（有机化学专业论文）功能大环化合物及两性咪唑啉表面活性剂.pdf

摘要 本论文进行了以下两方面的工作：i 取代氮杂大环化合物的合成及结构性能 研究。i i 咪唑啉两性表面活性型的合成及罂! 缝评价。 1 在分析研究文献工作的基础上探索出以a 一 5 一甲基一3 一p l l 乙酸乙酯( 1 ) 和 2 ，6 - 二溴甲基吡啶为原料合成了两种侧链功能基取代的氮杂大环化合物i 和 i i ( 。冷毗雠。一。囊螂旦一。冷哗岍 j r n h 2 r h h 7 a ：r = c h 2 c h ( o h ) c h 3 7 b ：r = c h 2 c h 2 0 h 所有新化合物均用元素分析、质谱、核磁共振氢谱对其结构进行了确证。厂 2 合成的大环化合物i 和i i 为离子载体，研究了它门对不同金属离子的模拟生 一 物膜传递性能。f 结果表明： 一 两种大环化合物均表现出对l i + 、n a + 和k + 有较好的液膜传递性能。对三种 离子的传递速度为n a + l i + k + ，化合物i 的传递选择性为n a * k + ：7 0 6 ，l i + k + = 5 1 ，化合物i i 的传递选择性为n a + k + = 2 3 6 ，l i + k + = 1 7 1 ，由此证 明了起主导作用的是环的大小与金属离子的匹配性。 研究载体i 和i i 对过渡金属离子h 矿、c d 2 + 和n r 的传输性能，两种载体 均表现出对h g ”离子的传输优势，化合物i 的传递选择性为h 9 2 t c d 2 + = 1 2 9 ，化合 物i i 的传递选择性为h 9 2 v n i 2 = 1 2 4 ，表明这类载体更易对作为软酸的h g ”离子结 合并在有机相扩 环保领域得以应 性质可望用于有害金属离子的富集和分离，从而在 3 研究了两种载体对苯丙氨酸、组氨酸、蛋氨酸和色氨酸的模拟生物膜传输性 能。f 载体i 对几种氨基酸的传输速度快于载体i i ，尤其是对苯丙氨酸的传输更 为有利，表明侧链基团的结构不对称性与底物分子具有结构适配性。对载体结构 适当改造或固载到高分子体系，可望用于氨基酸异构体的分离。 4 以油酸、月桂酸和乙二胺为原料，分别合成了两性咪唑啉衍生物1 b 和2 b 。 fn 一 fr c o o h + n h 2 c h 2 c h 2 n h 2 二型丛lr l n h l 一 r = 。仃h 。 l n - lh2 c i c h 2 c o o n a r ，r 任j 心c 。峨c 广 l n h 一卜i l 一- 二n i c h 2 c o o n a ：， u 。 通过对工艺优化使反应能够在较温和的条件下进行。 5 用产物l b 、2 b 和油田在用缓蚀剂s c m ( 甜菜碱型) 为试样做油田油井套管的 室内模拟系列缓蚀对比实验暂导到如下结果： 咪唑啉环的存在使1 b 表现出优越的缓蚀性能，浓度为5 0 p p m 时，动、静 态缓蚀率分别比s c m 提高8 7 0 和6 9 4 ，达到9 8 8 5 和9 9 4 3 。 咪唑啉环2 一位上的烷基大小对缓蚀剂的缓蚀率有较大的影响。具有较大 疏水基团的l b 表现出比2 b 更优越的缓蚀性能， 探讨了两性咪唑啉衍生物的成膜原因和缓蚀机理。 j ， 护 这 戡 散用 y a b s t r a c t t h i st h e s i si sc o n s i s t e do f t w op a r t s i t w of u n c t i o n a l s u b s t i t u t e da z a - m a c r o c y l i cc o m p o u n d s w e r e s y n t h e s i z e d a n dc h a r a c t e r i z e db ye a ，m s ，a n d 1 hn h r s p e c t r o s c o p y i i t w oa m p h o t e r i ci m i d a z o l i n e ss u r f a c t a n t sw e r es y n t h e s i z e da n d t h e i rr a t e so fc o r r o s i o ni n h i b i t i o ni ns i m u l a t i o no i l - w e l ld o u b l et u b ew e r e t e s t e d t h e r ea r et h r e ep o i n t si np a r to n e b a s e d0 1 2t h ec a r e f u l l ys t u d i n go fr e f e r e n c e s ，t w of u n c t i o n a l s u b s t i t u t e da z a m a r c o c y c l i cc o m p o u n d sia n d1 1w e r es y n t h e s i z e df r o m e t h y lq 一( 5 一m e t h y l 一3 一p y r a z 0 1 ) a c e t a t e ( 1 ) a n d2 , 6 - d i b r o m o m e t h y lp y r i d i n e 。