（无线电物理专业论文）对称四甲基取代六元瓜环与客体相互作用的nmr研究.pdf

华东师范大学硕士学位论文 y 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：盈超缝 学位论文授权使用声明 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保密的学位论文在解密后 适用本规定 学位论文作者签名：7 ；匀影修 日期汐莎j ； 华东师范大学硕士学位论文 论文摘要 本论文用n m r 研究了对称四甲基六元瓜环与一系列客体分子的相互作用，共分 两部分内容 第一部分是利用2 dn m r 研究对称四甲基六元瓜环与毗啶芳香衍生物的相互作 用运用1 h 1 hr o e s y 等各种核磁共振二维实验，对t m e q 6 与吡啶芳香衍生物如 2 一氨甲基吡啶，5 ，5 - 二甲基- 2 ，2 一联吡啶以及2 ，2 - 联吡啶( 简称锄p y ，b m b p y 和b p y ) 的相互作用进行了研究2 dr o e s y 谱上清晰地呈现了主、客体分子间的n o e 相关峰， 直接给出了二者结合时的相对位置等结构信息锄p y - t m e q 【6 】x r a y 晶体衍射结构 与n o e 所得结果一致 二维交换谱( 2 de x s y ) 的研究表明，在t m e q 6 与b m b p y1 ：l 结合物中，温度 升高时客体b m b p y 上的两个吡啶环不断地交替穿梭进入t m e q 6 的腔体内部，形成 了结合位置上的交换，使得t m e q 【6 】与b m b p y 的结合处于一种动态的平衡通过对 2 de x s y 上相关峰和对角线峰强度的计算得到了这种交换的速度常数和活化能等 热力学常数对2 ，2 - 联吡啶与t m e q 6 相互作用的研究结果也表明同样存在着这 种交换的动态平衡与b m b p y 相比，它与t m e q 6 结合位置动态交换的活化能需要 减少2 2 ok i m 0 1 ，在相同的温度下交换速率加快 第二部分设计了一个以t m e q 6 为丰体的分子开关利用定量氢谱的方法，求 得t m e q 6 与一系列客体的结合常数，并根据客体的结合常数以及他们的p k a 值， 我们找到两个客体分子b p y ( 强结合客体) 和正庚胺( 弱结合客体) ，他们与t m e q 6 组成一个三元体系，通过调节p h 值成功的实现了第一个同一葫芦脲主体在不同客 体分子间形成的分子开关 关键词：对称四甲基取代六元瓜环；5 ，5 一二甲基一2 ，2 联吡啶；n o e ；动态平衡 结合常数：分子开关 华东师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，e v i d e n c ef o ri n c l u s i o nc o m p l e x a t i o ni ns 0 1 “o nb e t w e e nt h es y n t h e t i c r c c 印t o rs y m m e t r i c a lt e t r 锄咖y 】c u c u r b i t 【6 】l l r i l ( t m e q 【6 ) ，肌das e r i e so fa l l ( y l a 1 1 d a r y l s u b s t i t u t e d 枷m o n i 啪i o ni i g a n d si se l a b o r a t e db yn m r t h e t h e s i sc o n s i s t so fm ，o p a r t s i np a no n e ，c o m p l e x a t i o nb e t w e e ns y m m e 仃i c a lt e t r 锄e t h y l c u c u r b i t 6 u 州( t m e q 6 】) a n d2 一( a m i n o m e t h y l ) p y d i n e ( a m p y ) ，5 ，5 b i m c t h y - 2 ，2 - b i p y r d i n e ( b m b p y ) a n d2 ， 2 - b i p ”i d i n e ( b p y ) w a ss t u d i e db y t w od i m e n s i o n a ln u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a l l c e ( 2 d n m r ) a sah o s t - g u e s t 血t e m c t i o n i n t e m l o l e c u l a rn o e s 邳p e a r e di n2 dr o e s y s p e c t r u mr e v e a law e l l - d e f i n