（物理化学专业论文）手性金属卟啉的合成光学性质及分子识别研究.pdf

摘要 摘要 卟啉化学是化学、医学、材料学和信息学等领域多学科交叉的研究热点，在牛物无机 化学、配位化学和主客体化学等领域都具有重要意义。近年来，卟啉化学在原有的基础上， 融入其他领域的观点、方法和手段，又有了新的发展方向，不断涌现具有新型功能的卟啉 化合物。其中，分子识别、分子组装和材料卟啉等方面的发展极为迅速，已经成为当前卟 啉化学研究的前沿课题。本论文研究了手性金属卟啉的光学材料性质、对含氮小分子及手 性氮基酸酯客体的分子识别，并应用理论化学工具，进行了深入的探讨和研究。本论文主 要内容如下： 1 、为了探讨分子识别的机制，设计并合成了b o c 保护氨基酸在不同位置修饰的卟啉衍生 物，通过对比的方法确定主客体间分子识别的特点。合成产物经元素分析、核磁共振 波谱、紫外可见光谱、园二色光谱等多种实验方法进行了表征。此外，合成了单取代 对羟基卟啉与二溴烷烃相连的不对称自由卟啉及其锌卟啉，与合成的b o c 保护氨基酸 修饰的卟啉衍生物共同作为卟啉非线性光学性质研究的主体化合物。采用理论计算的 方法对主体化合物进行了构象研究，从本质上进一步理解主体化合物内部所存在的各 种能量关系，为研究主客体分子识别反应中电子转移和能量转移的过程提供了必要的 理论基础。 2 、研究了手性b o c 保护氨基酸修饰的锌卟啉对眯唑类客体的分子识别行为。通过紫外- 可见光谱滴定法测定了识别体系的缔合常数，研究了各种因素对主客体体系缔合能力 的影响。实验结果表明，各类配合物的平衡常数均随温度的升高而降低；不同主客体 体系缔合常数的顺序与主客体结构都有关；识别体系为放热，熵减的反应，反应的驱 动力是焓驱动；采用理论计算和园二色光谱的方法，研究了咪唑类客体在与手性锌卟 啉之间进行分子识别反应时，客体配位主体位置的变化，这对于研究卟啉分子识别起 到一定的作用。 3 、研究了手性b o c 保护氨基酸修饰的锌卟啉对氨基酸酯的手性分子识别行为。通过对比 的方法，发现主体中手性基团位置的差异引起了不同的识别特点，这不同于所见文献 中出现的手性识别特征。测定了手性识别过程的缔合常数，计算了识别过程的热力学 常数，h m 。、，s m o 和r g 。，确定手性识别的驱动力是焓驱动；计算了各个识别体系的 对映异构体选择性，阐述了选择性与温度的关系，发现低温有利于提高选择性，为手 性分子识别的应用研究提供了实验材料和理论依据。通过园二色光谱研究了识别体系 南开大学博士学位论文 的缔合过程；解释了主客体体系园二色光谱形成的机理；验证了主客体之间手性识别 缔合能力的大小与c d 光谱强度的关系。采用模拟退火法和量子化学计算方法对识别 体系进行了理论研究，证实了主体对l 一d 氨基酸酯客体的不同结合能力，从本质上 确定了主客体之间存在着电子转移和能量转移的特征，以期达到理论与实验相结合的 最佳研究方式。 4 、 首次研究了手性基团修饰卟啉的三阶非线性光学特征。在纳秒( n s ) 领域中，通过z 一扫 描技术测定了手性锌卟啉的三阶非线性折射率。研究结果表明，手性氨基酸修饰的卟 啉化合物具有最大的三阶非线性折射率，这对于通过改变卟啉类化合物的结构来提高 三阶非线性折射率是一有效的方法，为发展新型光学材料研究提供了一条可以借鉴的 途径。同时，由此我们也惊喜地发现手性氨基酸修饰的卟啉化合物具有光学非线性特 性，这对进一步研究卟啉类化合物新的功能起到了一定的推动作用。 关键词：手性金属卟啉，分子识别，c d 光谱，模拟退火，量子化学，非线性光学性质 z 扫描 垫茎 a b s t r a c t p o h y r i n c h e m i s t r yh a s 甜r e a d yb e e ni m p o r t a n ti nm a n yi n t e r s e c t i o n a i i n v e s t i g a t i o n ss u c ha s c h e m i s t r y ，p h y s i c ，l i f em a t e r i a la n di n f o 彻a t i c s m e t a l i o p o r p h ”i n sa r eo fg r e a ts i g n i f i c a n c ei n 如e 豇e l do f b i 幽】o f g a n i ce h e m i s t i mc r d i n a t i o nc h e m i s i r ya n dh o s t - g u e s tc h e i n i s t r y 、i nr e c e n t y e a r s ，p o 甲h y r i nc h e m i s t r yh a sm a n yd i 航r e n td e v e j o p m e n to r i e n t a t i o nj nc o m b i n a t i o nw j t ht h e o t h e rv i e w p o i n t 、m e t h o da n dt o o l ，m a j l yn e wf u n c t j o n a 】p o i p h y nc