冷娜叫。一。弘。一。瓢叩岫， s6 l r n h ： 7 7 a ：r = c 唧( o 卜o c 卜b 7 b ：r = a 协弛o h 多 a 。今 风一 风一 歹 a 1 1 t h en e wc o m p o u n d s w e r ei d e n t i f i e d a n de h a r a c t e r i z e db y e l e m e n t a la n a l y s i s ，m s ，1 h - n m r s p e c t r o s c o p y 2 t a k i n gt h em a r c o c y c l i c c o m p o u n d si a n di ia s i o n o p h o r 。8 t o t r a n s f e rt h ed i f f e r e n tm e t a li o n st h r o u g h t h es i m u l a t i o nb i o m e m b r a n e ，t h e f o l l o w i n g c o n c l u s i o nw e r eo b m i n e d b o t ht h et w oc o m p o u n d s 1a n di ih a dg o o dt r a n s m i s s i o nf o rl i + n a * a n dk + t h r o u g h t h eb i o m e m b r a n e t h ev e l o c i t y o ft h ei o n s t r a n s m i s s i o nw a sn a + k + l i + t h es e l e c t i v i t y o ft h ei o n st r a n s m i s s i o n w a sn a * k + = 7 0 6 ，l i + k + = 5 1 ( c o m p o u n di ) ；n a + k * = 2 3 6 ，l i + k + = 1 7 1 ( c o m p o u n di i ) t h ec h a r a c t e ro f t h et r a n s m i s s i o no ft h et r a n s i t i o nm e t a li o n sh a s b e e ns t u d i e d b o t ht h et w oc o m p o u n d sia n di ih a v eg o o dt r a n s m i s s i o n f o rh g “t h i sd e m o n s t r a t et h a tt h i sk i n do fi o n o p h o r ei sv e r ye a s yt o c o m b i n ew i t hh 9 2 + ，ak i n do fs o f ta c i d ，a n dt r a n s p o r ti t t h r o u g ht h e o r g a n i cp h a s e i ti sp o s s i b l et ob eu s e df o re v i r o m e n t a lp r o t e c t i o n ，f o ri tc a r le n r i c h t h eh a r m f u lm e t a l t h ec h a r a c t e ro ft h et r a n s m i s s i o no ft r y p t o p h a n e ，h i s t i d i n e ， p h e n y l a l a n i n e a n dm e c h i o n i n eh a sb e e ns t u d i e d w ef o u n dt h a t c o m p o u n d si t r a n s f e rt h ef o u ra m i n oa c i d sf a s t e rt h a nc o m p o u n di i ， e s p e c i a l l yt r a n s f e rt h ep h e n y l a l a n i n em o r ed o m i n a t e n t ，t h i sd e m o n s t r a t e t h a tm es t m c t u r eo f if i tw e l lt ot h ep h e n y l a l a n i n e ，a n d i ti sp o s 3 i b l et o u s e dt or e s o l u t e t h ee n a n t i o m e r t h e r ea r et w o p o i n t s i np a r tt w o 1 t h ei m i d a z o l i n ed e r i v a t i v e slba n d 2 ba r es y n t h e s i z e df r o mo i la c i d ， l a u r i ea c i d ，e t h l e n ed i a m i n ea n d c h l o r o a c e t i ca c i d ，e t c r c o o h + n h 2 ch 2 ch 2 n h 2 - 二呈土 r r h 一 r hi 1 ar 。