e dc o m p l e xs u c t u r eb e t w e e n t h e m 1 he x c h a n g es p e c t r o s c o p y ( 2 de x s y ) s h o w e dt h a tt h e1 ：1c o 1 p l e xb e 帆e e n t m e q 6 a n db m b p y i su n d e 唱o i n gs l o we x c h a n g ea th i g ht e r n p e r a t u r ew i lt w op ”i d i n e r i n g so f b m b p ya l t e m a t i v e l ye n t e r i n gt h ec a v 磅o f t m e q 【6 a 1 1 dc h a n g i n gt h e c o m b i n a t i v es j t e sb e t w e e nt h e 晰op o 矧so f t m e q 6 】t h et e m p e r a t 【l r ed e p e n d e n c eo f 血er a t ec o n s t a m sc a l c u l a t e d 丘o mt h ee x s ys p e c t r a 如e l d e da na c t i v a t i o ne n e r g yo f1 0 4 2k j m o lf o rt h ee x c h a n g ep r o c e s s i np a n 伽o ，at m e q 【6 b a s e di n 仃a m o 】e c u 】a rs w i t c h i sd e s i g n e d d i s s o c i a t i o n c o n s t a n t s ( k d ) f o ras e r i e so fa l k y l - a n da r y l s u b s t i t u t e da m m o n i u mi o nl i g a n d s i s m e a s u r e db yq u a n t i t a t i v e1 hn m ri m e f “o n w h i l et h es t a b i l i t i e so ft m e q 6 a n d m a l l ya m m o n i u mi o n1 i g a l l d sc o m p l e x e ss t r o n 9 1 yd e p e n do np h ，a n d t h ek dv a l u e sh a v e al a 唱ed i f r e r e n c e ，b py ，c 7 h 1 5 n h 3 + a n dt m e q 【6 】i sc h o i c e dt oc o m p o s eam r e e c o m p o u n d ss y s t e mi nw h i c ht m e q 【6 e x h i b “sab i m o d a lb i n d i n gp a n e mc o n t i n g e n t u p o np h k e y w o r d s ：s y m m e t r i c a lt e t r a m e t l l y l c u c u r b i t 6 】u r i l ；5 ，5 - b i m e m y - 2 ，2 _ b i p ”i d i n e ；n o e d y n a m ce q u i l i b r i u m ；a s s o c i a t i o nc o n s t a n t s ；m o 】e c u l a rs w i t c h 6 华东师范大学硕士学位论文 1 1 瓜环的发展概况 第一章绪论 “超分子化学”和“主客体化学”的概念最早是于7 0 年代由克莱姆和莱思分别提 出的，克拉姆( 1 9 1 9 ) 、莱思( 1 9 2 9 ) 和佩德森( 1 9 0 4 1 9 8 9 ) 三人由于对超分 子化学先锋性的工作1 9 8 7 年获得诺贝尔化学奖主客体化学是一门比较新的化学， 主、客体分子间相互作用的研究对于认识和模拟自然界生物体系中不同分子间的识 别和结合有着重要的意义，也是超分子化学研究中的主要内容通过对主客体化学 的研究，我们可以利用主体分子对客体分子的识别能力不同进行混合物的分离 1 】， 设计缓释药物，还可以利用主体分子的孔洞结构对各种基团的特殊作用从而作分子 反应器或催化剂 2 1 。