（有机化学专业论文）几种水溶性磺化杯芳烃的合成及组装行为.pdf

中文摘要 中文摘要 作为第三代超分子主体的杯芳烃是超分子化学中的一个重要研究方向，而 水溶性磺化杯芳烃是这一方向的研究热点。为了进一步揭示杯芳烃及其衍生物 的分子识别机理和组装规律，本文合成了一系列水溶性磺化杯芳烃衍生物及其 与客体的包结络合物；并通过其中4 个络合物的x 一射线单晶衍射数据研究了其 键合模式以及固态分子聚集行为；此外还研究了另外4 个络合物的溶液组装行 为以及组装体的光诱导电子转移行为。论文具体研究内容如下： 1 简要介绍了杯芳烃化学的概况，并对于以水溶性磺化杯芳烃为受体的客 体识别、固态组装以及在生物应用方面所取得的重要成果和最新进展进 行评述。 2 合成了磺化杯 4 芳烃( c 4 a s ) 、硫桥磺化杯 4 芳烃( t c 4 a s ) 、磺化杯 5 芳烃( c 5 a s ) 以及新型的桥联双磺化杯 5 芳烃( b i s c 5 a s ) ；制备了双 ( n - - 甲基- - 4 - - 吡啶基) 卟啉阳离子 磺化杯 8 】芳烃；而对于体积较大的客体，与 主体键合常数随主体空腔增大而增大。 c k o 图1 1 1染料分子的结构式 b i c z 6 k 2 6 】等研究了溶液中黄莲素与磺化 4 】、杯 6 、杯 8 芳烃的相互作用。 磺化杯 4 芳烃与黄莲素在形成1 ：1 的化合物时，疏水作用力，舻兀作用力以 及静电作用力是主要的驱动力。主体空腔的尺寸是键合常数的决定因素。与磺 化杯 4 芳烃相比，磺化杯 8 】芳烃的空腔具有较高的柔韧度，而且与黄莲素分子 大小尺度相当，因而给出了最大的键合常数。络合物的稳定性随着主体空腔的 减小而变小，因此磺化杯【4 芳烃显示出了最弱的包结能力。而p h 对于黄莲素与 磺化杯芳烃络合的影响相对较小，这说明了在这一过程中静电作用力并不是主 要因素。值得一提的是，磺化杯芳烃包结黄莲素后，客体的荧光出现鲜见的增 强，作者将这归因于杯芳烃空腔内的电子转移给黄莲素。 卟啉是一类具有光学以及催化活性的明星分子，故而磺化杯芳烃 4 】与这类 分子的相互作用也吸引了化学家的关注。s c i o t t o 2 7 等报到了下缘四羧基取代的磺 化杯 4 】芳烃和对位甲基吡啶基卟啉阳离子在固态中可以形成化学计量比为4 ：3 和4 ：5 的超分子络合物，其化学计量比主要是受到杯芳烃上羧基的质子化状态 1 2 第一章前言 的影响。值得一提的是，在溶液中主客体之间的络合过程是一个分步连续的过 程；通过控制磺化杯芳烃和卟啉客体的比例可以在水溶液中得到精确化学计量 比的包结络合物。同时通过政变卟啉的种类或改变加入不同卧啉的顺序也可以 得到不同排列的包结络合物。这过程开创了具有广泛用途的多卟啉聚集体的 精确的非共价键台成方法。r e i n h o u d t 等口”报道了不同烷基链修饰的间位吡啶阳 离子1 1 h 啉与磺化杯芳烃的相互作用。主客体在极性溶剂中在焓驱动下形成丁主 客体1 ：l 的笼状化合物。而由更为复杂的多肽修饰的阳离子卟啉与磺化杯芳烃 依然可以形成主客体化学计量比1 ：l 的化合物，而这一络合物在添加适当的络 合剂的情况下可以形成三元络台物。这一结构可以作为有血红蛋白活性位点的 模型，用来研究具有血红蛋白功能的结构。l a n g 等研究了磺化杯 4 】、杯 6 】、 杯 8 芳烃对于对位甲基吡啶基卟啉的包结络合相互作用。结果显示，磺化杯4 1 芳烃与该卟啉客体形成化学计量比1 ：l 的强键合结合物，而磺化杯1 6 、杯i s 芳烃则形成了化学计量比为1 ：2 的结合物。