c 1 7 h 3 3 2 a ：r ：c l ，h 2 3 h m 咖小+ i b ：r = c 1 7 h 7 , 2 b ：r 2c 1 1 h t h eb e s tc o n d i t i o no f e a c hs t e po f t h er e a c t i o ni si n v e s t i g a t e d ， 2 t h e c o m p o u n d slb ，2 ba n d t h es c m ( b e t a i n ) o b t a i n e df r o mo i lf i e l d w e r eu s e df o ro i l - w e l ld o u b l e p i p et e s ti ns i m u l a t i o no f o i l - w e l l f r o mt h et e s t ，t h ec o n c l u s i o n sc a l lb ed r a w n f i r s t ，t h ec o m p o u n d lbw h i c hc o n t a i n si m i d a z o l e i sm o r e a d v a n t a g o u st h a ns c m ，a n di t s r a t e so fc o r r o s i o ni n h i b i t i o na r e9 9 4 3 a n d9 8 8 5 i ns t a t i ca n dd y m a n i cs t a t e ，r e s p e c t i v e l y t h e r a t e so f c o r r o s i o ni n h i b i t i o nf o rt h et w oc o m p o u n d sa r ei n c r e a s e db y6 4 9 a n d 8 7 0 ，r e s p e c t i v e l y , c o m p a i r e d w i t ht h a to fs c m s e c o n d ，t h ec h a i ns i z eo f t h ea l k y lg r o u p i nt h ei m i d a z o l i n em o l e c u l e i n f l u e n c e st h er e s u l to ft h er a t eo fc o r r o s i o ni n h i b i t i o n t h el o n g e rt h e a r k y lg r o u pi s ，t h eb e r e r t h ee f f e c to f t h ec o r r s i o ni n h i b i t o rw i l lb e a tl a s t ，t h em e c h a n i s mo fc o r r o s i o ni n h i b i t i o no ft h ek i n do ft h e i m i d a z o l i n es u r f a c t a n tw a sd i s c r i b e db r i e f l y 第一部分取代氮杂大环化合物的合成及结构性能 1 大环化学的发展 1 1 大环化学的发展将对生命科学产生深远影响 由于生物体系的复杂性，许多生命现象目前尚难以得到完满的解释，通过大 环化学的深入研究，生命过程中的一些现象可以逐步得到印证和说明例如， d o u g h e r t y 等“3 研究了富电子的芳环组成的大环主体与阳离子客体如r , n 、烷基 吡啶胍盐等发生阳离子与n 电子之间的相互作用，通过该模型阐明了在生物体系 内对神经传递物乙酰胆碱的识别主要是通过此作用而完成的大环化合物模拟金 属酶的研究已被广泛开展，例如用大环多胺铜配合物模拟血蓝蛋白“1 ，1 2 一1 4 元 环的大环多胺卜4 的锌配合物模拟碳酸酐酶催化c o ：的水合“，2 0 - 2 4 元环六氮大 环和二氧四氮大环铜配合物模拟超氧化物歧化酶等方面均取得可喜的进展与非 环的配合物相比较，在活性和咪唑桥的稳定性方面均有其优越性。 