另外可以利用主体与各种金属离子及其他离了的结合物从而设 计各种分子器件如分子开关、分了项链、分子梭【3 9 1 等 1 1 1 瓜环的合成发展概况 瓜环是继冠醚、环糊精、杯芳烃之后的一类新的主体化合物以瓜环为主体的各 种主、客体间相互作用的研究一直是主客体化学中令人关注的课题六元瓜环 ( c u c u r b i t 6 】u r i i ，简称q 6 】) 早在1 9 0 5 年就被合成出来 ，1 9 8 1 年才由m o c k 等人确 定了其完整的结构 ，如图1 所示：它由六个甘脲单体结合成环，形成了可以与有 机小分子结合的疏水性内腔腔体的上、下端口分别由六个羰基所环绕，通过氢键或 电荷的偶极作用能与金属离子或有机铵盐等分子结合除强酸性水溶液外，q 6 】在 一般溶剂中溶解性很差，这在某种程度上限制了q 6 的研究范围 九十年代末本世纪初，六元瓜环同系物五、七、八等多元瓜环不断被合成和报道 关于它们与各种小分子相互作用的研究文章也不断地被发表1 2 15 1 不同的瓜环具 有大小不同的内腔及端口直径，能与不同大小的各种物质相互作用，其结构上相对 的刚性，使其能与许多物质形成稳定的结合物 1 ” 与六元瓜环相似，这些瓜环同 系物的水溶性也不理想，五八元瓜环在盐酸中的溶解度顺序依次为q 7 q 【6 】 华东师范大学硕士学位论文 q 【5 l q 8 】，在2 0 0 c 下，1 0 0 m l3 m 0 1 q 6 】仅能溶解几克，q 【8 】只是微溶1 瓜环的广泛研究川 l 1 盐酸中，q 【7 1 能溶解近7 0 而其他如q 5 】、 并且这些瓜环均不溶于有机溶剂，因而制约了 图lq 5 ，q 【6 ，q 7 】，q 8 晶体结构的俯视图和侧视图 图2 五、六、七、八元瓜环的溶解度与h c l 浓度关系图 2 2 】 本世纪初瓜环衍生物不断地被合成，如其溶解性能得到了改善，关于它们与各 种小分子相互作用的研究文章也不断地被发表2 1 ，2 3 。“如k i m 研究组合成出的 环己基取代的五元及六元瓜环，在水醇溶液中有较好的溶解度，不过产率较低： n a k 锄u r a 研究小组得到了能溶解于二甲亚砜的二苯基取代瓜环但是是反应的副 产物，主要的还是非取代的瓜环3 ；另外，各种可篚用于合成改性瓜环的改性萤脲 也有所报道【2 ”2 9 j 贵州大学陶朱研究组合成得到的甘腺二聚体，该研究组最近合成 得到了对称四甲基取代六元瓜环( s y m m e t r i c a lt e t r 锄e t h y jc u c u r b “ 6 u 扎简称 华东师范大学硕士学位论文 t m e q 【6 】) ，对称六甲基取代六元瓜环、二甲基取代五元瓜环等一系列新型瓜环2 ” 引入疏水基团后的瓜环不但具有一定的亲油性，而且在水中的溶解度大大增加因 此，在考察以改性瓜环为受体的主客体体系时，不受任何金属离子或者酸溶液的影 响这些新瓜环的出现不仅大大拓宽了其在超分子化学中的研究领域，而且为制备 功能性瓜环超分子器件提供了可能的途径 十甲基取代五元瓜环羟基取代瓜环 二苯基取代瓜环环己基取代的五元及六元瓜环 图3 改性瓜环的结构示意图 与q 6 】相比t m e q 【6 】的水溶性大大增加，对称四甲基六元瓜环在水中的溶解性 是六元瓜环的2 0 多倍引入四个甲基取代基反而使其在水溶液中溶解性增大，对 此尚未有很好的解释由于不对称取代，与q 6 】相比t m e q 6 】在形状上有很大的改 变，其俯视图原来的圆型变为椭圆型 华东师范大学硕士学位论文 审+ 望g 墅 1 0 0 c 0 一只 一 _ n 人n _ c 凡一q 7 、一c h 2 h # 斗一c h ，h + h 一k c h ， k c h ， y 。 y 甘脲二聚体对称四甲基取代六元瓜环 图4 利用甘脲二聚体合成对称四甲基取代六元瓜环路径示意图 蛰赫 图5 四甲基取代六元瓜环结构 1 1 2 瓜环主客体结合性质的介绍 h 3 co c h 3 邺弋二二产吼 就与瓜环作用的客体而言，不仅有气体分子和金属离子，还有有机铵阳离子等 有极强的主客体键合能力的化合物分子由于q 6 合成最早，而其他同系物多为最 近才合成提纯得到，所以分子识别研究主要集中于q 6 1 1 2 1 金属离了 b e l l r e n d 等报道了q 6 对金属阳离子具有强的键合能力b u s c h m a n n 等 3 2 删1 报 道了在水溶液中q 6 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 度数据的测定结果显示主客体以l ：2 比例结合由于两个金属离子键合位点被刚性 华东师范大学硕士学位论文 空腔隔开，两个金属离子的键舍常数相等脲羰基基团对电荷稠密的阳离了来说是 优良的叮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予的配合 ( 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 从瓜环与1 8 冠6 与阳离子的稳定常数的比较中证实基于配合物的形成，溶解度 增大，采用饱和溶解度法，b u s c h m 锄等利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( n a + ，k + ，r