o m p l e x a t i o n sa r ee m e f g e d f b mt i m et ot i m e i np a r t i c u l a r ，m o i e c u l a rr e c o g n i t j o n 、m 0 1 e c u i a ra s s e m b l i e sa n dm a t e r i a l p o r p h y r i nh a v et h ei r r l p o r t a l l td e v e l o p m e ma n db e e n 血ec u r r e n tm a i no b j e c ti nh o s t g u e s t c h e m i s t r y m o l e c u l a r r e c o g n i t i o na n do p t i c a lp r o p e r t i e so f t h ec h i r a lp o r p h y r i nh a v eb e e ns t u d i e d i nt h i s 血e s i s ，a 1 1 dt h e o r e t i cc h e m i s t r yh a sb e e np e r f o m l e dt oi n v e s t i g a t e t h em a i nc o n t e n ti s s h o w na sf b l l o w s ： 1 i na 1 1e f f o r tt oe l u c i d a t et 1 1 em e c h a j l i s m so ft h em 0 1 e c u l a rr e c o g n i t i o n ，t h ef r e ea n dz i n c p o 印h y r i n sm o d i f i e di n d i 妇e r e m p o s i t i o nb ya m i n oa c i dd e r i v a t i v e sw e r ed e s i g n e d 、 s y m h e s i z e da n dc h a r a c t e r i z e db ye l e m e n t a r ya n a l y s i s ，u v - v i s ，1 h n m r ，i r ，c ds p e c t r u mi n a d d i t i o n ，a s y m m e t r i cp o r p h y r i n sw e r ea l s os y n t h e s i z e da n dc h a r a c t e r i z e d a l lh o s t sw e r e u s e dt os t u d yn o n l i n e a ro p t i c a lp r o p e n i e s t h ec o n f o m a t i o n so fd i 丘色r e n th o s t sw e r e s e a r c h e di no r d e rt ou n d e r s dm er o l eo fc h a r g et r a i l s f e ra f l de n e r g yt r a n s f e rb yt h em e t h o d o ft h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n s 2 t h em o l e c u l a rr e c o g n i t i o nw a ss t u d i e db e t w e e ni m i d a z o l e sa n dm o d i f i e dz i n cp o r p h y r i n s t h ea s s o c i a t i o nc o n s t a m so fm er e c o g n i t i o ns y s t e mw e r em e a s u r e db yo fu v v l st i t r “o n e x p e r i m e n t s ，a n d 世色c tf 她t o r so fa s s o c i a t i o nc o n s t a n t sw e r ed i s c u s s e d ，w h i c hi n c l u d et h e s t e r i c c o 耐j g u r a t i o n o fh o s t ， g u e s t m o l e c u l e sa n dt e m p e r a t u r e t h et 圭1 e m l o d y n a m i c p r o p e n i e sa n de n t h a i p y - e n t r o p yc o m p e n s a t i o nw e r ec o n s i d e r e d ，t h ed r i v i n g f b r c ew a s e n t