百罾 34 由于大坏化合物的惰性，用作体内治疗剂十分有利“”例如三氮大环化合物 ( 5 ) 的“g a 3 + 、i n ”配合物在生理p h 条件下十分稳定，可用于同位素诊断肿瘤四 氮大环化合物( 6 ) 的”y ”配合物用于同位素治疗类似工作正在深入研究中 3 hr一h x = c o h ，p m e o2 h 久 ”、j ，、b 0 。 5 n 0 2 x = c 0 2 h o rp m t o ：h 。弋雌一 6 f k i m u r a 等“研究了一系列大坏多胺、取代大环多胺及其与会属离子的配 合物对人体免疫缺乏病毒( h i v 一1 。，) 增殖的抑制作用，发现两价金属离子配合物 具有较低的毒性和较高的抗病毒活性，而三价金属配合物却无此作用 7 3 h 厂、h c ：h “u “o 。几。叮 厂“v 、j 一 8 9 h y a n ( 安浩云) 等。_ “通过组合化学方法合成了数十种烷基取代的含吡啶 环的多氮杂大环化合物( 1 0 ) 和含n - o 键的大环类似物( 1 1 ) ，发现这类取代不对称 大环化合物具有很好的抗菌活性： 2 1 0 r i2c h 2 c 6 h 5 r 8 = c h 2 c 6 h 4 c o 2 m emr 、 r 22 c h 2 q l h m em r 9 = c h 2 龟 4 c f 3m ，一k 人 孓= c h 2 c 6 h 4 fm 2 c h 2 c 6 h 4 b rm “v “ khc r 4 2h 2 c 6 h 4 c nm r 1 1 = c h 2 c o o m elr 2 c h 2 c h 2 c h p h r 1 2 = c h 2 c n l 。，r o r 6 。吼c ：6 心mmr 旷c h 2 c o n h 21 r 7 2 c h 2 c o h 4 c im r 1 4 = c h 2 c o n ( m e ) o m e哟 1 2 大环化合物及其类似物 冠醚、大环多胺、卟啉及类卟啉、杯芳烃等是大环化学领域中最活跃的研究 热点，其理论和应用研究发展迅速，不仅与无机化学、有机化学、分析化学、配 位化学等密切相关，而且还渗透到许多其它学科，如生物化学、生物物理、药物 化学、医学、仿生学等，因而受到广泛重视，应用前景广阔 自1 9 6 7 年以来，冠醚及类似结构的大环主体分子因其对离子或中性客体分 子的特殊识别配位性能而被广泛研究。1 冠醚最显著的功能是对客体分子的 络合和助溶作用，这种分子识别正是生物体系中最重要的和最基本的特征，例如 酶底物、辅酶脱辅酶、抗原一抗体、离子载体等。缬氨酶素是最出色的生物离 子载体，其特征是能从k + 、n a + 、l i + 或c a + 混合物中选择性地传递k + 离子。这是因 其具有3 6 元柔性肽链环，能与k + 离子在其空腔内形成稳定的、动态的配合物。 由此可见，模拟设计合成某些天然产物的类似物作为主体分子，是大环化学一个 非常重要的研究方向。 冠醚的品种多种多样，结构各异的单环、双环、多环以及含有各种不同配位 原子和配位原子数目的环状化合物不断出现。通过对冠醚结构的修饰或将冠醚带 上不同类型的取代基，人们合成了各种具有不同应用价值的功能化冠醚化合物， 促进了冠醚化学的发展，也拓宽了适醚的应用范围，同时也把冠醚化学与超分子 化学、生命科学、材料科学更紧密地联系起来。 含杂芳环结构单元的大环化合物具有与一般冠醚不同的配位性能同时又因 配位杂原子不同而性质各异，特别是含氮杂芳环( 如吡啶或毗唑、咪唑等) 结构 单元的大环配体因其与金属离子形成具有特殊光化学性能的配合物而被广泛研 究1 ，卟啉、取代卟啉是一类含五元氮杂环结构单元的氮杂大环化合物，多种金 属卟啉配合物已被广泛用于生物化学、药物化学、石油化学、有机化学、分析化 学、固体化学等领域“5 “3 t a r r a g o 等“7 。2 ”合成了不同类型的四毗唑类卟啉大环 化合物和含不同杂芳环的大环配体1 2 - 1 7 ，发现这类化合物不仅能象冠醚一样络 合、萃取、传递碱金属离子，同时又能象卟啉一样与过渡金属离子形成稳定配合 物。例如四吡唑类卟啉大环化合物1 3 ，可以有效地萃取和传递n a + 和k + ，也能与 r u 2 + 形成稳定的八面体配合物。若用4 ，4 一联毗啶或噘嗪作为轴向配体与其r u 配合物作用，则可形成嵌入小有机分子的双环配位结构或超分子体系a 含有多吡唑或其它杂环芳结构的大环化合物特殊的配位性能已引起人们的 极大兴趣，深入探讨这类大环化合物的结构与配位性能的关系，设计合成不同结 构类型的新型大环化合物或对其进行环外修饰，进而研究它们在络合、传递金属 离子或有机分子、模拟金属酶催化等方面的应用是很有意义的 1 2 1 4 综上所述，具有多配位中心的大环或开链化合物，如果配位部位组织合理 当其与客体分子作用时，将会产生许多有意义的结果 1 3 大环化合物的应用 大环化合物因其对有机和无机客体分子或离子的特殊配位性能而表现出许 多有意思的功能，如可作为离子萃取、膜传递、相转移催化反应等的离子载体等。 因为它们对客体分子的络合性能与其化学结构特征密切相关，设计和合成具有特 定结构的大环化合物尤为重要。近年来许多化学家巧妙地设计并合成了数以千计 的具有不同功能的大环化合物并对其应用进行了不同程度的研究。 