b + ，c s + ) 、碱 土金属( c a2 + ，s r “，b a2 + ) 及铵阳离子( n h 4 + ，c 6 h 13 n h 3 十) 在水溶液中的配合物稳 定性【3 4 ，以及五元瓜环和六元瓜环与多价金属离子( c o ”，n i 抖，c u2 十，p b ，z n ”， c d2 十c r3 + ，f e3 + ) 在水溶液中的配合物稳定性【3 5 】对于多价金属离子，五元瓜环和 六元瓜环的配合物稳定性相当，q 6 _ c d2 + 为最稳定配合物由于配合物的形成，溶 解度减小，所以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 b m d s h a w 等用量热及分光光度方法研究表明，在1 ：l 甲酸一水( 矿：功溶液中，相 对于碱金属、碱土金属、n h ”，c d2 + 阳离子，十甲基取代五元瓜环对p b2 + 具有高 选择性 3 6 1 五环己烷并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，这与在水中五环己烷并五元瓜环未质子化有关五环己烷并五元瓜环对p b ”具 有很高的选择性，可用作离子选择性膜电极1 ”d a l l c e 等m 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 如一s n c l 4 ( h z o ) 2 进入七元瓜环的内腔， 而不是与七元瓜环羰基氧配位的外配合作用口1 1 在考察各种瓜环与金属离了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予、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l _ 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【3 8 1 华东师范大学硕士学位论文 图6 几种瓜环与金属离子共存的晶体结构 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 1 1 2 2 有机铵离予 q 6 与有机铵离了的相互作用已经被m o c k 等人详细研究过3 9 ，4 0 1 ，其结合物的 基本作用力是离子偶极作用和疏水性作用，其中离子偶极作用是由阳离子客体 r n h 3 + 与主体q 6 中部分极化的羰基基团所形成，而疏水性作用力则是把客体的烷 基取代基插入主体q 6 】的内腔( 主客体结合时溶剂分子被置换出来) 在质子化的直链脂肪单胺中正丁胺离子的包结比更长或更短碳链的正脂肪铵均 强，其n h 3 + 基团与主体q 6 第一个端口的部分极化的羰基基团形成离子偶极作用， 其四碳链约充满瓜环的内腔而形成疏水性作用力，而正戊胺( 或正己胺等) 其更长 的碳链则伸至第二个端口而影响其极性羰基的溶剂化而正丙胺则因为其较短的碳 链而使疏水性作用减弱 1 ” 质子化的直链脂肪二胺由于有两个阳离子r n h 3 + 基团，可以同时占据q 【6 】的两 个端口，其离子偶极作用的亲和力是单胺的两倍已经发现1 ，6 一己二胺与q 6 的结 合力最强；其两个氮原子原予间距离显然最接近于q 【6 】的两端口氧原子的距离( 6 a ) ，从而呈现最佳的n h + o = c 相互作用更长的碳链会阻碍两个端口同时实现 离予偶极作用从而使结合能力下降 华东师范大学硕士学位论文 由于主体端口直径只有4 a ，而内腔直径5 7 a ，所以当客体分子上的部分基 团由于尺寸较大于端口直径( 但仍小于内腔直径) ，穿越端口进入内腔后似乎被笼 体捕获而产生较强的结合对于带有支链的胺和环胺，内腔可以容纳尺寸如异丁基 和环戊基大小的基团，比他们小的基团可以被包结，而比他们大的基团则不能结合， 如异丁胺和环戊胺可以与主体q 6 】结合很好，环戊基甲胺的五元环包结最佳而叔 丁胺和环己甲胺则没有结合环己烷分子太大不能包结【1 然而尽管平面的苯环的范德华尺寸( 直径厚度为6a 4a ) 比q 6 的空腔大一 点，但仍可以形成包结配合物此时主体的笼状结构扭曲成椭球形，在垂直于苯环 方向，直径减小0 4a ，在苯环平面方向直径相应增大对位二取代苯环可以包结进 入空腔，而邻位、间位异构体则不能瓜环的包结过程对芳环上的烷基取代基非常敏 感，对苯环衍生物的包结不仅限于对位，而且限于甲基即使是对位二取代的苯衍 生物，晶体结构数据表明此时主体笼结构发生了明显的变形，因此多数芳胺的配合 物均较弱在环烷基和铵离子之间插入一个亚甲基可极大地增加配合物的稳定性 而在苯环与铵离子间插入一个亚甲基却降低配合物的稳定性，因为苯环已完全占据 空腔，而链的增长会使铵离子远离羰基端口两端n h + 基团和中间烷基部分的协同 作用导致很强的亲合力 1 9 1 1 2 3 其它有机客体 苯衍生物的包结伴随着主体结构的变形，不含铵离子的五元环烷烃可以形成稳 定的配合物环戊烷、四氢噻吩、四氢呋喃以及甲基环戊烷在q 【6 】的存在下均有n m r 的诱导位移大小台适的众多染料分子与瓜环可以形成稳定的包结配合物 4 ”与环 糊精相同，对染料或药物分子的包结会导致这些分子在水溶液中的稳定性增强多 数染料分子疏水性较强，所以这些分子或其一部分可以与非极性空腔产牛较强的相 互作用线形染料分子苯酚蓝与q 【6 】形成了较伊环糊精更为稳定的配合物，在酸性 溶液中苯酚蓝易于分解生成苯醌和对位两取代的苯胺瓜环空腔的包结则使其稳定 性大增，在o 1 0m 0 1 d m 。