（有机化学专业论文）吡咯酰胺苯并冠醚离子对识别主体的合成及晶体结构的研究.pdf

天津师范大学硕j 学位论文 摘要 中文摘要 超分子化学是研究两个或多个化学物种通过分子问弱相互作用形成的具有 特定结构和功能的实体或聚集体的科学，现己成为化学中发展迅速、极富挑战性 的新领域之一。离子对识别是指通过一个主体分子同时识别阴离子和阳离子两种 不同电荷的客体，这样就可以消除普通离子识别时相反电荷离子的影响。近年来， 离子对识别已经成为一个新的研究热点。 本论文中，我们通过将吡咯酰胺阴离子识别单元导入冠醚阳离子识别主体 中，成功地设计、合成了三种可能具有离子对识别性能的新型的吡咯酰股苯并冠 醚化合物并研究了它们的晶体结构。 本文共分为三部分，第一部分为前言。该部分主要介绍了分子识别中离子对 识别的兴起、发展及应用等。 在第二部分中，我们介绍了三种目标化合物的合成过程，总结出每一步实验 的最佳合成方案。共合成了十五种化合物，并通过hn m r 、m s 确定了大部分 化合物的结构。其中五种未见文献报道，即4 ，5 二硝基苯并一1 2 一冠4 ( 化合物4 ) 、 4 ，5 二氨基苯并1 2 冠一4 ( 化合物s ) 、4 ，5 二( 1 - 毗咯一2 一羰基) 苯并1 2 冠4 ( 化 合物8 ) 、4 ，5 一二( 1 一4 - n i t 咯2 羰基) 苯并一1 5 冠5 ( 化合物1 1 ) 和4 ，5 二( 1 厚毗 咯2 一羰基) 苯并1 8 冠6 ( 化合物1 6 ) ，后三种为目标产物。 在第三部分中，我们通过x 衍射技术研究了三种目标化合物的晶体结构， 发现它们通过不同的氢键模式组装为不同的拓扑结构，如第一个目标化合物8 在众多氢键的调节下最后组装为3 一d 结构，而后两个目杯化合物1 l 和1 6 则组装 为两种具有不同晶体堆积方式的l d 结构。 由于冠醚单元和溶剂甲醇的存在，三种目标化合物中的吡咯酰胺单元的氢键 模式并不像理论分析的那样，而是出现了一些新的氢键模式。如在化合物8 和 1 6 中出现了吡咯n h o ( 冠醚氧) 之问形成的分子i 日j 氢键，而在化合物l l 和 1 6 中则出现了吡咯n h o ( 溶剂甲醇氧) 之间形成的分子间氢键等。这可能是 l 冠醚或者甲醇中的氧是一种更强的氢键受体以及分子自身的立体结构等因素 所造成的。x 衍射表明它们具有定的识别能力，是可以作为离子对识别主体应 天漳帅范人学坝i j 学位论文摘要 用于分子识别的。 关键词：离子对识别，超分子化学，苯并冠醚，合成，吡咯酰胺 丕堡塑些叁兰堡! ：兰竺堡苎坐 a b s t r a c t s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r yi st h es c i e n c es t u d y i n go nt h ei n t e r m o l e c u l a rw e a k i n t e r a c t i o n sa n dt h e i ra s s e m b l i e sw h i c hm a yh a v es p e c i a ls t r u c t u r e sa n df u n c t i o n s i t h a sd e v e l o p e dr a p i d l ya n db e c o m eo n eo ft h ec h a l l e n g i n gf i e l d s i o n p a i rr e c o g n i t i o n ， n a m e da ss i m u l t a n e o u s l yb i n d sb o t ha n i o n i ca n dc a t i o n i cg u e s t sb yo n eh o s t ，c a l l d i m i n i s ht h ee f f e c to fc o u n t e r i o n a tp r e s e n t ，i th a sb e c o m ean e we m e r g i n gf i e l di n s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y b yc o m b i n a t i o no fa n i o n i cb i n d i n gs i t e ，p y r r o l i ca m i d e ，w i t hc a t i o n i cb i n d i n g s i t e ，c r o w ne t h e r , w eh a v es u c c e s s f u l l yd e s i g n e d a n ds y n t h e s i z e dt h r e en e w c o m p o u n d so f4 , 5 一d i 一( 1 - h - p y r r o l e 一2 c a r b o x a m i d e s ) b e n z o c r o w ne t h e lw h i c hm a y h a v et h ep o t e n