4 ， r e c o g n i t i o n s i t u p o p h i l i cg r o u p s s e n s i n g f u n c t i o n a l i t y r e a c t i v e f u n c t i o n a l i t y 液膜传递 自然界中存在有不同组成和不同分子大小的离子载体，但其在生物过 程中的作用原理是相似的。“： 一具有可选择性包络客体分子的三维空间结构 一含有合适的亲水和亲脂性部位，能够络合极性客体并将其溶于非极性膜中 一络合和解络过程都是动态的，能够促进快速络合和释放客体分子 因此模拟设计和合成人工离子载体需满足这些结构要求”，近年来已有很 多种人工大环离子载体被合成出来。”2 “。 自然界生物体系的离子载体仅传递有限的生物活性客体如n a + 、k + 离子和儿 茶酚胺( c a t e c h o l a m i n e s ) 类的化合物，但由各种人工大环载体传递碱金属、碱土 金属、重金属和过渡金属离子以及有机阳离子和阴离子已被模拟成功t s u k u b e 等首先报道了支链取代的氮杂冠醚1 8 对金属离子的液膜传递性能”，其传递选 择性和传递效率直接取决于冠醚结构和支链取代基的性质。呋喃取代的冠醚比苯 取代的冠醚更有效地传递k + 、b a ”、n h 4 + 和p b 2 + 离子，而噻吩和吡啶取代的冠醚 则对重金属离子和过渡金属离子有较高的传递速度，从而表现出取代基配位原子 的性质对传递作用的显著影响。 带有酰胺或吡啶功能侧链的四氮杂大环化合物1 9 对b a “和n a + 离子具有独特 的传递能力”“”3 ，”cn m r 研究表明，酰胺取代的氮杂大环与b a ”离子形成1 ：l 型 配合物，金属离子位于大环中心，四个环上n 原子和四个酰胺n 原子均参与对金 属离子配位。吡啶取代的大环化合物可在k + 离子存在下选择性地传递n a + 离子， 进一步显示了支链功能基对大环选择性地识别金属离子的参与和影响。 1 8 d = c o n ( c 2 心) 2 、 n - ， 1 9 许多功能基取代的开链冠醚也可作为离子传递的载体，例如两端带有喹啉基 的开链冠醚2 0 就是一个典型的端基取代的离子载体 3 3 j 这种开链冠醚与r b + 离 子作用时，形成一个螺旋状的假空腔结构，有利于所有配位原子参与对r b + 的配 位t s u k u b e 发现化合物2 0 能够有效传递有机铵阳离子，但对k + 、n a + 、n h 。+ 和其 它无机阳离子无明显传递作用。“ 酶模型 大环化合物及其配合物的研究对分子识别理论的发展起到很大的推动作用， 同时使自然界中选择性分子间相互作用逐渐被人们所认识。大环化合物的主要 用途之一就是用模拟酶反应方式，通过非共价键络合物催化有用的合成反应。近 年来积极开展的酶模型研究中，通过对一些大环化合物的结构修饰或杂交，合成 含特异结合部位和各种催化基团的分子受体或仿生催化剂，已取得显著进展，例 o p9 。勺 胪 盼 如金属酶模型、氧化还原酶模型、水解酶模型、肽合成酶模型以及调节酶模型的 设计合成及模拟研究均已被开展起来 a t p 激酶广泛存在于生命体系中，在生物过程中起着至关重要的作用。l e h n 等曾研究了用大环多胺催化促进a t p 的水解，质子化的l ，4 ，7 ，1 3 ，1 6 ，1 9 一六氮 杂一2 4 一冠一8 ( 2 1 ) 作为阴离子接受体，首先与a t p 以卜键形式结合，进而有效地 促进a t p 水解，生成a d p 和无机磷酸盐。 l取代氮杂大环化合物的合成及结构性能 2 1引言 生命体系中的受体通常含有不同类型的配位部位，因而具有对不同底物识别 能力设计并合成含有不同配位原子和不同结构的大环化合物，对于模拟某些生 命现象具有重要的研究价值许多已合成的含有不同配位原子的大环化合物均表 现出对金属离子的优异配位性能。“1 。例如含s 杂化n 原子和s p l 杂化n 原子的 不对称混杂大环化合物的金属配合物具有特征的光化学、电化学性能和模拟超氧 化物歧化酶催化作用”。 在实验室前期工作中”1 ，已合成了不同类型的多毗唑大环化合物，并已证 明t p l k 唑环中s p 2 杂化n 原子对r u ”的配位特性例如，带有侧链功能配位基或 冠醚的n s p 2 和n s p 3 混杂大环化合物2 2 2 7 这类大环化合物的特点是：( 1 ) 分子 中具有以不同杂化n 原子为配位原子的多配位中心，( 2 ) 主体大环具有结构不对 称性，( 3 ) 环中引入两个柔性碳链以减小环的刚性，( 4 ) 环外带有不同类型的功能 取代基 p 弓r n n n ( 牛) “2 嚣2 篙r = 2 - 强p y ；n = l m 1 本工作是在此基础上合成了两种侧链功能基取代的氮杂大环化合物i 和i i ， 并研究了这类不对称混杂大环化合物对不同金属离子以及氨基酸等的模拟生物 膜传递性能。 2 2 结果与讨论 n f r i r = c h 2 c h ( o h ) c h 3 i i r = c h 2 c i - 1 2 0 i - i 2 2 1 大环化合物的合成 分析大环化合物的结构特点，根据逆合成法，i 和i i 的合成可通过如下两 种途径实现： b 风 b?8r 冯 州、i 少c h 2 c 0 2 e l 冯 、p c h 2 c 0 2 e t r 一。