h a i p yi n t h er e c o g n i t i o ns y s t e m t h r o u 曲c i r c u l a rd i c h r o i s ms p e c t r aa n dt h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o nm e t h o d ，t h ec h a i l g eo f p o s i t i o nw h i c hi m i d a z o l e sc o o r d i n a t e dt oh o s tw a ss t u d i e d i ti si m p o n a n tt 0s t u d yt h es t n j c t u r a lc h a r a c t e r i z a t i o no f p o i p h y r i n 3 t h ec h i r a jr e c o g n i t i o no fa m i n oa c i de s c e r sb ym o d i f i e dz i n cp o r p h y r i n sw a si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t sr e v e a l e dt h a tt h er e c o g n i t i o nc h a r a c e e r i s t i co fc m r a lm a t c he x i s t e di nr e c o g n i t i o n s y s t e mb e c a u s eo ft h ed i 矗b r e n tp o s j t i o no ft h ec h i r a ls i d ec h a i n ，w h j c hj sn 讲f a m a rw j t h t h er e c o g n j t i o np f o p e n i e si nt h ec u 玎e n tp a p e r s t h ea s s o c i a t i o nc o n s t a n t sb e n v e e nh o s f sa n d 南开大学博士学位论文 g u e s t sw e r em e a s u r e d t h em e n o d y n 锄i cp a r 锄e t e r sa n de n t h a l p y e n l r o p yc o m p e n s a t j o n r e l a t i o n s h i pw e r ei n v e s t i g a t e d ，t h ed r i v i n gf o r c ew a se n t h a l p yi nc h i r a lr e c o g n i t i o np r o c e s s t h ee n a n t i o s e l e c t i v i t i e s 、v e r ec a l c u l a t e d t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n s e l e c “v i t y a n d t e m p e r a t u r eh a sb e e nd i s c u s s e d ，a n di ti se x p e c t e dt ob eu s e 如lt ot h ea p p l i c a t i o no fc h i r a l r e c o g n i t i o n c i r c “a rd i c h r o i s m s p e c t r ah a v e b e e n u s e dt oe x p l a i nc h i r a lm o l e c u l a r r e c o g n i t i o n i na d d i l i o n ，t h ec o n f o r m a t i o n sw i t hm i n i m a le n e r g yo fh o s t g u e s tm o j e c u l a r s y s t e m sw e r es o u g h tb ym 0 1 e c u l a rd y n 锄i c sm e t h o d e x p e r i m e n t a le s s e n c ew a sm o r e d e 印1 yd j s c u s s e d 疗o mt h ep o i n to fc h a 唱et 瑚衄s f e ra 1 1 de n e f g y 仃a n s f e l 4 t h et h i r d o r d e rn o n l i n e a ro p t i c a lp r o p e r t i e so fc h i r a lp o r 】) h y r i nc o h l p l e x e sw e r es t u d i e dw i t