盐酸溶液中的分解速率很低，苯酚蓝的半衰期增至7h ，而 无主体存在时仅为3m i n ，伊环糊精存在时为7m i n 六元瓜环与l ，8 a n s 形成晶格包结配合物荧光固体 4 2 甲基紫精与八元瓜环形 华东师范大学硕士学位论文 成1 ：l 主客体外包结配合物，其驱动力是客体的正电荷与八元瓜环端口氧原子之 问的离了偶极相互作用而加入2 ，6 二羟基萘或l ，4 一二羟基苯后，则可发生异客体 对包结在八元瓜环的空腔中，形成三元配合物，这种选择性异客体对包结的驱动力 在于富电予客体与缺电子客体之间的电子迁移相互作用 4 3 】k i m 等 1 1 】发现2 ，6 一 二( 4 ，5 一二氢- 1 厚咪唑一2 一基) 萘分子太大，不能与q 6 形成主一客体配合物，但可与 七元瓜环形成1 ：l 包结配合物，与八元瓜环f 81 脲形成1 ：2 包结配合物 六环己烷并六元瓜环在乙腈中与乙酰胆碱( 一种重要的神经传递素) 可形成稳 定的1 ：1 的主客体目d 合物，乙酰胆碱的三甲基铵基团坐落在腔外，而其余部分包 结在空腔内六环己烷并六元瓜环可用作乙酰胆碱的选择性膜电极b u s c h m a n n 等 j 用量热滴定方法研究了在甲酸水溶液中氨基酸和氨基醇与六元瓜环的配合物稳 定性结果表明氨基酸中亚甲基的数目对配合物的稳定性无影响，在配合物的形成 过程中焓、熵均有利而对于氨基醇，焓、熵受亚甲基的数目影响，三亚甲基的氨基 醇形成的配合物最稳定在甲酸水溶液中，脂肪醇、酸和腈与六元瓜环形成配合物的 结果表明，客体的极性基团和亚甲基数目对配合物稳定性没有影响在配合物形成 过程中，两个溶剂水分子被释放出来，均为放热反应，但多为熵控制【4 5 1 b u s c h m 锄 等还测定了五元瓜环、十甲基取代五元瓜环和六元瓜环在酸性溶液中的溶解度，用 量热方法测定了配合作用的反应焓，1 h n m r 研究表明六元瓜环可与脂肪胺、芳香 胺形成包结配合物，只有脂肪胺能进入五元瓜环的空腔 采用饱和溶解度法，使 用u v 分光光度滴定也可确定二苯并1 8 冠6 、五元瓜环、十甲基取代五元瓜环和六 元瓜环、对2 叔丁基杯 4 芳烃、对叔丁基杯【6 芳烃与啦伊和y 环糊精的配合物稳 定性 4 7 】，以及六元瓜环 2 轮烷( 两端封端基团分别为苯酰胺和萘酰胺) 与卢和 y 环糊精形成包结配合物的稳定常数【4 8 b u s c h m a n n 等还进行了瓜环和环糊精的 比较研究研究了q 【6 】年u 伊环糊精对多种有机分子( 甲苯、二甲苯、萘、苯胺、2 氯 苯酚、l ，2 一二氯苯、3 甲基苯酚、l 一己醇、己烷和戊胺) 在气相中的包结作用 4 采 用分光光度滴定法研究了在甲酸溶液中q 6 和卢一环糊精对中性有机分了( 偶氮类染 料：直接橙3 9 、直接橙4 0 、甲基橙、酸性二号橙和酸性四号橙) 的配合作用 5 0 】对 于争环糊精来说，溶剂的组成对配合物的稳定性没有影响，而对q 6 】则不然，基于 q 6 与质子的作用，配合物的稳定性随酸浓度的降低而升高量热滴定法研究表明， 华东师范大学硕士学位论文 q 6 】、d - 和伊环糊精对非离子表面活性剂( t x l o o ，n p l 0 ，n p 2 0 ，i g e p a lc o 一7 2 0 ，b r d 3 0 b r u 5 6 ，b 埔9 9 ) 及聚乙二醇( p e g 3 0 0 ，p e g 4 0 0 ，p e g 6 0 0 ，p e g l 0 0 0 和p e g l 5 0 0 ) 等 的配合均能形成稳定的配合物剐对于q 【6 】来说，配位作用均为放热，但是熵控制 并且坼- 二羧酸和一二醇与q 【6 】和a 一环糊精又均可形成较为稳定的配合物，为聚 酯轮烷的合成打下了基础 1 1 3 瓜环主客体应用发展概况 m o c k 等基于h 3 + n ( c h 2 ) 6 n h 3 + ( 厨= 2 。8 1 0 6 d m 3 m o l 。) 和h 3 + n ( c h 2 ) 4 n h 3 + ( 肼= 2 7 1 0 d m 3 m o l 。) 与q 6 包结常数的不同，设计了分子开关光谱分光光度 滴定表明，在缓冲水溶液中，q 6 】存在时，即该开关响应于溶液的酸度( 转换点) 5 ” 在此基础上，k i m 等旧发展了带有荧光信号的轮烷分予开关。