主客体之间络台的驱动力依然是静 电作用力。磺化杯【4 芳烃与阳离子卟啉依然形成了笼状的包结模式。此外，更 加值得一提的是在包结过程中存在着光激发下电子从杯芳烃转移到卟啉的过 。群。羲。= 、r 一。 嫱谢岭矽 圈11 2 磺化杯芳烃与卟啉两种可能的键台模式：( a ) 4 ：3 包结络合物：( b ) 笼状绍合物 n a u 等e 3 0 研究了磺化杯 4 芳烃对一系列双环偶氮客体的键合行为。在p d 7 4 的d 2 0 中，磺化杯芳烃和客体之间的键合能力和键台模式利用n m r 波谱进行 了系统的研究。所有的客体与磺化杯【4 】芳烃形成化学计量比为1 ：1 的化合物。 g 3 8 一g 4 0 进入磺化杯 4 芳烃的空腔时，极性的偶氨基团指向水溶液而疏水的双 环部分则与磺化杯 4 】芳烃通过c - h 相互作用有效的络合在一起。而g 4 1 4 2 则是竖直进入磺化杯芳烃空腔，客体4 1 的异丙基和客体4 2 的双环疏水部分被 包进杯芳烃的空腔。尽管( 3 4 2 要比g 4 1 更具有疏水性但是( 3 4 2 与磺化杯4 1 芳烃的键合更弱。 第一章前言 丛坞砖 g 3 8 n g 3 9 g n 图1 1 3 双环偶氮客体的结构式 更为有意义的是，磺化杯芳烃与偶氮类荧光客体所形成的包合物可用于荧 光监测动力学反应以及金属酶的模拟【3 。根据竞争包结的原理，具有更强包结 能力的无机金属离子或是铵离子能将荧光偶氮分子竞争出杯芳烃的空腔，使偶 氮分子荧光得到恢复。借助这一原理n a u 等【3 2 】报道了磺化杯芳烃一偶氮荧光分 子这一体系应用于监测氨基酸脱羧反应的进行。磺化杯芳烃对脱羧前的氨基酸 包结能力弱于g 3 9 而对于脱羧后的产物包结能力强于该客体。所以一旦有产物 生成就会将杯芳烃空腔中的客体挤出，使其荧光恢复。与以往监测方法相比， 这一方法连续而且经济等特点。而根据协同包结的原理，对于某些金属离子能 与该络合物形成三元超分子结构，这一现象用于模拟酶模型的构筑。 9 堂圆 + c o o p e r a t i v e 图1 1 4 磺化杯芳烃包合物与金属离子发生竞争包结和协同包结示意图 1 2 1 4 以磺化杯芳烃为主体的分子、离子识别的应用 1 4 9 一 第一章前言 除了能够识别金属离子p 引，磺化杯芳烃具有的疏水空腔，良好的水溶性等 特点赋予了他们在探针、传感、催化、微反应器、酶模拟、表面活性剂等方面 的应用【3 4 1 。s h i n k a i 等【3 5 】将磺化杯芳烃用于中性水溶液中乙酰胆碱的探测( 图 1 1 5 ) 。这种方法可以选择性和非破坏性地分析生物体系中的乙酰胆碱。b o b a c k a 等【3 6 】将磺化杯芳烃作为搀杂剂加入到以3 ，4 一乙烯基噻吩和吡咯为材料的玻碳 电极上，对金属离子进行电化学检测。结果显示，该电极对银离子具有特殊的 选择性。y o s h i d a 掣3 7 报道了在三辛基甲基氯化铵的存在下磺化杯 6 、杯 8 芳 烃对于u 0 2 2 + 离子具有高选择性。m i y a n o 等【3 8 】报道了磺化杯【4 芳烃、硫桥磺化 杯 4 】芳烃以及砜桥磺化杯 4 芳烃可以与铽离子形成络合物，而且该络合物可以 将苯环吸收的能量转移给铽离子而发出铽的荧光。硫桥磺化杯 4 】芳烃以及砜桥 磺化杯 4 】芳烃对于铽的络合能力要强于磺化杯【4 芳烃，因而可以作为制造荧光 器件的材料。同时，杯芳烃对于某些化学反应具有催化作用【2 4 引。