t i a la b i l i t yf o rt h eb i n d i n gi o n p a i r t h i sd i s s e r t a t i o ni sm a d eu po ft h r e ep a r t s t h eo r i g i n ，d e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o no ft h ei o n - p a i rr e c o g n i t i o nh a v eb e e ne l a b o r a t e di nt h ef i r s tp a r t i nt h es e c o n dp a r t ，t h es y n t h e s i so ft h r e et a r g e tc o m p o u n d sh a sb e e ni n t r o d u c e d i nd e m i l t h eb e s tp r o c e d u r eo fe v e r ys t e ph a sb e e ns u m m a r i z e d f i f t e e nc o m p o u n d s h a v eb e e ns y n t h e s i z e di nt h i sd i s s e r t a t i o na n dm o s to ft h e mh a v eb e e nc h a r a c t e r i z e d b y 1 hn m r ，m se t c t ot h eb e s to fo a rk n o w l e d g e ，f i v ec o m p o u n d s ，4 , 5 一 d i n i t r o b e n z o 一1 2 一c r o w n - 4 ( 4 ) ，4 , 5 一d i a m i n o b e n z o 一1 2 一c r o w n 一4 ( 5 ) ，4 , 5 - d i 一( 1 一h - p y r r o t e 一 2 - c a r b o x a m i d e s ) 一b e n z o 一1 2 一c r o w n - 4 ( 8 ) ，4 , 5 一d i 一( 1 - h - p y r r o l e 一2 一c a r b o x a m i d e s ) b e n z o 1 5 - c r o w n 一5 ( 1 1 ) a n d4 , 5 一d i 一( 1 一h - p y r r o l e 一2 一c a r b o x a m i d e s ) 一b e n z o 1 8 - c r o w n 一6 ( 1 6 ) ， h a v e n tb e e nr e p o r t e d t h el a s tt h r e ea r et h et a r g e ti o n p a i rh o s t s t h ec r y s t a ls t r u c t u r e so ft h et h r e et a r g e tc o m p o u n d sh a v eb e e ns t u d i e db yt h e x r a yd i f f r a c t i o ni nt h et h i r dp a r t t h r o u g ht h ed i f f e r e n th y d r o g e n b o n d i n gm o t i f s ， t h e ye x h i b i td i f f e r e n tt o p o l o g y f o re x a m p l e ，t h ec r y s t a ls t r u c t u r eo f8i s a3 - d a r c h i t e c t u r e ，w h e r e a se a c ho f1 1a n d1 6c o n t a i n s1 - dm o t i fw i t ht h ed i f f e r e n tc r y s t a l p a c k i n g d u et ot h ep a r t i c i p a t i o no ft h ec r o w ne t h e ro rm e t h a n o l ，t h ep y r r o l i ca m i d e 灭汪师犯人学颀i j 学位沦义 摘要 m o i e t i e so ft h r e et a r g e tc o m p o u n d sc o m p r i s es o m en e wh y d r o g e n b o n d i n gm o t i f s ， w h i c ha r ed i f f e r e n tf r o mt h ep r e v i o u so b s e r v a t i o n i nc r y s t a ls t r u c t u r eo f8 ，t h ep y r r o l e n