h n a l l o s e c o n d1 a s e rp u l s e sa t5 3 2m b yz s c a nt e c l l l l i q u e s t h em e m o d i sn o tr e p o r t e di n m e f a t u r ea sf o ro u rk n o w l e d g e t h er e s u l t si l l u m i n a t e ：( 1 ) m e s ec o m p o u n d ss h o w e dv e r y s t r o n gr e v e r s es a t u r a b l ea b s o r p t i o na 1 1 ds e l f - d e f o c u s i n ge 脏c t ，( 2 ) b e c a u s eo f 妇d i 髓r e n t p o s i t i o no ft 1 1 es i d ec h a i n ，h o s t sh a dd i r e n tp o i a r i z e dd e g r e e ，h o s t 1g a v et h ei a r g e r n o n 】i n e a rr e 矗i a c t i v ei n d e xn 2 ( 9 8 5 1 0 。9 e s u ) t h e s ec o m p o u n d e sa r ep r o m i s i n gf o ro p t i c a l l i m i t i n g k e y w o r d s ：c 1 1 i 豫im e t a i l o p o 译h y r i n ；m o l e c u i a rr e c o g n i t i o n ；c i r c u l a rd i c h r o i s m ；s i m u l a t e d a n n e a l i n g ；q u a n t 啪c h e m i s n _ y ；n o n l i n e a ro p t i c a lp r o p e r t y ；z s c a l l 南开_ 人学博士学位论文 主要创新点 1 为探讨分子识别的机制，深入的了解主客体化学识别体系中的驱动力、主体与客体分 子之间结合的方式及主客体间分子识别的特点，我们设计并首次合成了b o c 保护氨基酸在 不同位置修饰的卟啉衍生物，并通过多种谱学方法进行了表征。第二部分的合成工作是通 过单取代对羟基卟啉与二溴烷烃相连合成的不对称自由卟啉及其锌卟啉。采用园二色光谱 和构象搜索法，较深入地讨论了各主体分子结构的特点。园二色光谱实验结果验证，这些 主体化合物都具有手性识别中心，为研究主客体之间的分子识别机制提供了必要的立体构 型。并解释了不同主体中虽然连有相同手性基团，确出现相反c d 光谱的直接原因。 2 用紫外可见光谱滴定法研究了主体与含氮类客体及手性氨基酸酯的分子识别行为。通 过对比的方法，发现主体中手性基团位置的差异引起了不同的识别特点。确定分子识别反 应的驱动力是焓驱动。通过园二色光谱研究了识别体系的缔合过程，发现客体配位主体反 应时出现了方向上的选择性，这在主客体识别体系中是一新颖的识别特点。c d 光谱是研 究手性分子识别的有力工具，在该领域有很好的应用前景。 3 采用理论计算的方法对主体化合物和主客体体系进行了构象研究。量化计算得到原子 静电荷、h o m o 、l u m o 轨道能量，从本质上进一步理解识别体系中主客体的结合方式、 主客体间电子转移和能量转移的特点及识别体系中所存在的各种能量关系。将理论计算化 学应用于分子识别体系，为研究主客体分子识别反应提供了必要的理论基础，对研究主客 体之间的相互作用特点起到了独特的作用。 4 首次研究了手性基团修饰卟啉的三阶非线性光学性质，通过z 扫描技术测定了手性卟 啉化合物的三阶非线性折射率。文中较深入地研究了相同手性基团在不同位置及不同手性 基团在相同位置对卟啉化合物三阶非线性光学性质的影响，为开发新型材料提供了一条新 的参考途径，有一定的开发和使用价值。 第一章前刍 第一章前言 1 1引言 卟啉( p o r p h y r i n s ) 是在卟吩( p o i p h i n e ) 外环上带有取代基的同系物和衍生物的总称，其母 体是一个卟吩自由碱。卟吩是一种具有共轭双键的大环四毗咯体系( 分子结构如图l l 所 示) ，具有4 n + 2 电子稳定体系，具有芳香性，有两个共振异构体。卟吩分子中四个吡咯环 有八个b 位和四个m e s o 位( 即中位，图1 1 中的5 ，1 0 ，1 5 ，2 0 四个位置) ，这些位置的氢 原子均可被其他基团所取代，形成各种各样具有不问功能的卟啉衍生物。 b 位 b 位一 m e s o 位2 m e s o 位 图1 1 卟吩的分子结构 图1 3 血红素 闰1 2 细胞色素 目1 4 叶绿素 卟啉化合物环内氢原子被金属离子取代后形成的配合物统称为金属卟啉化合物 ( m e t a l l 。p 。r p h y r i n s ) 。