定法正是利用了这一原理，通过形成络合物前后光谱的变化及主客体化 合物之间浓度的关系计算形成络合物的络合常数。 在紫外滴定实验中，固定主体( h ) 浓度，改变加入客体( g ) 的浓度，或 固定客体浓度，不断改变加入主体的浓度，会引起主体或客体的特征吸收发生变 化。通常，如果主客体之间有识别络合作用、形成超分子络合物，则其特征吸收 呈规律性上升或规律性下降趋势。 天津大学硕士学位论文第三章2 吡啶脲基化合物对胞嘧啶的分子识别研究 根据主客体结构和性能的不同，可以形成多种类型的超分子络合物。按照不 同的络合物类型及相应的络合平衡方程，可以推导出络合物的络合常数( k a ) 公式。 3 2 1 1 线性拟合( b e n e s i h i l d e b r a n d 方程) 6 8 - 7 1 】 当主客体间形成化学计量为l ：n 型超分子络合物时，体系存在如下平衡： h + n g 8h g n 主体( h ) 和客体( g ) 的初始浓度分别为【h 】o 和【g 】0 ，达到平衡时，主体 ( h ) 、客体( g ) 和超分子络合物( h g n ) 的浓度分别为 h 、 g 、 h g n 】， 则络合稳定常数( k 矗) 可以表示为： k a ：! 璺!( - 1 )【j 【h 】【g 】n 根据质量平衡： 【h 】+ 【h g 。】_ 【h 】0( 2 ) 【g 】+ n 【h g n l - 【g 】0( 3 ) 实验中，保持客体浓度远远大于主体浓度，即 g o h 0 ，则( 3 ) 中 h g n 可以忽略， 【g 】= 【g 】0 ( 4 ) 将式( 2 ) 、( 4 ) 代入式( 1 ) ，经过变化后得： 【h g 。】 k a = ( 5 ) ( 【h 1 0 _ 【h g n 】) 【g 1 0 n 由于在滴定过程中采用同样浓度的客体做参比，消除了客体的影响，所以主 体络合前后，溶液紫外一可见吸收强度可以分别表示为： a o = e o b 【h 】o ( 6 ) a 2 e o b 【h 】+ e ：l b 【h g n 】 2 e ：0 b ( 【h 】0 一【h g n 】) + l b 【h g n 】 ( 7 ) 其中，0 和1 分别为主体( h ) 和超分子络合物( h g 。) 的摩尔消光系数， b 为样品池光路长度( 通常为1c m ) 。则式( 6 ) 、( 7 ) 中的b 项可以略去， a a = a o - a = ( o 一1 ) 【h g n 】= 【h g n 】 ( 8 ) 天津大学硕士学位论文第三章2 一吡啶脲基化合物对胞嘧啶的分子识别研究 将式( 8 ) 代入式( 5 ) ，整理后得到： ! 型型! 一：j 一+ ! 旦 ( 9 ) _-_。、j a k a a e 实验中，固定主体的浓度，以【g 】o n 对【h 】o 【0g 】0 n a 作图，若为直线关系， 则主客体形成l ：n 型超分子络合物。根据直线的截距和斜率可求出络合物的络 合常数k a 。 n 可以是1 ，2 ，3 ，也可以是1 2 ，1 3 ，1 4 等。当n = 1 时，即为 b e n e s i h i l d e b r a n d 方程( 1 0 ) ： h 】0 【g 】01 【g 】o = + ( 1 0 ) a k a a 若实验中采取固定主体浓度的方法，则对于某一主体来说，【h 】0 为一常数， 方程( 1 0 ) 经过变形后可得： 1 a a k a 【g 】0 l + ( 1 1 ) a 式中a = h 】0 ，以1 【g 】0 对1 a 作图，可得一条直线，说明主客体间 形成了1 ：l 型络合物。