hg r o u pf o r mn h 0h y d r o g e nb o n dw i t ht h eo x y g e na t o mo ft h ec r o w ne t h e r i n t h ec r y s t a ls t r u c t u r eo f1 1 t h ep y r r o l en hg r o u pf o r mn h oh y d r o g e nb o n dw i t h t h eo x y g e na t o mo fm e t h a n 0 1 i nt h ec r y s t a ls t r u c t u r eo f1 6 ，t h ep y r r o l en hg r o u p f o r mn h 。oh y d r o g e nb o n dw i t ht h eo x y g e na t o m sb o t ho nt h ec r o w ne t h e ra n dt h e m e t h a n 0 1 i tm a ya t t r i b u t et ot h es t e r i cf a c t o ra n dt h eo x y g e na t o m so fc r o w ne t h e ro r m e t h a n o la r eb e t t e r h y d r o g e n b o n d a c c e p t o r t h a n c a r b o n y lo x y g e na t o m s x d i f f r a c t i o ns t u d i e sa l s oi n d i c a t et h a tt h et h r e et a r g e tc o m p o u n d sc o u l db ea p p l i e dt o m o l e c u l a rr e c o g n i t i o na si o n p a i rr e c o g n i t i o nh o s t s k e y w o r d s ：i o n - p a i rr e c o g n i 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 , b e n z o c r o w ne t h e l s y n t h e s i s ，p y r r o l i ca m i d e 独创性声明 本人声明所节交的论文是我个人住导师指导f 进行的研究i + 作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注丰致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得墨壅! 垂蕉盘茔或其它敦育机构的学位或让f 而使川过的材料。 与我一同l 作的同忠对本研究所做的任何贡献均已台论文中什了明确的说明亓表示了谢意。 签名： 互龆 日期： 弛竺； 学位论文版权使用授权书 本人完全了解犬津师范人学有关保留、使h j 学位论文的规定，即：学校有权将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索升采川影印、缩印戏扫描苫复制手段保存、汇 编以供杏阅帮l 借阅。同意学校向国家有关部fj 或机构送交论文的复印什雨l 磁龠。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：亚壅盏导师签名：翌蓟豳 臼期：兰卓：! ：； 天津师托人学硕i ：学位论文 第一章 1 1 超分子化学简介 第一章前言 超分子化学1 1 3 ( s u p r a m o l e c u l e rc h e m i s t r y ) 于6 0 年代未逐步发展起来，现已成 为化学中发展迅速、极富挑战性的新的研究领域之一。超分子化学是研究两个或 多个化学物种借助分子间的弱相互作用力形成的复杂有序且具有特定功能的实 体或聚集体的科学1 2 j ，这种实体或聚集体简称为超分子。j 下如分子是原子| 丑j 通过 共价键连接而形成的一样，超分子( s u p r a m o l e c u l a r ) 贝, 1 是由两个或更多的分子物种 ( s p e c i e s ) 在分子识另t l ( m o l e c u l a rr e c o g n i t i o n ) 的基础上通过分子问的非共价键弱 作用力相互作用而形成的高度复杂的有组织的分子聚集体，这些非共价键弱作 用力主要包括：氢键、静电力、范德华力、疏水相互作用、阳离子i 兀相互作用、 7 1 ：- 7 【s t a c k i n g 作用【4 l 等。1 9 8 7 年，c j p e d e r s e n t 5 1 、d j c r a m i 】和j m l e h n t 6 l 联 袂获得诺贝尔化学奖，被誉为超分子化学的先驱，这标志着化学的发展迈上了一 个新的台阶【3 7 】。超分子化学是- - f 新兴的处于近代化学、材料科学、信息科学 和生命科学交汇点的边缘学科，并逐渐成为当代化学理论和技术的前沿。