卟啉及金属卟啉广泛存在于自然界和生物体中，是细胞色素( 图l 2 ) 、 南开大学博士学位论文 血红素( 图1 3 ) 、叶绿素( 图1 4 ) 等生物大分子的核心部分。多年来，人们在对卟啉性质的 研究上已取得了令人瞩目的成就。卟琳及金属卟啉配合物在生物化学上具有非常重要的地 位1 2 母】，在生物体系中，卟啉的合成以甘氨酸和琥珀酸辅a 为基本原料在酶的作用下经多 步反应得以完成。利用人工合成的金属卟啉配合物对细胞色素、血红索、叶绿素等生物大 分子的功能进行模拟一直是人们研究的主要目的。目前，利用金属卧啉配合物已实现对如 下生物机能的模拟，例如：j a m e sp - c o l l m a i l 合成了多种金属卟啉氧载体m “】，用于模拟血 红蛋白的载氧功能 1 2 - 1 7 】；氧化酶细胞色素p 4 5 0 1 8 2 3 1 及其过氧h 酶在温和条件下的催化氧 化还原模型f 2 4 j ：b o x 和c i o s s 设计模拟反应中心s p e c i a lp a i r 的各种叶绿素衍生物等。除此 之外，卧啉化合物还应用在癌症的早期诊断和光动力治疗【2 5 - 3 0 】，收集光能【3 l - 3 引，用作灵敏 的显色荆以及用于固定电极表面口5 ，3 6 】等等方面。 从此卟啉化合物的研究以迅雷不及掩耳的速度猛力发展，不断涌现具有新型功能的卟 啉化合物 ”】。近年来，随着科学技术的深入发展，各个学科领域之间产生越来越多和越来 越深的交叉，同时也促进了原学科的发展。卟啉化学在原有的基础上，融入其他领域的观 点、方法和手段，又有了新的发展方向。其中，分子识别、分子组装和材料化学等方面的 发展极为迅速，已经发展成为当前卟啉化学研究的前沿课题。 1 2 卟啉的分子识别研究进展 生物体大分子之间的专一结合现象称为分子识别。分子识别( m o l e c u l a rr e c o g n j t i o n ) 是 超分子化学的核心概念。所谓分子识别是指主体( 受体) 对客体( 底物) 选择性结合并产生某 种特定功能的过程f 3 8 1 。分子识别是主客体化学的一个重要研究方面，是生物体系高度组织 化过程赖以进行的一个基本作用方式，在酶促反应、免疫反应和蛋白质的生物合成等许多 生物化学过程中都具有十分重要的意义。配体上带有某种官能团、有特定空间构象的配体 与有机分子或生物分子之间的不同程度的专一结合现象，这就是配合物的分子识别，例如 型和a 型的邻菲罗啉金属配合物 m ( p h e n ) 3 】2 + 可以选择性插入b 型和z 型d n a 的双螺旋 结构中，从而实现对b 型和z 型d n a 识别3 9 1 。配合物分子识别的研究是当今仿生化学、 配位化学和生物无机化学研究的前沿课题【4 0 “j 。 主客体相互作用和识别必须满足如下的条件【4 3 】：主体空间的大小和形状要与客体分子 相吻合；主体内腔表面的基团与客体表面的基团之间存在着互补关系，即通过氢键、正负 离子之问的静电引力、芳香团中离域键间的t c 电子重叠作用、疏水作用等弱的分子问相互 作用力来维系和稳定主客体间缔合的状态。如果同时存在两个结构相似的底物分子，则它 第一章前言 们将互相竞争与主体的缔合。这种作用是酶的抑制作用以及药物分子专一性作用的基础。 在分子识别中，冠醚m 4 6 1 、环糊精 5 “、卟啉1 5 2 枷1 等都是常见的主体分子，它们的共 同点是结构中都有空腔，可以包结金属离子或客体分子。作为生物体分子的基本组成结构， 研究卟啉的分子识别就更加接近于生命活动的真实过程，这对于探索生命研究的奥秘也就 具有突出重要的意义。卟啉作为一种识别能力很强的主体化合物，主要是因为它具有以下 几个方面的优点： a 兀电子共轭的刚性平面结构，周边官能团的方向和位置可以较好地得到控制。该结构 很适合作为设计立体结构分子的框架。 b 卟啉分子有较大的表面。对轴向配体周围的空间体积和相互作用方向的控制余地较大。 c 金属卧啉配合物的结构具有多样性。它具有四个m e s o 位和八个d 一毗咯位置可用以立体 分子设计。 基于以上优点，金属卟啉配合物可以对多种有机和生物分予进行识别，如氨基酸、核 苷、d n a 、糖类等进行识别。故它的分子识别研究具有广阔的前景。 12 1 手性识别研究 生物分子多数都具有手性，手性分子识别在生化反应中极其重要。金属卟啉的手性分 子识别研究是当今卟啉仿生化学的重要课题【6 i - 7 ”。手性金属卟啉作为光学活性分子的对映 选择识别受体和手性核磁共振试剂尤为引人注目。要产生手性识别，主客体分子之间至少 必须有三个作用点。虽然通过氢键、主体排斥、疏水作用和静电作用等方式可以实现多重 相互作用，但要使这些固定在特定的位置和方向却不容易，因此手性识别需要更加精密的 分子设计。 e l e d r o s t a a ci n 协阳d i o n 。 v a nd e rw 鱼a l si n t e r a c t i o n h y d r o p h o b i ci n f e 怕d i o n ， s f e n cr e p u l s j o n ， e t c 幽1 5 氮基酸酯多点识别示意图 h y d r o g e nb 。