冷毗洲 奄 里竺：! 些l 。冷呲m 。 i r n h 2 + 7 a r = c h 2 c h ( o h ) c h 3 7 b ；r = c h 2 c h 2 0 h 一般情况下，要构建一个大环化合物，首先应先合成两个适当的分子片 段，其中一个带有两个亲电( 或亲核) 性中心，另一个带有两个亲核( 或亲电) 中心。对于大环化合物i 和i i 的合成，我们首先考虑用途径a ，需要合成的中 间产物为q ，u 一双氯乙基取代的吡唑一c h ：一吡啶一c h ：一毗唑型化合物4 ： 9 ) 岁 冷。今 丛 = 2 a1 0 c h 2 c 0 2 e t h 2 c o z e t 2 b 1 0 由于中间产物的复杂性，我们改用途径b 合成大环化合物i 和i i 。化合物l 经l i a i h 一还原得到相应的醇5 ，收率8 6 。化合物5 在空气和光照条件下不稳定， 应在氮气和避光条件下保存。5 - 甲基一3 一溴乙基吡唑6 由化合物5 经p b r 。溴化制 备，收率7 0 。 一讧邮啡。詈。江嘟删詈一弘吼吼酊 5 化合物6 中有一个亲电中心和一个亲核中心： 1 0 6 n n u c l e o p h i l i c c e n t e r 。“2 掣2 一卧 i e e e c t r o p h i l i c 0 e n t e r 当其与伯胺反应时，可能存在以下几种类型的反应 一渗叽。铲 h ， = 、 h 【扎、一s r + - ：b h 司 “吁l 7 迎一墅业! 卿， ( _ b h h 7 1 。1 p o l y m e r 为了尽可能避免副反应发生，我们用n a 2 c o 。作为碱性试剂将化合物6 与相应 伯胺在乙腈中回流5 0 小时，得到5 0 的目的化合物。反应中如果使用较强的碱， 则导致上述副产物增多。 2 2 2 大环化合物i 和i i 的合成 化合物7 中含有两个亲核反应中心，2 ，6 一二溴甲基吡啶分子中含有两个亲 电反应中心，二者经环化缩合，即可环合赢大环化合物i 和i i 。为了避免聚合 ) 弋、 冷冷 物生成，反应采取相转移催化和高度稀释反应条件。以碳酸钠为碱性试剂，乙腈 为溶剂，四丁基溴化铵为相转移催化剂，两种大环化合物的收率可达到3 7 4 0 。 所有新化合物的结构和组成均经元素分析、m s 、1 hn m r 等的鉴定和 表征。 + 一飞，夕 ir 2 c h 2 c h ( o h ) c h 3 r 2 c h 2 c h 2 0 h 化合物i 的1 h - n m r 谱图 h 矿 大环化合物i 和i i 具有如下结构特点 a 分子中含有两种不同的氮杂芳环。 b 分子中具有以不同杂化n 原予为配位原子的配位中心。 c 主体大环具有结构不对称性。 d 环外连有功能取代基。 可以预期这类大环化合物应具有对金属离子或有机分子的较好的配位性能和选 择性识别性能。为此，我们考察了它们对一些金属离子和氨基酸等的液膜传输性 能。 2 2 3 大环化合物对离子的液膜传输性能研究 传输机理 液膜传递是亲水性荷电离子在亲脂性离子载体的携带下，从一个水相通过疏 水有机相( 液膜) 而传递到另一个水相中的过程。液膜传递机理如图2 1 所示“： s d v t i o h 嗽 n 托日 翱生试；o n h i h 刃l 二 n 岫 图2 一l 离子的液膜传递示意图 离子载体 离子载体在一个水一膜界面与水相中被传递离子形成配合物，在有机相中扩 散并转移到另一个水一膜界面，再把离子释放到接受相中。要使离子传递有效地 进行，离子载体应具备如下特征： 1 )离子载体中应具有能和离子周围溶剂化分子竞争的亲核基团和疏水性分 子结构，与被传递离子形成脂溶性的配合物。 2 )离子载体的给电子基团的给电子性应大于溶剂化离子球周围的溶剂分子 的给电子亲合力。 3 )离子载体中给电子部位所形成的空腔应与被传递离子的大小相匹配，以 增加其传递选择性。 4 ) 离子载体的结构应具有一定的柔性，从而能快速地结合和释放被传递离 子。 有机液膜 通常使用的有机液膜是指与水不互溶的有机液相。图2 2 为用于液膜传递 的常用装置 图2 - 2 液膜传递装置 i n t c r n a ld i a m e t e r5 4 m r h i g h t5 0 m m i n t e m a ld i a m e t e r3 5 m n h i g h t4 0 m m ( 3 ) 为离子载体的有机溶液，常用的有机相为比重比水大的有机液体( 例如 c h z c l ：、c h c i 。等) 。所用有机液体应具有强疏水性，较低的介电常数，带电离子 的易穿透性等特点：水相( 1 ) 为离子源，即一定浓度的被传递离子的水溶液：水 相( 2 ) 为离子接受相溶于有机相( 3 ) 的离子载体在( 3 ) ( 1 ) 界面与被传递离子作 用，形成某种形式的配合物，通过在有机相中的扩散移动到另一个界面( 3 ) ( 2 ) ， 1 4 并把离子释放到接受相( 2 ) 中因此要求二个界面处具有较大的势能差，通常传 递实验是利用两个水相中离子浓度差别实现的 本工作采用如图2 - 2 所示的传递装置试验在匀速搅拌和恒温条件下进行。 