l e h n 用下图( 图1 i ) 概述了超分子化学的概念，同时展望了从分子到超分子再到分 子器件的发展【8 j 。 f i g 1 1f r o mm o l e c u l a rc h e m i s t r yt os u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y 随着超分子化学的发展，我们可以得出如下两个新观点：1 1 分子问的弱相 互作用力在一定的条件下可以通过加和与协同作用转化为较强的结合力，并通过 组装给超分子体系赋予新的禀性：2 ) 分子己不再是保持物质化学性质的最小粒 子【9 】。 灭津师范人掌顺t 学位论文 第一誊 超分子化学的出现和发展进步使许多学科交叉起来，这不仅淡化了有机化 学、无机化学、生物化学、生命科学和材料科学等学科之间的界限，而且着重强 调了具有新的特定结构和功能的体系，进而为分子器件、分子催化、生命科学和 分子自组装等丌辟了一条崭新的道路。 分予问的弱相互作用力在超分子化学中起着重要的作用。基于弱相互作用力 的分子识另l j ( m o l e c u l a rr e c o g n i t i o n ) 和分子自组装( s e l f - a s s e m b l y ) 是超分子化学研 究中的两个重要领域，而分子识别则是超分子化学的基础和核心，但两者之 问并不是互相独立的，而是具有一定的依赖关系。分子识别是依赖于不同形状、 大小的主体对客体的选择性键合并产生具有某种特定功能的分子聚集体的过程， 而自组装则是更加深入地描述分子构建单元通过分子识别作用自发形成的具有 明确结构的非共价排列方式。现在，以弱相互作用力为核心的合成手段已经被用 来组装构成各种各样的具有特定功能的超分子体系，有目的的合成形状、大小、 功能不的超分子已变成了可能。这些合成是依靠识别位点| b j 的非共价键相 互作用所提供的稳定性来实现的。通过非共价键弱相互作用构成的超分子和通过 传统的共价键构成的分子在性质上有着明显的差异，在一些情况下，前者会具有 新颖的物理、光学、催化、电化学、生物化学等性质。因此，超分子化学已经在 药物化学、主客体化学、分子丌关、分子马达、分子导线和分子器件等方面得到 了广泛的应用。专家们认为随着超分子化学的发展，超分子计算机的实现也指闩 可待。 1 2 分子识别原理 随着生命科学、材科科学及信息科学等领域的高速发展，分子识别已经成为 现代科学技术中富有挑战性的一个热门课题 1 , 6 1 。分子识别是主体化合物与给定 客体化合物之1 甘j 的选择性键合，是一种有目的的键合，具有高度的选择性和专一 性，是基于热力学的稳定性和动力学的选择性的超分子信息的处理过程。在分子 识别的过程中往往会引起体系的电学、光学性质及构象的变化，也可能引起化学 性质的变化，这些变化意味着化学信息的表述、存储、传递及处理。故自8 0 年 代中期以来，人工分子识别研究同益活跃，并已导致氮基酸、多肽、核酸碱基、 核苷酸、碳水化合物、鬲族化合物等人工主体的设计、合成和分子识别模型的研 灭津帅范人学顾 ：学位论文 第一章 究1 1 4 , 1 5 j 。 分子识别过程必须遵循两个原理，即互补性原理( c o m p l e m e n t a r i t yp r i n c i p l e ) 和预组织原理( p r e o r g a n i z a t i o np r i n c i p l e ) 。前者决定着识别过程的选择性，包括空 问结构( 构象、构型) 互补与空矧电学特性( 氢键形成、静电作用、疏水相互作 用等) 互补，其中，空间结构互补也可被称为“锁钥关系”和“诱导契合”( i n d u c e d f i t ) ：后者决定着识别的键合能力，它要求将主体分子中容纳客体的环境尽可能组 织得完美。一般束说，主体的环境组织得越好，它对客体的识别效果越佳“”j 。 如图1 2 所示，化合物a 和c 在形成配合物静既不具有一定的空腔，又没 有合适的键合位置，但与k + 络合时，构象发生了变化，即进行了重组，所生成 的配合物b 和d 中都形成了与k + 互补的空腔及键合位置。 奄一圆四一固 f i g ，j 2 构想的苇组过程 图1 3 表示了主体e 与l i + 和n a + 形成配合物f 和g 时的预组织过程，且晶 体结构表明主体e 在络合荫后构象并没有发生明显的变化。 e f i g 1 3 主体e 的预组织过程 g 分子识别是通过分子问的非共价键弱相互作用力来实现的，如7 【一7 is t a c k i n g 作用、阳离子嘎相互作用、范德华力( 有离子一偶极、偶极一偶极、偶极一诱导偶极 相互作用) 、疏水相互作用、静电相互作用、氢键等。这些弱相瓦作用力一般弱 蓉 n譬 n拳 吐 啦地 e 扣窜。 天律帅范人学坝i j 学位论义 第一章 于共价键作用，共价键的能量一般为4 0 0k j t o o l ，而弱相互作用力则为4 4 0 k j m o l ，但是它们在一定条件下可以通过加和与协同 乍周转化为较强的结合 力。 分子识别在尘命活动中起着非常重要的作用，是尘物体实现其特殊功能的基 本过程。