在磺化杯芳烃 存在下1 一苄基一1 ，4 一二氢烟碱的酸催化氢化反应的速率常数要高2 3 个数量 级。u c o k a 报道 3 9 】了对磺化杯芳烃在n 一乙酰基一l 一氨基酸的醇解反应中具有 催化活性。而氨基酸底物的甲醇醇解催化活性只对于h i s ，l y s 和a r g 的取代物 较为明显。r a m a m u r t h y 等【4 0 】报道了磺化杯【6 】芳烃和磺化杯【8 】芳烃作为模板促进 顺式苯乙烯基吡啶的二聚反应。当不存在磺化杯芳烃时该反应的产物是顺式产 物， n o n - f l u o r e s c e n c ef l u o r e s c e n c e 图1 1 5 手性乙酰胆碱的检测 1 2 2 以磺化杯芳烃为模块的固态组装行为的研究 在众多的水溶性杯芳烃衍生物之中，磺化杯 n 芳烃( n = 4 ，5 ，6 ，8 ) 和硫 桥磺化杯 4 芳烃的固态超分子化学研究吸引了化学家的关注阴。磺化杯芳烃良好 的水溶性为在水中进行反应和结晶提供可能，同时杯芳烃三维立体空腔可以包 1 5 第一章前言 结客体有机分子甚至水分子。正如上文所述，磺化杯芳烃上缘的磺酸基能够与 一系列的有机、无机客体形成氢键、疏水以及静电相互作用，这些相互作用足 磺化杯 磺化杯芳烃的固态组装行为中研究最为广泛的是磺化杯芳烃家族中最小的 磺化杯 4 芳烃。这是由于磺化杯【4 】芳烃具有如下的特点：i ) 对于较小的体系单 晶数据的收集和精修会相对容易；2 ) 相对于大的杯芳烃束蜕，易于合成：3 ) 构像相对容易确定；4 ) 容易结晶。单纯只有磺化杯 4 芳烃的碱金属盐存在时， 通常形成反平行的双层结构( 图】1 6 ) 。 晶水的含量而不会对其结构造成影响【4 1 金属离子的改变只会影响晶体单元中结 在某些客体诱导下可以在双层结构的 基础上形成具有一定特点的结构，如二维或三维的配位聚合物【4 ”，俄罗斯玩偶 ，分子摩天轮【删，分子胶囊h 5 1 等。但是在吡啶氧化物和稀土金属离了的存在 f 可以完全打破双层结构形成纳米尺度的球、管的新奇的结构 4 6 】。其它的磺化 杯芳烃在适当的客体诱导下也可以形成特殊的结构，从而为构筑更加高级更加 复杂的纳米超分子结构而提供更多的选择。 12 21 俄罗斯玩偶和分子摩天轮 磺化杯 4 芳烃中形成俄罗斯玩偶最经典的体系为磺化杯芳烃一冠醚一金属 离子三元体系。金属离子首先络合于冠醚环中，进而这一络合物再被两个上口 相对磺化杯芳烃包结起来而络合在冠醚中的金属离子被两个水分子或被两个 分别属于这两个杯芳烃上的磺酸基上的氧原子配位。而最终形成的二级包结络 台物被称作“俄罗斯玩偶”( 图11 7 ) 。该结构具有多个负电荷，通过调节溶液 酸性来控制磺酸基以及酚羟基的质子化与脱质子化状态或通过络合溶液中的有 第一章前言 机或者无机离子来达到电荷平衡。 由钠离子和1 8 一冠一6 以及磺化杯【4 芳烃形成的具有七个负电荷的超阴离 子结构能够与溶液中c ，r h 3 + ，s c 3 + 以及舢3 + 等离子的多核水合离子选择性地 结晶【4 7 1 。在溶液p h - - 2 的条件下结晶得到的结果显示，该结构分别与双核和三 核的水合阳离子形成化学计量比为l ：3 和2 ：3 的络合物。而当使用多核水合 离子混合物时则结晶形成该结构与四核水合离子化学计量比为1 ：1 的混合物。 这可能是四核水合离子更容易实现电荷的平衡。在i 让”，s c ”以及越3 + 等离子的 单晶结构中也得到相似的结果。