由q 6 】穿在芴基三 胺上形成的准轮烷是有荧光的可逆分子开关p h 值的变化可使分子珠( q 6 ) 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，可供观测基于瓜环 对铵离子的特殊的专一性，m o c k 等 5 4 进行了炔烃和烷基叠氮的1 ，2 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， 但当加入催化量的q 【6 】则使反应大大加速( 5 5 1 0 4 倍) ，且生成区域专一的产物 这应归因于瓜环与两反应物之间形成了过渡态的三元配合物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这种主 体介导的环加成反应呈现酶型的动力学特征，以及底物抑制作用稳定常数提示 q 6 的空腔似乎太小无法容纳两种底物而不发生应变尽管如此，环加成反应的过 渡态与瓜环的理想客体尺寸相当，这也是该仿生催化的特征s t e i n k e 等 5 5 由2 ，6 二 氯甲基一3 ，5 二甲苯分别制备把相应的炔胺和叠氮，借助在q 6 1 内腔中发牛1 ，3 偶极 环加成反应，形成聚轮烷组装体( s c h e m e1 ) s t e i n k e 等 5 6 】使用小的双功能化炔胺 和叠氮，同样可以得到线状低聚三唑聚轮烷组装体调节p h 值，可以把线状低聚三 唑从瓜环空腔中抽出( s c h e m e 2 ) ，s t e i n k e 等 5 7 用直接聚己胺与q 【6 】得到主链准高 聚轮烷，其中自由的和被包裹的己胺单元是交替的( s c h e m e 3 ) k i m 等将q 6 与精 华东师范大学硕士学位论文 铵盐 h 3 + n ( c h 2 ) j n h + 3 ( c h 2 ) 4 n h 3 + ( c h 2 ) 止心4 c l _ 溶于水中一段时间后，向溶 液加入2 ，6 一二甲基吡啶，将p h 值调至约8 ，再加入2 ，4 一二硝基氟苯，则可以得到如 s c h e m e4 所示的轮烷，中心轮轴两端基团体积大，阻止轮烷的瓜环环脱离如果直 接加入n 棚c 0 3 调节p h 值至8 9 ，则得到准轮烷，中心轮轴两端转变为胺基甲酸根 5 8 ，3 】 1 2 核磁共振在瓜环研究中的应用 一般来说研究主客体分子的相互作用主要是用单晶或核磁两种研究手段单晶 x - r a y 只能研究固相静态的结合方式，但对溶液状态下的主客体分子真实的相互作 用以及它们的动态结构只能用n m r 来研究 、。天。 、f ”弼 “y x 二i竺；：茁 二i竺j ：l 二i二氮：l 二i二k i 图7 瓜环的单元结构，五、六、七及八元瓜环的1 h n m r 谱图 利用n m r 方法来研究瓜环的相互作用，通常是用结合物形成前后氢谱的化学位 移变化来表征和观察1 9 。”客体分子与主体结合时，进入内腔的部分由于受内腔的 屏蔽作用而使化学位移向高场移动，而在端口的部分由于受去屏蔽作用而使化学位 移向低场移动，另外主体的化学位移在结合前后也会有一定变化另外，氢谱在瓜 环的研究中还有一个重要的用途就是瓜环的热力学研究 1 ”，例如，用定量氢谱可以 求得主客体的结合常数，从而了解丰体对各种客体的结合能力，找出与不同客体的 结合规律 华东师范大学硕士学位论文 例如，申永强等利用n 偶技术对h m t a 和瓜环相互作用进行了研究口”，如图5 所示，分别为研v i t a 、h m t a ：q 5 卜一1 ：l 、h m ，r a ：q 5 】5 ：1 摩尔比的氢谱，根据峰 强度估计发生相互作用的主客体的相对量，发现当 以1 a ：q 【5 】l ：1 ，相互作用的 比约为2 ：1 从而说明体系主要以结构为h m l a q 【5 】一h m t a 的单个分子胶囊壳的形 式存在当 皿v i i a ：q 5 】5 ：1 ，相互作用的比约为1 ：1 ，再增加更多的客体，相互作 用的主客体比例仍为1 ：1 表明此时从而说明体系主要以结构为m a q 【5 】_ h m t a q 【5 】h m r a 的自组装的一维分子分子胶囊壳形式的超分子结构分析谱 图，可得出形成两种结构的结合常数分别为4 5 9 和o 5 0 ，从而表明q 【5 】与 玎v r r a 更易 形成1 ：2 的分子胶囊壳，而只有随着v i t a 含量的增加，才有可能形成l ：l 的一维 分子胶囊形式 1 9 华东师范大学硕士学位论文 图8h m t a q 5 的l hn m r 谱图 ( a ) h m l a ；( b ) h m t a - q 5 1 ：1 ；( c ) h m t a q 5 1 ：5 但是由氢谱只能证明两者的结合，而结合的方式以及具体的结合位点一般不能 由氢谱直接得到而二维n o e s y 实验能直接提供主客体相互作用时分子间的原子 距离信息，是研究溶液中分子间相互作用最有效、最直接的方法例如，y o u n g 等报 道了利用n o e s y 实验确定了八元瓜环与客体l 的相互作用位点【6 0 i 一个客体1 分子 的末端甲基质子a ，和另一个客体1 分子上的甲基质子h 、萘环上质子i 和。