n d i n g ， c o u l o m b i ci n l e r a d i o n d i p o i e d j p 0 i en l e r a d l o n o r d j n a t j o ni n f e r a c t i o n e i c 以卟啉作为主体分子对手性氨基酸酯的分子识别是近些年来的热点之一7 2 4 6 1 。当金属 卟啉作为主体分子时，卟啉环中的金属离子起到l e w i s 酸的作用，可以结合1 e w i s 碱如氨基 酸酯，其中锌卟啉是常见的一种主体分子。氨基酸是生命体系中蛋臼质的主要组成部分， 、 呸 也x 南开= 学博士学位论文 对氨基酸及其衍生物的分子识别一直是主客体化学领域中的重要课题7 ”。这不仅是由于它 具有重要的生物意义，还因为其独特的结构也使其非常适合作为被识别的客体。氨基酸的 羧基和氨基于 啉主体活性中心之间以轴向配位键、氢键等连接，或是其它静电作用力， 如库仑力、偶极一偶极相互作用力等等。氨基酸分子碳上的基团也可以与主体分予之间 通过v a i ld e r w 妇l s 作用力、静电相互作用、疏水作用、空间排斥能等结合起来，从而参与 形成一个新的识别点，如图1 5 所示。氨基酸作为客体的主客体体系为分子识别研究提供 了一个理想的化学工具，通过它我们可以系统地探讨识别体系的功能和分子间的相互作 用。 t a d a s h im i z u t a n i 科研小组合成了几种非水溶性锌卟啉和几种水溶性锌卟啉( 图l ，6 ) ，研 究了主客体之间的识别机理和溶剂化效应f 7 8 j 。 m e o ，c c 0 2 m o r ；( c h 2 ) n c o o m el ：n = l ；2 ：n = 4 ；3 ：n = 1 0 ；4 ：r = m e k 0 2 c m e c 0 2 k r = ( c h 2 ) n c o o kl a ：n = l ；2 a ：n = 4 ；3 a ：n = l o 0 2 k 图1 6t a d “h im i z u t a n i 科研小组台成的主体锌卟啉 d 第一章前言 紫外光谱滴定实验结果表明，在主体卟啉分子与芳香族氨基酸甲酯和脂肪族氨基酸甲 酯识别体系之间，c h 讯型相互作用和空间排斥力控制着主客体间的立体选择性。实验进 一步确定，在卟啉与胺类和氨基酸酯类的主客体识别体系中，存在着两种驱动力：( 1 ) 静电 力：( 2 ) 焓熵驱动力。热力学参数的结果说明，在非水溶剂中，焓变是主客体识别体系中的 主要驱动力，而在水溶剂中，焓变和溶剂化效应共同驱动主客体间的相互作用。 计亮年在2 0 0 0 年报导合成对羧基卟啉( 图1 7 ) ，采用核磁手段检测并提出一种与o g o s h i 不同的主客体结合模式7 9 1 。这种结合模式指出氨基酸酯上的n h 2 基团没有和卟啉中心的 z n 离子结合形成配位键，而是与侧链羧基的氢原子形成氢键作用。与z n 离子发生配合作 用的是氨基酸羧基上的氧原子。 图1 7 对羧基卟啉与氨基酸乙酯的结合模式 a c h l r a lc o m u g a 佃 。 i 。 l 一 、v 弋 图1 8 钳子型锌卟啉的结构以及与手性二胺配体结合示意图 5 ，节人猡弘k氍 l_毛i。垒|醚 ” 夕个跫 南开大学博士学位论史 k o j i n a k a n i s h i 和n i n a b e r o v a 在2 0 叭年报道了一种钳子型双卟啉【b o 】，以其作为主体 对各种手性二胺配体进行识别，如图i 8 所示，并用c d 光谱和核磁滴定光谱的方法确定 主客体化合物的绝对构型。 i m a d a t 等人利用硼酸合成一种卟啉化合物( 图1 9 ) ，用于识别两个含有磷酸盐的仿生 葡萄糖分子d g l u c o s e 一6 _ p h o s p h a t e ( g 一6 。p ) 和c 【一d g l u c o s e 一1 一p h o s p h a t e ( g 一1 一p ) m 8 引。研究发 现，在客体分子d g l u c o s e 一6 一p h o s p h a t e 和主体之间存在着两点识别作用；而在 a d 9 1 u c o s e 一1 p h o s p h a t e 与主体之间，当c 4 和c 6 一二醇键连硼酸时，葡萄糖分子中的磷酸 根不能配位于主体分子中的锌离子。园二色光谱进步确定，d g l u c o s e - 6 一p h o s p h a t e ( g 一6 - p ) 与主体形成的主客体体系有强的c d 光谱特征。 主体分子 主客体体系 g 1 p g 一6 一p 葡萄糖分子 图1 9l m a d at 等人合成的卟啉化台物及客体分子结构 l2 2 对官能团的分子识别研究 主体分子与客体分子之间的多重作用对于官能团识别是必不可少的。因此，金属卟啉 配合物除中心金属离子的配位外，周边还必须有固定于特定位置的功能团才能达到对客体 分子的官能团识别。 1 址a s h ih a y a s h i 等人合成了一种由联萘连接的手性二聚锌卟啉( 图1 1 0 ) ，运用核磁共 振、电子光谱和c d 光谱的方法，研究了该二聚卧琳对客体脂肪组族二元胺类分子的识别 堑二兰墅i 研究8 33 。