例如，生物酶高效专一地催化生化反应，抗体与抗原的强结合等都是生 物领域分子识别的精巧实例【1 8 , 1 9 1 ，分子识别还可以应用于超分子催化和液膜传输 方面，因为它们都是建立在主客体分子识别的基础之上的。例如：刘宇等【2 0 1 用对 一叔丁基杯【4 芳烃作为流动载体研究了它对a t p 的液膜传输作用。 影响主体识别各种客体的因素主要有：主体空穴的大小、空穴的形状、配位 数、客体的种类等。例如，对强酸性的客体而言，强碱性主体对它的选择性要比 弱碱性主体的强得多，反之亦然。另外，客体的立体结构、所带的基团等对主体 的选择性识别也有影响【2 “。 1 ，3 分子识别超分子化学发展概况 根据被识别客体的种类，可将分子谚 别分为阳离子识别，阴离子识别、离子 对识别和中性分子识别四大类型。 1 3 1 阳离子超分子化学简介 最早丌始研究的是对会属阳离子的选择性配合并出此丌拓了分子识别的领 域。其中研究最早的、最透彻的一类阳离子识别主体化合物是冠醚，并因其具有 能与阳离子形成配合物的特性而被广泛地应用，化学家们通过努力在这方面也取 得了很多令人瞩目的成就。 冠醚主要是通过两种方式识别客体分子的：第一，主体分子与客体分子( 会 属离子) 通过离子一偶极相互作用形成具有一定稳定性的主一客体配合物。按照软 硬酸碱理论1 2 孙，冠醚中的供电原子为氧原子时是硬碱，因而与碱( 土) 会属、镧 f 会属离子等硬酸能形成较稳定的配合物；当氧原子被氮、硫原子取代后则成为 软酸，因而易与a g + 、c u ”、c 0 2 + 等软碱形成较稳定的配合物。第二，主体分子 通过氧键、部分静电作用与客体分子( 如铵离子、有机中性分子、阴离子等) 形 灭律师范人学颇i 学位论文 第一幸 成配合物。冠醚化合物与金属离子可以形成l ：l 的普通配合物、l ：2 的央心配合 物、异常的l ：2 和2 ：2 的双核配合物等多种配合物。 冠醚与会属阳离子络合的方式如图1 4 所示。 尺寸匹配 眇 包裹式 夹心式穴鲢包含式 f i g 1 4 冠醚一金属阳离配合物的结构示意图 杯芳烃及其衍生物也可以识别碱( 土) 会属离子，如杯芳冠醚对会属离子有良 好的识别效果。影响其识别过程的主要因素有：杯芳烃取代基的种类及数目、杯 芳烃的构象和阳离子的配位选择性、杯芳烃的空腔大小与离子大小的匹配程度 等。如醚、酯，酮对碱金属离子的亲和力大于对碱土金属的，酰胺基的则恰好相 反。 葫芦脲和环肽也是一类具有阳离子识别能力的大环主体化合物。其中，葫芦 脲分子中的脲羰基对电荷稠密的阳离子来说是很好的。给体，可以识别脂肪铵阳 离子和会属离子，而环肽是通过环肽羰基氧原子与会属离子配位进行识别的，其 选择性在于离子的尺寸和电荷数【2 4 埘。 近年来，阳离子识别超分子化学在传感器方面的应用引起了许多化学家的兴 趣。目前，有关一些重会属或过渡令属阳离子( 如p b 2 + 、h 9 2 + 、c u 2 + 、z n 2 + 等) 的荧光分子传感器和分子丌关的研究己见诸报道，但有关f e ”的荧光传感器的报 道则很少2 5 2 6 1 。最近，s lh u 等f 2 7 】合成并研究了化合物1 在传感器方面的应用， 研究发现在众多阳离子中它只选择性识别f e 3 + ，因而被作为一种新型的f e 3 + 荧光 传感器。 1 3 2 阴离子超分子化学简介 事实上，识别阴离子和识别阳离子的人工合成主体分子是在同一时间被发现 的，但是，与阳离子超分子化学相比，阴离子超分子化学的发展却滞后了许多。 天津帅他人学硕1 学位论文 第一章 这是由以下几个方面的因素引起的：一、阴离子的体积相对较大，要求与其配位 的配体要具备相当大的空腔，而较大空腔配体的合成是相当困难的：二、阴离子 的电荷密度低，产生的静电引力也比阳离子的弱，这就要求阴离子配体必须带有 相反的电荷彳能与之配位，因此对主体的要求显得比较苛刻：三、阴离子具有一 系列不同的几何特征，如：球形( 卤素离子) 、线形( n 3 一、s c n 一等) 、平面形( n 0 3 一、 c 0 3 2 - 等) 、四面体形( p 0 4 k 、c 1 0 4 一、s 0 4 2 一等) 、八面体形( s b f 6 一、p f 6 一等) 、v 形( a g ( s c n ) ：一等) ，此外，如溶解性、水合能、溶液的p h 值等也是影响阴离子 超分子化学发展的些因素。 阴离子超分子化学发展的转折点发生在1 9 8 4 年。l e h n 2 8 1 等人报道了化合物 2 的阴离子识别，该化合物的6 h + 盐与n 3 一有很高的缔合常数( a s s o c i a t i o n c o n s t a n t ) 。从此以后，在晶体科学和计算技术发展的促进下，大量的阴离子识别 主体化合物涌现出来，使阴离子超分子化学的研究出现了蓬勃生机【2 9 , 3 0 。 阴离子识别单元的类型较多，常见的有：铵和胍单元：酰胺、羧酸官能团中 电中性的极性氢键单元；缺电子中心，如硼、锡、汞、全氟冠醚等；复合物中的 金属阳离子中心等。 质子是最强的l e w i s 酸，用币电荷基团作为阴离子识别位点其作用是很显著 的。如质子化的穴醚可以识别球形的卤离子川，胍在比较宽的p h 值范围被质子 化后，对一些呈弱碱性的磷酸盐、羧酸赫的识别效果优于质子化的含氮冠状醚类 化合物f 3 羽。 