都有分子间 n o e 峰从而证明了两个客体在同一个主体内部的相互作用，如图9 所示 图9 八元瓜环与客体分子的相互作用示意图 华东师范大学硕士学位论文 1 3 本文研究目标以及主要内容 本文运用多种n m r 技术，对新合成的主体( s y m m e t r i c a l t e t r a m e 廿l y lc u c u r b i t 6 u r i l 简称t m e q 6 】) 的主客体结合性质进行研究首先，2 dn o e s y 实验能直接提供 主客体相互作用时分予间的原子距离信息，是研究溶液中分子间相互作用最有效、 最直接的方法本文用2 d n m r 技术来表征主客体的结合构型，找出丰客体的直接 结合位点并确定其结合构型其次，对主体t m e q 6 和一系列烷基和芳基取代的铵 离子客体的结合性质进行研究，寻找t m e q 【6 】与客体分子的结合规律从而根据对 主体结合性质的了解设计以t m e q 【6 为主体的分子开关这些研究将为寻找新的客 体分子，瓜环的结构修饰以及设计功能性高分子材料做基础 华东师范大学硕士学位论文 第二章2 dn m r 研究对称四甲基六元瓜环 2 1 引言 与吡啶芳香衍生物的相互作用 2 0 0 4 年贵州大学赵云洁等人发表了对称四甲基取代六元瓜环( s y m m e t r i c a l t e t r 锄e t l l y lc u c u r b i t 6 u r t l ，简称t m e q 6 ) 的合成 2 1 ，与q 6 相比，t m e q 6 】的水溶 性得到了提高，其端口形状由原来的圆型变为椭圆型【2 ”目前t m e q 【6 】与各种客体 化合物相互作用的研究主要以结合物形成前后一维核磁共振氢谱的化学位移变化来 表征和观察的 2 0 22 1 ，而二维1 h hn o e s y 实验能直接提供主客体相互作用时它们 分子间的原子距离信息，是研究溶液中分子间相互作用最有效、最直接的方法，但由 于t m e q 【6 】与客体分子形成结合物时，其整体运动的相关时间k 与1 h 的共振频率 的倒数相当( k 1 ) ，使得在n o e s y 谱上很难观察到n o e 的相关峰【6 1 ，相关的研 究很少报道国外曾有人用n o e s y 谱研究更大体系分子量( 3 0 0 0 ) 的瓜环同系物 或衍牛物与客体分子的作用 6 0 ，6 26 3 1 ，体系分子量增大时，其整体运动速度变慢，相 关时间k 变长，使得k 1 ，因而能观测到主、客体间的n o e 相关峰然而，旋转坐 标系下的n o e s y 实验( 简称r o e s y ) k 4 是观察横向磁化矢量间交叉弛豫( c m s s r e l a x a t i o n s ) 产生的n o e ，涉及到的是相对于旋转坐标系的频率，远低于普通 n o e s y 中1 h 的共振频率，因此能避免上述问题的出现，呈现分子间的n o e 相关峰， 类似的研究也有报道 6 ” 本文运用1 h 1 hr o e s y 等各种核磁共振二维实验，对t m e q 6 与吡啶芳香衍生 物如2 氨甲基吡啶，5 ，5 一二甲基2 ，2 一联吡啶以及2 ，2 一联吡啶( 2 - ( a m i n o m e t h y l ) p y r i d i n e ，简称a m p y ，5 ，5 - b i m e t i l y - 2 ，2 _ b i p y r i d i n e ，简称b m b p y ，2 ，2 b i p y r i d i n e ，简称 b py ，结构如图1 所示) 的相互作用进行了研究研究结果表明，r o e s y 实验对研究 t m e q 6 与这三种客体的相互作用体系是非常有效的，其谱图上清晰地呈现了丰、 客体分子间的n o e 相关峰，直接给出了二者结合时的相对位置等结构信息，同时也 华东师范大学硕士学位论文 避免了n o e s y 实验中因t t 1 而不出相关峰的问题锄p y t m e q 6 的x _ r a y 晶体 结构辅证了r o e s y 所得结果的正确性本文的研究还表明，温度升高时客体b m b p y 上的两个吡啶环不断地交替穿梭进入1 m e q 6 】的腔体内部，形成了结合位置上的交 换，使得t m e q 6 】与b m b p y 的结合处于一种动态的平衡通过对二维交换谱( 2 d e x s y ) 上相关峰和对角线峰强度的计算得到了这种交换的速度常数和活化能等热 力学常数对2 ，2 联吡啶与t m e q 【6 相互作用的研究结果也表明同样存在着这种 交换的动态平衡与b m b p y 相比，它与t m e q 【6 】结合位置动态交换的活化能需要减 少2 2 ok j m 0 1 ，在相同的温度下交换速率加快原因可能在于b m b p y 两个甲基增强 了客体的疏水性，而且穿越主体端口的位阻增大 2 2 实验部分 2 2 1 样品 对称四甲基取代六元瓜环由贵州大学应用化学研究所提供2 氨甲基吡啶，5 ，5 一 二甲基一2 ，2 一联吡啶以及2 ，2 一联吡啶均购自a l “c h 公司，用过量的浓盐酸酸化后放 置于红外灯下烘烤4 8 小时，得到相应的盐酸盐晶体放在碱石灰干燥器中真空干燥 3 6 小时分别将这四种化合物溶于重水中配制成2 0m m 的溶液，用于测定它们各自 的1 hn m r 另外，将同摩尔量的两种主客体化合物混合，直接配制溶液，静置，收 集在容器中形成的晶体，经洗涤，干燥后再重新溶解于重水中配制成1 0m m 的溶液， 测定其1 hn m r 以及其它的核磁共振谱图 将a m p y 和1 h q 6 按等摩尔数溶于一定量的重水中并制成饱和溶液，静置至单 晶出现。 