根据直线的截距1 a 和斜率l ( a k a ) 可求出络合常数k a ， 由下式计算出自由能变化： g = 一l u l n k a ( 1 2 ) 3 2 1 2 曲线拟合 7 2 , 7 3 1 b e n e s i h i l d e b r a n d 方程( 或其它线性拟合方程) 要求客体浓度远远大于主体 浓度，但在实验中有时可不易做到，仍按b e n e s i h i l d e b r a n d 方程处理常常会引 入较大的误差。如果降低客体浓度，又会背弃b e n e s i h i l d e b r a n d 方程推导的前 提条件。 利用曲线拟合方法求解主客体络合常数，既不需要近似处理，又不必在实验 上满足主客体间的浓度比例的限制。由于电子计算机的普及与发展，曲线拟合法 将会成为一种快捷的数据处理方法，而且可以给出可靠的结果。 主客体形成化学计量1 ：1 的络合物时， 【h g 】 k a = ( 【h 】0 一【h g 】) ( 【g 】0 - 【h g 】) ( 1 3 ) 天津大学硕士学位论文第三章2 - 吡啶脲基化合物对胞嘧啶的分子识别研究 将式( 8 ) 代入式( 1 3 ) ，得到： a a 2 一( 【h 】o + 【g 】o + 1 k a ) z x a + 2 【h 】o 【g 】o = 0 以a 为变量，解方程( 1 4 ) ，得式( 1 5 ) ： x a = 1 2 z x ( 阻】o + 【g 】o + 1 k a ) 士 讴面面再币面而面巧五面百万) ( 1 4 ) ( 1 5 ) 将固定的主体浓度【h 】o ，不同浓度的客体 g 】0 引起的紫外- 可见光谱变化 a 代入式( 1 5 ) ，以非线性最小二乘法进行拟合，可求得络合物的络合常数k a 和摩尔消光系数8 。 3 2 2 核磁滴定法 主体与客体产生配合作用后，会引起主体和客体中质子的化学位移发生变 化。而化学位移的变化与主客体的浓度之间有一个定量的关系，由此可计算出形 成超分子络合物的络合常数k a 【7 4 】。 假设主体( h ) 与客体( g ) 之间形成1 ：1 型超分子络合物，则存在如下平 衡： h + g ；= 一h g 稳定常数k a 和解离常数k d 为： 【h g 】 k a = ( 1 6 ) 【h 】【g 】 k d ：竺型：上 ( 1 7 ) 1 = = lj 【h g 】k a 实验中，观察到的质子化学位移( 6 0 b s ) 是形成的络合物和未络合的客体或 主体化学位移的权重平均值。如果选择客体中的质子为观察质子，则6 0 b s 为： 6 0 b s = ! 竺! ! 二! ! ! 16 g + ! 旦6 h g ( 1 8 ) 1 g f 06 6 + 下g 丁6 “g 1 8 【】【】o 天津大学硕士学位论文第三章2 - 吡啶脲基化合物对胞嘧啶的分子识别研究 【g 】o 代表客体的初始浓度，【h g 】为形成主客体络合物的平衡浓度，5 g 为未 形成络合物时客体上观察质子的化学位移，6 h g 为形成络合物后客体上观察质子 的化学位移。 定义a s = 6 i o - - 6 g ，则( 1 8 ) 式经过整理后得： 5 0 b s ：6 g + ! 旦6( 1 9 ) 【g 】0 根据( 1 7 ) 式及质量平衡定律，可以推导出络合物的浓度表达式； 【h g 】= 1 2 k d + i o + g o 一 订i 而五百瓦f 币瓦而_ ) ( 2 0 ) 联立方程( 1 9 ) 和( 2 0 ) ，可以得到观察质子化学位移的精确表达式： s 出峨+ 等 阱h o + o 。一 订西而瓦可面了习i 面) ( 2 1 ) 核磁共振滴定中，固定主体浓度，加入不同浓度的客体，即得到不同的观察 质子化学位移值。采用非线性回归进行数据拟合可以计算出k d ，进而求出k a 值。 本文采用紫外可见分光光度滴定法考察了四个2 - 吡啶脲基化合物对胞嘧啶 分子的识别络合性能，并用线性拟合法进行数据拟合计算出络合常数k a 值。同 时，采用核磁共振对识别现象进行了进一步的解释和说明。 3 32 -