仅依靠氢键的中性分子是另一类阴离子识别主体，如杯芳烃上缘的氢键给体 如脲基、酰胺基可作为羧酸阴离子的电中性识别主体。_ o f 八1 “ 嗵裂妒 会属离子被键合后，因其带有一电荷故也可以作为阴离子t 别位点。例如在 穴醚与余属离子形成的l ：2 型双核配合物中，会属离f f u j 的距离足够大时阴离子 灭律师f c 【人擘坝i 学位论文 第一章 就可以镶嵌在它们之间形成串联型配合物，如化合物3 l 3 3 】。 近年来的生物化学研究表明，阴离子及其识别在生命活动中起着非常重要的 作用，有关资料显示它们参加了7 0 酶反应【3 。如磷酸化的阴离子实体在生命 体中无处不在，从基因的复制到能量的传递它们都起着重要的作用。磷酸酶 ( p h o s p h a t a s e s ) 通过对核苷酸的识别及水解，为许多组织活动提供了化学能。氟离 子大量存在于环境水中，过多的摄入会引起人的牙齿、骨髂发生病变，如龋齿。 e p a 规定的饮用水中最大的氟离子含量为4 m g l 。囊肿性纤维化( c y s t i cf i b r o s i s 。 c f ) 是一种常见的致命性基因病，病因是人体内缺乏一种c l 一通道蛋白，不能有效 地从肺的上皮细胞中排泄c l 一和f 一，使得肿部黏液累积所致。众所周知，碘离子 的缺乏容易造成甲状腺疾病。虽然硝酸根本身是无毒的，但是在人体内它却很容 易被还原成亚硝酸根，这时便能氧化血红蛋白中的会属离子，使得血红蛋白失去 载氧能力。同时在工业废水、核燃料工业的废物中都含有大量有害的阴离子需要 处理。以上种种原因必然引起了科学家们对阴离子超分子化学的兴趣。 阴离子传感器是阴离子超分子化学的主要应用之一，近年来，有关荧光阴离 子传感器的报道文献较多，但有关比色阴离子传感器的则少见。最近，d c r e i s 等p 习详细地研究并讨论了化合物4 能与哪些阴离子作用而作为比色传感器。研 究发现，化合物4 在氯仿中显蓝绿色，但质子化后变为无色，将不同量的f - 、 c i 一、b r 、l 一、h 2 p 0 4 。、h s 0 4 一和n 0 3 一分别滴加到4 - h + 的溶液中后，发现只有r 和h 2 p 0 4 - 能使它再显蓝绿色，这是因为f - 和h 2 p 0 4 - 在此过程中作为碱夺走了 4 h + 中的h + 从而使其恢复原态；而加入i - 离子后则显黄色，这是因为i 一离子与 4 h + 形成了一种新的配合物( 具体过程如图1 5 所示) 。 爹a r ”警鱼参端。 “9 “ m 备u “ ”“ f i g 1 5 化合物4 络合f 一、i 一和h 2 p o 。一j j 后的觏色变化情况 天津师范大学硕士学位论文 第一章 1 4 离子对i , a 另l j ( i o n p a i rr e c o g n i t i o n ) l 錾j 进展 1 4 1 离子对识别简介 随着阴离子识别和阳离子识别超分子化学的发展，利用多位点主体分子同时 对阴阳离子进行识别，亦即离子对识别已经成为超分子化学中的一个新的研究热 点之一f 3 邸，】。离子对识别超分子化学是- - t 具有很大发展空间的分支学科，近年 来，虽然有关这方面的研究已经取得了一些可喜的成果，但尚处于起步阶段。 无论识别的对象是阴离子还是阳离子，在识别体系中都必然会有相应的带相 反电荷的离子存在，对于一个识别主体来说，如果要去识别目标离子就必须要与 带有相反电荷的离子进行竞争，这必然就会使识别过程变得复杂化。为了避免这 种无用的竞争，人们曾用大量的四烷基铵基正离子和四芳基硼酸负离子等作为相 反电荷，然而，不但含有这些离子的盐的成本太高，而且它们的使用对于一个真 实的生命体系来说并不可靠。为此人们提出了两种不同的解决方案。一种是双主 体策略，即利用阴、阳离子识别主体的混合物，使阴阳离子对在同一相中分别被 识别。例如，k k a v a l l i e r a t o s 等0 3 s 】用四苯并2 4 冠8 ( 化合物5 ) 和三齿酰胺( 化合 物6 ) 的混合物把c s n 0 3 从水相萃取到1 ，2 二氧乙烷有机相中。qc a f e o 等1 3 9 | 用 环糊精衍生物( 化合物7 ) 和杯 6 1 , i t 咯( 化合物8 ) 的混合物将二氯化白草枯双 性离子化合物从水相萃取到二氯甲烷有机相中。使用双主体的优点在于它们的结 构较简单且合成成本较低。 另一种方法就是在可以键合阳离子的识别主体如杯芳烃、冠醚等分子中导入 识别阴离子的官能团，使得阴离子借助氢键作用、电荷效应和构象效应等同时得 以识别。这种识别的优点在于使用单一化合物就可以同时识别阴阳离子，阴阳离 子之间往往会有协同络合的情况产生。当一种带有电荷的客体离子首先进入主体 后，必然会引起主体分子的静电和构象改变。这就有可能促进其对另一种客体离 子的识别。 对于离子对识别主体的设计大多是通过共价键将阴离子识别单元和阳离子 识别单元键连起来的【4 0 l 。使用的阳离子识别单元主要有冠醚、氮杂冠醚、杯芳 烃等。使用的阴离子识别单元则较为多样，主要有l e w i s 酸中心、吡咯、酰胺， 8 天津师范大学硕士学位论文 第一章 脲、硫脲等。 ( 1 舻 c 黔t m c ：( b ) r = a c p c i c 珥2 比k _ m c 设计并合成出新型的离子对识别主体化合物并研究它们的离子对识别性能 具有重要的科学意义和广泛的实际应用价值。首先，一些重要的生物学功能都是 以离子对识别为基础而进行的。例如，在固氮酶中就有两个空腔单元，其中一个 识别铁离子，另一个则包结a t p a d p 为氢化氮气提供能量。其次，离子对识别 能够提高某些离子化合物的脂溶性，提高它们在非极性溶剂中的溶解性。这种现 象在离子萃取和跨膜传输的研究中具有重要的意义，可被用于处理环境中存在的 一些有害物质。第三，离子对识别的研究将有助于提商对氨基酸、多肽等双性离 子化合物识别的研究，促进仿生模拟研究的发展。第四，在离子对的识别过程中， 阴离子的识别与阳离子的识别是协同作用、相互影响的。所以，研究离子对识别 对研究离子问相互作用和设计新型的阴、阳离子识别主体化合物都是有帮助的。 这些因素必然会引起科学家们对离子对识别超分子化学的研究兴趣。 根据被识别客体的种类，离子对识别可具体分为无机离子对识别和有机离子 对识别两大类。但在已有的文献报道中，有关后者的研究还较少。 9 天津师范人学倾i ：学位论文 第一幸 1 4 2 无机离子对识别 鉴于杯芳烃对化学或生物重要阳离子的独特的识别能力，特别是杯 4 】冠醚 对碱( 土) 会属离子和铵根离子特有的键合能力，最近，j w l e e 等 4 2 1 合成 并研究了化合物9 在比色传感器方面的应用。研究发现，在乙腈中，化合物9 对碱土会属阳离子和f 一有选择性颜色改变的现象。同时发现当化合物9 络合c f + 后使得整个分子的构象发生了改变，从而增强了它对f + 的识别能力，这充分证 明了在离子对识别过程_ 中阴阳离子协同作用的事实( 如图1 6 所示) 。 l e w i s 酸中心由于缺电子可以通过轨道重叠产生配位键相互作用束识别阴离 子，最早见于文献的离子对识别主体就是利用l e w i s 酸中心作为阴离子识别位点 的。 f i g 1 6 化合物9 与r 和c a 2 + 键合过程的构象变化 r e e t z 等h 3 】通过共价键作用将冠醚单元和l e w i s 酸中心硼原子键合合成了早 期的一种离子对识别主体化合物l o 。研究发现，主体l o 能同时络合k + 离子和f 一 离子。通过晶体结构分析发现，k + 镶嵌在大环冠醚的空腔中，而f 一离子则与l e w i s 酸中心硼原子键合。此外，通过3 c n m r 和“b n m r 也证实了这种识别的币确 性。后来，r e e t z 等1 4 4 1 又合成了化合物1 0 的类似物化合物l l ，并且通过实 验发现化合物l l 无沦是在液相中还是在匿【柏i ，都能刚 j 0 谚 别l i 离r 和c l 一离子。 b e e r 等4 5 1 合成了一种新型的“三脚架”形状的主体化合物1 2 ，其分子中含 有= 三个酰胺苯并1 5 冠一5 单元。通过实验发现，它对n a r e o d 、n a l 、n a c i 的识别 ；! ，亭为n a c i n a r e 0 4 n a l ，并且它对钠豁的键合强度依次大于相应的钟盐、铯 特的。还有，它能把n a t c 0 4 从模拟的含有这种放射性物质的废液中有效地萃取 出来。 0 灭漳帅范人学烦l 学位论文 第一章 阳离子在离子对识别过程中，不但能使主体分子的构象转变得更有利于识别 特定的阴离子，而且还能改变其识别的选择性。b e e r 等1 46 l 在羰基铼联毗啶化合 物中导入双酰胺双冠醚单元合成了化合物1 3 和1 4 。研究发现，在有或无k + 存在 的情况下，它们对h 2 p 0 4 。、c i 一的识别能力恰好相反。没有k + 存在时，化合物 1 3 和1 4 优先选择识别h 2 p 0 4 一( 在d m s o 中，kh 2 p 0 4 一= 2 0 5 m - ，k c i - = 5 5 m - ) ， 而有k + 存在时，化合物1 3 和1 4 中的两个冠醚单元先以“央心”方式识别k + ， 从而改变了酰胺部分空腔的大小，所以它们又优先识别c i - ( 在d m s o 中，kh 2 p 0 4 一 ：3 5 m ，k r 广= 3 0 0 m - ) 。 除了含有冠醚、杯芳烃等单元的常见离子对识别主体外，还有一些分子可以 修饰为离子对识别主体。如d j w h i t e 等m 合成了主体化合物1 5 ，它可以识别 硫酸镍得到稳定的单晶。在识别过程中，静电作用和预组织作用发挥了极其重要 的作用( 具体过程如图1 7 所示) 。 手手审 n s f i g 1 7 化合物1 5 对n i 2 + 和s o + 2 一的识月u 过程 1 4 3 有机离子对识别 ，乡j ) 鬻。 n h h h 一嚣 筇 署 天津帅范人学坝i 学位论文 ；一帝 有机离子对识别是离子对识别的另一个重要方面。由于生物体中氨基酸、多 肽等两性离子化合物的存在，所以引起了人们对有机离子对识别的研究兴趣。 j d k i l b u m 等1 4 8 ) 合成了主体化合物1 6 ，研究发现，它能将不同的二羧酸 单钾赫以不同的量从水相萃取到氘代氯仿有机相中( 其识别过程如图1 8 所示) 。 