实验表明，二胺类客体分子中的氮原子与手性锌卟啉中的中心锌离子进行配位反 应，具有较大的平衡常数。主客体识别体系的园二色光谱强度依靠客体分子中两个氮原子 之间的距离变化，同时c d 光谱也表明了主体分子中两个卟啉环之间的角度变化和手性扭 曲的灵活性。 图1 ，l o1 酞a s h ih 纠a “等人合成联萘锌卟啉 上海有机化学研究所黎占亭教授科研小组于2 0 0 4 年合成了一种薪颖的卟啉化合物( 图 1 11 ) 1 8 ”。核磁若振实验确定该化合物是依靠靼个氢键相互作用，具有s 构型的组装体。由 1 hn m r 、u v - v i s 和蒸气渗透压实验进一步验证发现，该主体分子能够选择性的识别芳香 族联吡啶类分子( 图1 1 2 ) ，是识别体系中的一种新型主体。在主客体体系中，吡啶类分子 配位于主体，形成了稳定的体系。 堕互型兰堂垡堡苎 图1 1 1 主客体识别体系的分子结构图 。n 人) ，n 八 = = 图1 1 2 毗啶类客体分子结构 1 3 理论化学计算 随着计算机和计算方法的快速发展，理论化学计算方法在对化学实验的解释、分析和 实验结果的预测等方面已经发挥和正在继续发挥着积极作用。理论化学计算在化学和生物 等领域中的应用也越来越广泛，有力地推动了这些学科的深入发展。本论文中将理论化学 计算作为种新型方法，在实验化学的基础上，解释实验现象，分析和讨论实验结果，以 其达到实验结果与理论计算结果较好的结合。 理论化学计算通常采用的方法是：量子化学计算，分子力学计算。 i 3 1 量子化学计算方法简介 量子化学是药物化学、有机化学研究中的有力工具。量子化学计算又称分子轨道法， r 一一 蔓二童墼直 根据量子力学原理，分子的所有性质均可以通过解s c h r 6 d i n g e r 方程来获得【8 5 86 1 ： h v = e w 其中h 为哈密顿算符，v 为波函数，e 为体系的能量或称为本征值。通过计算可以得 到分子的总能量、能级、空间构型、偶极矩、电荷分布、分子静电势及其它参数。它探讨 分子或原子内的电子运动，原则上用量子化学方法计算的结果可以从本质上解释配体与主 体之间的相互作用。 量子化学进行构象分析有从头算方法( a bi n i t o ) 和半经验方法【8 7 。能量计算可以采用自 治场或微扰理论方法。从头算方法是在非相对论近似，核冻结近似( 波恩一奥本海默近似) 和轨道近似( 单电子近似) 的基础上，将分子轨道表示成原子轨道的线形组合( a o l c m o ) ， 用自恰场法解h a m e e f o r c k r o o t h a a “h f r ) 方程，得到体系的波函数，再计算体系的各种 性质。常用的量子化学从头算方法( a bm i t o ) 包括h f ( h a n r e e - f o c k ) 、m p 2 ( 二级m m l l e n p l e s s e t 微扰理论) 、d f t ( 密度泛函，最重要的是b 3 l y p ，即b e c k e 三参数泛函) 等方法。使用该方 法进行计算时需要定义基组，它是组基函数的组合。与小基组相比，大基组使用更多的 基函数，从而精确度更高，但耗费较多的计算时间。对于有机或无机化合物，普遍采用的 基组是6 3 1 g 基组。 在主客体体系的研究领域中，通过量子化学计算得到的数据，可以解释会属配合物及 其主客体体系的空间结构特点，主客体之间缔合能力的大小及其决定因素，主客体体系的 空间效应和电子效应。因此，量子化学理论计算在主客体体系的研究领域起着重要的作用， 将量子化学理论计算方法应用于分子识别是对主客体体系研究的一个巨大的推动。 1 3 2 分子力学和分子动力学【8 8 】 分子力学是基于分子经典力学的方法，分子力学计算的核心是构筑力场。力场的势能 函数一般包括键的伸缩，键角的弯曲，柔性键的内旋转，、d e r w a a l s 作用力，静电力等。 在进行量子化学计算之前，首先要确定研究分子或体系的构象。常用的构象分析方法有随 机搜索、系统搜索以及分子动力学，分子动力学又包括动力学平衡法和模拟退火法。 根据单键旋转搜索构象的方法包括：系统搜索( s y s t e ms e a r c h ) 、随机搜索( r a n d o m s e a r c h ) 和网格搜索( 鲈i ds e a r c h ) 。系统搜索方法是系统地搜索整个构象空间，借以寻找能 量最小点。从理论上讲系统搜索可以彻底解决构象的搜索问题。最基本的系统搜索方法是 格点搜索，即在构象空间中以小的间隔变量进行逐点搜索，如果变量足够小的话，则有可 能搜索到全部的可能性，但这样详尽的计算，工作量之大难以想象，因此对于较大的分子 系统搜索方法一般无法应用。一般而言，系统搜索方法的优越性体现在自由度在l 啦2 0 个 分子的构象分析。为加快系统搜索的搜索速率，现在提出了不少改进算法，如树桩搜索方 法、过滤算法等。 模拟退火方法也称为蒙特卡罗退火方法、概率上升方法、统计降温方法或者随机弛豫 方法。模拟退火法中又包括指数方式、阶梯方式和直线方式等三种退火方式。模拟退火方 法是采用m o m ec a r l o 方法中的m e t r o p o l i s 采样算法进行构型空间搜索。该方法可以有效地 寻找分子的优势构象，达到能量的真正最低点。