通过用u v v i s 光谱检测接受相中被传递金属离子的配对阴离子的浓度变化，由 不同时间的浓度对时间t 作实验曲线，由直线部分计算载体对离子的传递速度。 离子载体对金属离子的传递速度应遵守如下速度方程： v ，= 詈= 警v z = 詈z 乎 v 。v ：分别为从水相( 1 ) 到水相( 2 ) 和从水相( 2 ) 到水相( 1 ) 的液膜传递 速度 c 。c ：一分别为水相( 1 ) 和水相( 2 ) 中被传递离子浓度 液膜传递严格说应包括从离子源到接受相和从接受相到离子源的双向传递， 传递速度应为：v ：v ，一v ：，但由于两相离子浓度差别很大，c ， c ，故有v ， v 。， 在反应速度计算中可忽略逆向反应v ：，则v = v 。 配对阴离子的性质 在传递过程中配对阴离子对配合物的形成及传递性能均有显著的影响，文献 ”比较了以c h c l 。为有机膜相传递k + 离子时不同配对阴离子的影响，如图2 3 所 示： 盘 金 互 j 图2 3 不同配对阴离子对钾离子的传递速度的影响 由图中可以看出，苦昧酸根负离子p i c 一作为共传阴离子用于液膜传递得到最 好的实验结果，而f 一作为配对阴离子时最不利于对k + 的传递。因此可以认为配对 阴离子的体积和亲脂性以及形成配合物的稳定性均是重要的影响因素另一方 面，所选配对阴离子应有利于在u v v i s 分光光度计上检测。因此，选取合适的 配对阴离子对金属离子的液膜传递是很重要的。 2 2 4 大环化合物i 、i i 对金属离子的液膜传输性能 如前所述，配对阴离子的亲脂性、离予的大小以及其可检测性都在传递过程 中起重要作用。我们选择碱金属苦味酸盐作为被传递的对象，不仅因为其易溶于 水相而在有机相( c h 。c 1 。) 中溶解度极小，而且利用其在紫外一可见区的特征吸收 而能方便地对其检测。 t a r r a g o ”的工作表明，多毗唑大环化合物对碱金属离子具有较好的萃取和 传递性能。本工作合成的两种大环化合物不仅具有可以与碱金属离子配位的环孔 腔，而且环上带有亲脂性基团( c h 。，c h 。) 和可参与配位的功能取代基，因此将其 作为离子载体用于对碱金属离子的液膜传递可满足亲脂、疏水以及络合、释放金 属离子等要求，利用载体环孔腔以及环外侧链取代基的参与配位作用，可考察其 对不同金属离子的传递选择性 大环化合物i ，i i 既含有s p 2 杂化氮原子，又含有s p 3 杂化n 原予，同时带 有环外功能侧链，预期可以选择性地识别碱金属离子和过渡金属离子，应是一类 理想的用于有机液膜传输的离子载体。为此我们用这两种具有相同环大小，但侧 链取代基不同的大环化合物作为离子载体，研究了它们对不同金属离子的液膜传 递性能。 以l i + 、n a + 、k + 、n i 2 + 、c d 弘、h 9 2 + 为被传输离子，苦味酸根p i c 为配对阴 离子离子源相：1 0 3 m 金属苦味酸盐和o 1 m 相应硝酸盐水溶液；有机膜相： 1 0 。m 载体的c h 2 c 1 2 溶液：接受相：去离子水；实验温度：2 5 1 ；搅拌速 度：6 0 - 1 0 0 r r a i n ；利用u v - s 分光光度计测定接受相中苦昧酸根的浓度( 吸 光度) 变化，测定波长3 5 5 n m ，由浓度一时间传递曲线的直线部分求出传递速率， 结果见表2 1 ，图2 4 图2 7 1 6 空白实验表明，在有机膜相中不加大环载体时，相同条件下即使长时间搅拌 ( 2 0 小时) ，亦无任何离子传递到接受相中 t a b l e2 - 1 t r a n s p o r t r a t ei n1 0 6m o l e ha n ds e l e c t i v i t yr a t i o s l i +n a + i 4 + h 9 2 + c d 2 +n i 2 + t r a n s p o r t r a t ei2 5 53 5 3 5 06 4 50 58 0 ( m o l e h ) i i1 2 01 6 5 0 71 2 46 5o 1 s e l e c t i v i t yn a + l i + n a + k + l i + k + h 9 2 + c d 2 + h 9 2 + n i 2 + r a t i oi1 3 87 0 6 i i1 3 82 3 6 5 11 2 9 1 7 11 9 8 0 6 1 2 4 色 ： t ( h ) 图2 4 化合物i 对l i + 、n a + 、k + 的传递曲线 1 7 1 8 星 s ： _ t ( h ) 图2 - 5 化合物i 对h 9 2 + 、c d 2 + 、n i 2 + 的传递曲线 t ( h ) 图2 - 6 化合物i i 对l i + 、n a + 、k + 的传递曲线 l o 昌 o x 一 善 弓 夏 _ t t h ) 图2 7 化合物i i 对h 孑+ 、c