f i g 1 8 化含物1 6 对二羧酸单钾盐的识别过程 gj k i r k o v i t s 等1 合成了几种不同的离子对识别主体化合物1 7 2 0 。研究发 现，1 7 对不同氨基酸( 如：l p h e 、l t r p 、l v y r 、d p h e ) 的识别是一个选择性 识别的过程，其选择性既与氨基酸的类型有关，又与氨基酸的立体结构有关。而 化合物1 8 2 0 则能很好地识别多聚阴离子，如化合物1 8 对草酸根离子和2 硝基 对苯二酸根离子的识别常数分别为2 6 0 m 。和1 0 4 m ；而化合物1 9 和2 0 则能很 好地识别a t p 和a d p ( 1 9 对a t p 和a d p 识别常数分别为5 0 1 0 3 m 。和2 2 1 0 3 m 2 0 对a 限和a d p 识别常数分别为6 8 1 0 3 m “和4 ，0 1 0 3 m 。) 。 k 9、 纵妒 r h l。g 丝监塑 天漳师范人学硕1 。学位论文 第一章 1 5 本论文的选题思路 随着超分子化学的发展，离子对识别已经成为继阳离子识别、阴离子识别和 中性分子识别之后的一个新的具有广大发展空1 1 日j 的研究领域。冠醚具有良好的阳 离子识别能力，对各种碱( 土) 会属、重会属及稀土会属离子等有高度的选择性 识别能力，并且科学家们在冠醚及其衍生物的合成及识别性能的研究方面已经取 得了许多可喜的成绩。他们通过研究发现，当阳离子的直径与冠醚空腔大小匹配 时两者互相作用能产生最好的识别效果，并且，阳离子也可以与两个冠醚单元通 过“夹心方式”形成配合作用而被识别。而吡咯酰胺化合物是一类很好的阴离子 识别主体化合物，如今也己成为阴离子识别主体研究的一个主要方向。我们已经 合成并研究了分别含有一个吡咯酰胺单元、两个吡咯酰脓单元以及三个毗咯酰胺 单元的不同类型的化合物，并取得了很好的成果1 4 1 。 通过查阅大量文献发现。冠醚化合物是最常见的阳离子识别主体化合物，几 乎所有离子对识别主体的不同之处都是阴离子识别位点的选取和它的位置设计。 鉴于以上论述，在酊期吡咯酰胺阴离子识别研究的基础上，我们拟合成一些新型 的同时含有冠醚单元和双臂吡咯酰胺单元的离子列识别主体化合物，即通过键合 毗咯酰胺阴离子识别单元和冠醚阳离子识别单元来合成我们的目标产物。利用冠 醚单元识别阳离子，双臂毗咯酰胺单元识别阴离子，从而达到离子对识别的目的。 目标化合物的具体结构及主要的拟合成路线如下： h n o ，0 2 n c h c l 3 0 2 n h ，n p d 忙 承含川 h t n s c h e m e2 1t h es y n t h e s i so f d i p y r r o l i ea m i d eb e n z o r c r o w ne ! t h e r 冀协 r ，o 。、。厂尸、蓠 天津姊范人学钡 + 学位论文第一章 基于以上的设计，我们分别以不同的化合物作为起始原料，分别通过一系列 连续反应，合成了三种新型的离子对识别主体化合物，即：4 ，5 二( 1 肛吡咯一2 羰基) 一苯并一1 2 一冠一4 、4 , 5 一二一( 1 一限吡咯一2 一羰基) 一苯并一1 5 - 冠，5 和4 ，5 二一( 卜b - 口t t 咯 一2 - 羰基) 一苯并- 1 8 冠一6 。希望它们能够对不同的离子对或双性离子化合物有所识 别。 参考文献 【i d j c r a m ，a n g e w c h e mi n t e de n 9 1 ，1 9 8 8 ，2 7 ，1 0 0 9 【2 】姚虹，曲j 匕师范人学硕+ 学位论文，2 0 0 5 【3 】童林鉴昂劫： 簿记学基础每嗍叼，北京：科学出版社2 0 0 1 ，1 0 1 2 【4 】尹振明，南开人学l 尊十学位论文，2 0 0 4 ，l 8 6 5 】c j p e t e r s o n ，a n g e w c h e m 抽，尉e n 9 1 ，1 9 8 8 ，2 7 ，1 0 2 1 【6 】j m l e h n ，a n g e wc h e m i n te d , e n g l , ，1 9 8 8 ，2 7 ，8 9 1 9 9 0 ，2 9 ，i3 0 4 【7 】孙沾，南开人学硕十学仿论文，2 0 0 5 【8 】j m l e h n ，s c i e n c e ，1 9 8 5 ，2 2 7 ，8 4 9 【9 】徐筱杰，彦分f 罄箢- 钡分f 缈耖群，北京：科学技术出版礼2 0 0 0 。3 1 0 】千宁凯，武汉人学硕十学位论文，2 0 0 4 。l 2 【1 1 】孙小强，盂启，闶海波，磨分f 纪学导坩，北京：中国讹出版社1 9 9 7 【1 2 1j m l e h ，z i n c l u s i o n p h e n o m m o l e c t l a r r e c o g n i t i o n i n c h e m ，1 9 9 8 ，6 3 5 1 【i3 】n a n o s t r u c t u r e ，c h e m ，r e v , ，1 9 9 9 ，9 9 ，7