其优点是，它取舍构象时不仅接受能量下 降的变化，同时也接受部分能量上升的变化，因而就有可能跳出局部势阱，寻找到体系能 量最低点。 1 4 卟啉非线性光学性质研究 非线性光学材料是波导电光调制器件，光信息存储元件和光导计算机等高科技研究领 域的关键基础物质。非线性光学材料的制备技术和材料的结构一| 兰e 能研究成了当今十分活 跃的高技术研究课题。近年来，卟啉的非线性光学性能研究正在日益引起人们的重视【8 9 搠j 。 由于卟啉具有大的可极化7 c 电子系统，周边可以引入推拉电子基团，且可与金属形成配合 物，因此可以很好地通过分子设计对卟啉生色团的非线性光学性能进行调节。 as l g o m e s 科研小组利用z 扫描技术在皮秒时域上测量了下列卟啉化合物( 见图1 1 3 ) 的非线性光学性质i 邶o 】。实验结果表明，在所列金属卧啉化合物中，由于金属离子处于突出 卟啉环的位置，使得卟啉环电子极化程度增加，从而提高了卟啉化合物的非线性折射率。 该实验有助于理解卟啉非线性光学性质的起源。 r r ( 1 ) l c h 3 r = r 闩 ( 2 ) 娃沪s o ； x = 2 h + ，f e 3 + ，m n 3 + 图1 1 3f 】 啉化合物的结构 l o 堡二兰塑童 2 0 0 0 年，d n a r a y a n ar a o 等人合成了1 6 种卟啉化合物( 图1 1 4 ) 1 ，1 ：在纳秒时域和 皮秒时域上研究这些卟啉化合物的非线性光学性质，同时利用时间分辨简并四波混频 ( d f w m ) 和z 扫描两种方法分别测定了它们的三阶非线性极化率。在纳秒脉冲的激发下， 由于饱和吸收效应和反饱和吸收效应的影响，这些分子都显示出了负的非线性吸收特钲， 即具有自散焦效应的光学性质；时间分辨简并四波混频结果又表明，这些分子存在较长的 激发态驰豫过程，有潜力应用于各种光学器件的制作。 n + m = 2 h n = o m = c o ，n i ，c u ，z n ，a g ，c do r h g ，n 盂o m = c r ，m n ，f eo r a u ，n = 1 ，x = c i m = i n n = 1 x = o h m = g e0 rs n n = 2 x = 0 h m = v n = 2 x = o m = p n = 3 = 0 h 图1 1 4d n a r a y a n a r a o 小组合成的卟啉化合物 卟啉化合物共轭程度的大小也直接影响着卟啉化合物的非线性光学性质。r o b e ng d e f h l i n g 科研小组合成了一种卟啉聚合体( 图1 1 5 ) 【10 2 】。利用简并四波混频法，在4 5 p s 的脉 冲下测定了该聚合体在1 0 6 4 n m 处的三阶非线性极化率。停留时间实验暗示，该聚合体 具有快速的非线性光学反应( 反应时间4 5 p s ) ，同时也表明非线性光学效应来源于三阶电 予极化。与单体和文献中所见其它共轭体系相比，该聚合体有最大的三阶非线性极化率 ( 2 9 士0 6 ) 10 1 7 e s u 。 r = 、只八，八 l i o 图1 1 5 r o b e r tgd e n n i n g 科研小组合成的卟啉聚合体 南开大学博七学位论文 1 5 卟啉组装体的功能与性质研究 卧啉及会属卟啉配合物的超分子组装研究己成为仿生化学的热门课题。卟啉及金属卟 啉配合物在各方面所显示出的多样性越来越多地吸引人们对卟啉类化合物进行功能分子 的设计，用它来构建功能多聚物体系，并详细研究它的功能与性质【】。 炔键桥连的卟啉能导致强的电子偶合，通过光激发会产生大的激发能变化【1 0 “。w j u s t i ny 0 u n 曲l o o d 等人利用不同金属卟啉组装成二聚卟啉 1 0 5 1 0 7 】，合成了z n - p b p m g 和 z n p b p f b 两种聚合体( 图l 。1 6 ) m 羽。研究结果显示，二聚体中能量转移速率分别为( 1 1 p s ) 。 和( 3 7 p s ) 一，转移效率分别是0 9 9 5 和0 9 8 3 。该研究对于设计和合成光接收系统材料是有益 的。 a r c 图1 1 6w j u s t i ny o u n g b i o o d 等人合成的二聚卟啉 f u k u z 啪i 等【1 0 9 1 合成一个三聚卟啉组装体。研究结果表明，0 2 作为催化剂加速了f 电子 转移，在c 6 0 的激发阴离子和z n 卟啉的激发阳离子之间，产生了两个激发离子对，并且电 子转移随0 2 浓度的增加成一线性关系。该研究对于理解天然光合反应电子转移机理提供了 个十分有力的佐证。 为了构建大的组装体，i k e d a 等【1 1 0 】利用分子识别的方法构筑了一个三聚卟啉组装体( 图 1 1 7 ) 。运用电化学方法研究三聚体中卟啉环的氧化能力，发现该组装体具有电子转移和能 量传递的性质，可以模仿天然光合反应的发生过程。 1 2 两 第一章前吉 图1 1 7f u k u z u m i 等合成三聚卟啉组装体 n p a 1 十p t 卜| a o 图1 1 8c a p i t o s t i 等对自由卟啉和苯醌合成的