因此，为了满足电荷平衡，通过调节p h 值还可 以改变该超阴离子质子化程度，进而适应带有不同电荷数目的多核水合阳离子。 图1 1 7 俄罗斯玩偶的结构 磺化杯 4 芳烃，1 8 - - 冠一6 分别与镧系金属p ，n d 3 + ，p m 3 + 以及s m 3 + 等 离子构成的三元体系均可以形成俄罗斯玩偶的结构。更为有意义的是，在固态 的堆积结构中，这些俄罗斯玩偶并不是按照杯芳烃原来的双层结构排列的，而 是按照正八面体的结构排列的e 4 8 】。这一结果与镧系金属离子的大小有关。而将 金属离子替换为l a 3 + 和c e 3 + 等较大的离子时，稀土金属与冠醚络合后，只与一 个磺化杯芳烃发生包结作用形成了“分子摩天轮 的结构m 】。稀土金属离子具 有十个配位点，与冠醚上的六个氧原子，磺酸基上一个氧原子以及三个水分子 1 7 第一章前言 配位。正是由于三价镧系金属离子被冠醚络合因而要求不同的配位环境，故而 会增加两个磺化杯芳烃相互靠近的位阻；另一方面，三个正电荷也不足以克服 两个磺化杯芳烃的静电斥力，从而不能形成俄罗斯玩偶的结构。此外，在p h l 的溶液中若将磺化杯 4 芳烃替换为磺化杯 5 】芳烃则形成在e u 3 + 存在下会形成摩 天轮的结构 4 4 b 1 ，因为该结构更有利于电荷平衡。 图1 1 8 分子摩天轮的结构 1 2 2 2 分子胶囊 分子胶囊是磺化杯芳烃的固态堆积结构中一种较为常见的结构。通常是客 体分子或者存在某种相互作用的两个客体与两个上缘磺酸基正对的杯芳烃都存 在弱相互作用力。例如，当在磺化杯芳烃和冠醚体系中加入e u ”，g d ”，t b 3 + ， d y 3 + ，h o ”，e r 3 + ，t m 3 + ，y b 3 + ，l u 3 + 等稀土金属元素离子时，从得到的晶体结 构的结果显示被包结进入两个磺化杯芳烃空腔内的冠醚并没有络合稀土金属离 子，金属离子只是与磺化杯芳烃的磺酸基配位，起到稳定胶囊结构的作用。而 当体系中的冠醚被双氮杂冠醚，双环客体或双阳离子客体取代时，其固体状态 下更加倾向于形成胶囊的结构。除此之外，磺化杯 4 芳烃在氨基酸、核酸等化 合物的诱导下也可以生成胶囊的结构【4 5 。 另外，其它磺化杯芳烃也可以形成分子胶囊结构。通过不同磺化杯芳烃与 相同客体的单晶结构比较可知杯芳烃的空腔大小是影响分子胶囊的形成的因素 1 8 一 旧 一 第章前言 之一。如磺化杯 4 】芳烃，硫桥磺化杯 4 芳烃以及磺化杯 5 芳烃与邻啡罗琳所形 成的胶囊结构为这一点提供了有力的证据【1 蚓。这些蜩= 芳烃都具有稳定的锥式构 象，随着磺化杯芳烃空腔的增大，客体进入杯芳烃空腔愈深，形成的胶囊结构 更加紧密( 图l1 9 ) 。磺化杯 5 芳烃还可以与d a b c o 形成胶囊结构，由于客 体的立体结构影响了磺化杯 5 芳烃锥式构象，因而该胶囊的排列也打破了杯芳 烃的双层排列结构，而呈现出疏水链状结构。而磺化杯 5 芳烃的空腔还可以包 结硫酸分子，形成双分子胶囊结构【4 w 。 图l1 9 磺化杯 4 】芳烃、硫桥磺化杯一 芳烃和磺化帏 5 芳烃与邻啡罗琳形成的胶囊结构 与磺化杯 4 芳烃相比，磺化杯1 6 芳烃、杯 8 芳烃川具有更大的空腔，但 是分子的构象更加灵活。如磺化杯f 6 1 芳烃具有“u p - - d o w n 双部分锥式”构象和 “u p u p 双锥式”构象。对于采用u p - - d o w n 双部分锥式的磺化杯 6 】芳烃，其 处于晶体结构的反转中心。