2 2 2 n m r 实验 所有的核磁共振实验都是在b r u k e rd r x 5 0 0 ( 5 0 0 z ) 核磁仪器上进行的，溶 剂为重水核磁共振实验均采用b r u k e r 公司提供的标准脉冲序列，所有实验都采用 预饱和水峰压制的方法，r o e s y 的混合时间设定为4 0 0m s 测试温度为3 0 0k 2 d 华东师范大学硕士学位论文 e x s y 实验采用标准的三脉冲n o e s y 序列，混合时间分别为o 0 4 、0 1 、o 2 和o 4 s 1 h 1 h 二维谱采样谱宽为9p p m ，f 2 方向采样数据点为1 0 2 4 ，f l 方向采样数据点为 5 1 2 ，充零至1 0 2 4 个数据点后进行傅立叶变换，驰豫延迟时间为2s 二维谱的峰强 度由峰体积积分得到 2 2 3 x r d 实验 在b m k e r a p e xc c d 单晶仪上测试得到，测试温度为2 9 3 k 2 3 结果与讨论 2 3 1t m e q 【6 】- a m p y ( 1 ：1 ) 主客体结合物的谱峰归属和结构确定 - n 员燮足n 竖。员：鞫 i h h hh 3 c 忡h 3 ( ，) h h hl 三 l 酉能酉彳鼍“酉能j 。 h ( 7 ) 3 _一_一 h 】 ( e ) h 2 c n h 2 ，( a ) h o n _ h 火冷岬， ( c ) h 图1 0t m e q 6 】和a m p y 的结构 ( a ) t m e q 6 的侧视图；( b ) t m e q 6 的俯视图；( c ) a m p y 的结构图 如图1 0 所示，t m e q 6 】有三个互相垂直的对称面，其中腰上的四个甲基形成的 2 4 华东师范大学硕士学位论文 对称面称为腰截面，由两端口的四个5 之间形成的对称面称为短截面，与之垂直的 另一对称面称为长截面1 和2 ( 各有8 个等价氢) 以及5 和6 ( 各有4 个等价氢) 分 别为同碳上的两个氢，其中1 、5 指向端口内，2 、6 指向端口外；3 和4 ( 各有4 个等 价氢) 分别为相邻碳上的两个氢；7 为4 个甲基( 1 2 个等价氢) t m e q 6 的1 h 谱中 呈现了七组峰a m p y 的1 h 谱中呈现五组峰 h 核磁共振实验表明溶液中t m e q 【6 】与觚l p y 是以1 ：1 的分子比例结合的，过 量的客体存在时，在1 h 谱中分别以结合的和游离的两组峰出现 2 邹这也表明 t m e q 6 】与a m p y 的作用是比较强的，相对于n m r 的时标而言，溶液中结合的与游 离的分子间是处于慢交换的过程在摩尔比为l ：1 的混合溶液1 h 谱上，没有发现 任何游离分子的谱峰，说明在n m r 所能观察的范围内t m e q 6 与锄p y 都是以结合 的形式存在 在结合物的氢谱中，t m e q 6 上、下两个端口上原来对称的1 、2 、5 和6 位氢分 别分成了两组峰( 与客体氨甲基相近的端口的氢称为“上”，另一端口的氢称为“下”， 如：l 上、1 下、5 上、5t 等) t m e q 6 _ a m p y 结合物( 1 ：1 ) 的1 h 谱见图1 1 “ 1 1 丽 。 图 d 图1 1t m e q 【6 - a m p y1 ：1 结合物的恹图谱及由此推断的空间结构 ( a ) 1 h 谱及r o e s y 图谱，( b ) r o e s y 局部图谱，( c ) 结构 主、客体结合物1 h 谱中a m p y 谱峰的归属是由1 h 1 hc o s y 的相关峰、谱峰面 积的积分值、化学位移及偶合裂分状态等得到的，归属结果见表1 根据1 h 1 h 华东师范大学硕士学位论文 r o e s y 中出现的相关峰：b 、c 、d 与1 位氢中的一组峰有n o e 相关峰，a 则与1 位 氢的另一组峰有n o e 相关峰( 见图1 1 ) ，这表明吡啶环是进入了t m e q 6 的内腔，a 与b 、c 、d 处于t m e q 6 一个端口的上下而a ，b ，d 与1 位氢观察到n o e 而与5 位 氢没有观察到n o e ，所以吡啶环主要位于主体长截面上另外，e 只与5 位氢的一组 峰有n o e ，而与5 位氢的另一组峰以及主体其他