d 2 + 、n i 2 + 的传递曲线 从表2 - 1 的传递数据和各传递曲线可以看出，两种载体对多种金属离子均具 有较高的传递速度，而且i 对不同离子的传递性能普遍优于i i 对于碱金属离子， 两种配体对n a + 的传递速度最高，而对k + 的传递速度最低( n a + l i + k ) 化合 物i i 对n a + ，k + 和l r 肘的传递选择性分别达2 3 6 和1 7 1 两种载体对l r 离子的 传递速度均高于k + 离子但低于n a + 离子，表明传递过程中配体与金属离子的配 位作用发生在环内；较小离子半径的l i 七离子可自由进出载体环空腔，但因大小 匹配性较差，形成的配合物不稳定，所以传递速度较n a + 小，而较不能进入环空 腔的k + 离子大以2 一羟基丙基为侧链功能基的大环载体i 对金属离子的传递快 于羟乙基取代的大环载体1 1 因为二者的环骨架均相同，故可以认为传递过程中 侧链取代基参与了对金属离子的配位作用，而且化合物i 中侧链甲基的存在增加 了其脂溶性，有利于配合物在有机膜相中的扩散 载体对h 9 2 + 、c d 2 + 、n i 2 + 等金属离子的液膜传递结果与其对碱金属离子的传 递情况相似，载体i 对_ 9 2 + 的传递性能显著优于载体i i ，但对c d 2 十、n i 2 + 的传递 性能较差，而且对h 9 2 + c d 2 + 离子有着优异的传递选择性( 1 2 9 ) 。对三种金属 离子的传递性能较低，但对h 9 2 + n i 2 + 的传递选择性也高达1 2 4 。可以设想，如果 将此种大环化合物固载到某种油溶性好，扩散性能佳的高分子链上，如有机硅聚 合物，形成不易流失的液膜传递载体，将可用于诸如有害金属离子分离等方面的 研究中。 2 2 5 大环化合物i 、i i 对氨基酸的液膜传递 文献，工作表明，利用手性大环化合物与紧密离子对的作用，可以实现对阴 离子的手性识别，识别原理可由如下示意图表示： 卤警回掣函画 图2 8 l e h n 等人利用手性双环穴醚进行了对手性阴离子的识别研究，由大环穴醚 先与金属离子形成的配阳离子，作为手性接受体，再与阴离子( 扁桃酸根 m a n d e l a t e ) 相互作用达到手性识别当阳离子为k + 或c a ”时，识别效果较好。 对氨基酸的手性识别以及对氨基酸的液膜传递是生物学中的重要研究内容。 由于氨基酸在溶液中的两性特征，故对其进行手性识别可通过与铵基正离子或羧 酸根负离子的作用或与二者协同作用实现。许多研究工作是利用冠醚对铵基正离 子的识别进行的“，但至今无人肯定地解释羧酸根负离子的参与作用，b e l o k o n 等”设计合成了具有特定结构的侧链取代大环化合物，用于对氨基酸的识别和液 膜传递，预期通过形成如下协同配位结构进行手性识别。 但是，仅靠这种氨基酸内盐和大环配体的弱相互作用，要克服两性氨基酸内 盐在水中较强的溶剂化作用而将其传递通过非水溶性的有机液膜是很难实现的， 为此我们用氨基酸的金属盐，借金属离子与大环化合物的配位增强二者的相互作 用，从而实现对氨基酸的液膜传递。 以大环化合物i 为载体，我们对色氨酸( t r y p t o p h a n e ) 、组氨酸( h i s t i d i n e ) 、 苯丙氨酸( p h e n y l a l a n i n e ) 和蛋氨酸( m e t h i o n i n e ) 的锂盐进行了液膜传递研究。 选用的氨基酸不仅应具有足够的溶解度，在紫外一可见区有特征吸收，而且应具 有一定的亲脂性。图2 9 为色氨酸锂水溶液( 1 0 1 m ) 的紫外光谱图，图2 - 1 0 为大 环化合物i 对色氨酸锂传递过程的紫外光谱图。比较图2 - 9 和图2 1 0 可以看出， 接受相中被测物质与色氨酸锂的紫外吸收光谱特征完全相同。 图2 9 色氨酸锂水溶液( 1 0 一4 m ) 的紫外光谱图 图2 - 1 0 化合物i 对色氨酸锂传递过程的紫外光谱图 为了比较大环化合物中侧链功能取代基对传递氨基酸的影响，我们选用大环 化合物i 和大环化合物i i 进行对不同氨基酸锂盐的液膜传递。实验采用与前述 传递苦味酸盐相同的装置。传递结果列于表2 2 表2 2 大环化合物对氨基酸的液膜传递速度 曰曰9口 a m i n o h 2 n 。c h 。c 。o h h 2 n 。c h 。c 。o hh 2 n 。c h 。c o hh 2 n , c h t o h a c i d s 蕊艿 焉 巍 10 5 36 8 5i 5 02 4 5 t r a n s p o r tr a t e v f x l 0 6 t o o l h ) 1 1 02 52 2 30 5 6i8 9 结果表明，带有侧链功能取代基的大环化合物i 对不同氨基酸锂的传递速度 均较i i 好，说明环上侧链取代基在传递过程中有一定的协同参与作用，可能是 i 的侧链取代基的结构与氨基酸的不对称结构比较匹配，同时侧链羟基与氨基酸 中氨基形成氢键而使配位结构稳定性增加，而且i 的脂溶性比i i 好，从而有利 于其对氨基酸盐的传递。大环配体i 和i i 对苯丙氨酸锂的传递速度比其它氨