而采用u p u p 般锥式构象的磺化杯 6 】芳烃则町以形 成同时包结两个冠醚或四苯基蹲阳离子的分子胶囊。而磺化杯8 1 芳烃则具有更 加复杂的构象，两个褶皱的杯芳烃主体分子可以包结三个四苯基麟刚离子形成 分子胶囊结构。较大的磺化杯芳烃与磺化杯f 4 1 芳烃络台客体的模式大不相同， 若能够更好控制主体与客体相互作用则会有可能构建更为复杂的多元超分子结 构。 12 23 纳米球状、管状结构 磺化杯 4 芳烃典型的反平行双层结构在特殊的条件下可以变为正平行排 列，而这一改变逐渐积累最终改变整个组装体的排列结构m 。当磺化杯【4 芳烃、 毗啶氧化物以及镧系金属的硝酸盐按照化学计量比2 ：2 ：1 的比例混合后，得 到的单晶结构表明，两个磺化杯芳烃和一个稀土金属离子形成了一个c 形的二 聚体结构。而由f 一个一一聚体排列成为一个二卜面体的立体球状结构，该结构 具有9 7 5 h 3 空腔，其中包含两个钠离子和三个水分子。而当磺化杯芳烃、吡啶 第一章前言 氧化物以及镧系金属的比例为2 ：8 ： 径相近的管状结构。两个钠离子与同 时这些成分组装成为与二十面体的直 个吡啶氧化物的氧原子键合的同时又与 分别属于两个杯芳烃的磺酸基上的氧原子键台，这样排列成管壁。而管状结构 的内部是水合钠离子和稀土金属离子；管壁的外侧，钠离子和稀土金属离子通 过陀位不同苛壁r 的磺酸节皂暇予而将不同的管了连接超柬。 蚓12 0 磺化杯芳烃球状管状组装体的示意图 12 24 其它结构 磺化杯芳烃在其它客体诱导下还可以形成一些特殊的结构。如，磺化杯4 1 芳烃在稀土金属存在下可以与氮杂冠醚的钴络合物形成带有螺旋的单链线状结 构j 。在d 精氢酸存在下，磺化杯 4 】芳烃堆积形成褶皱之宁形的双层结构， 同时形成了水分予通道”。而磺化杯 6 芳烃与磺化杯 8 芳烃具有较好的柔韧性 因此构象复杂，不易控制，故而得到的单晶结构也软为复杂，包括单层片状， 二维多孔状以及三维波浪状的固体结构口”。 123 磺化杯芳烃在生物化学领域的研究 近年来，磺化杯芳烃在生物化学领域的研究_ 作同盏受到人们的关注 t b l 。 这是园为磺化杯芳烃本身具有很好水溶性，溶解度高达o1m o l l ，在5 0 m m 的 浓度以上时才具有溶血毒性，在5 0m m 以f 是无害的。此外磺化杯芳烃通过静 电作用和疏水作用力又能够包结氨基酸，多肽以及蛋白等生物活性分子，这使 其在酶抑制、抗血栓活性、抗病毒活性以及杀菌方面具有潜在的应用价值。 自从- - d 一世纪九十年代开始，科学家就借助核磁、量热和高效液相色谱等 手段对磺化杯芳烃及其衍生物键合氨基酸、寡肽和肽的行为进行了研究d ”。在 所有的氨基酸中，磺化杯 4 芳烃在络合带有正电荷的赖氨酸和精氨酸时给出了 第一章前言 最大的键合常数，其化学计量比为1 ：1 。核磁结果显示氨基酸的脂肪族和芳香 族侧链被包结进入磺化杯芳烃的空腔。量热结果显示该过程是焓驱动过程，同 时伴随着有利的熵变。磺化杯 6 、杯 8 】芳烃得到相似的结果，唯一不同的是得 到的化学计量比为1 ：2 。 磺化杯芳烃还可以络合许多带有生物活性的分子。对于类固醇类生物活性 分子，磺化杯芳烃显示了较好的选择性 5 6 1 。而这主要受到空腔大小和p h 的影响。 磺化杯 8 芳烃对雌二醇具有较好的选择性，而磺化杯 6 】芳烃能够更强地键合黄 体酮分子。磺化杯芳烃还能与神经传递素乙酰胆碱类衍生物形成稳定的络合物。 这一研究结果引发了科学家的兴趣，研究荧光探针检测胆碱和类胆碱生物分子 【5 7 】。此外，磺化杯芳烃还可以键合不溶于水的药物分子，从而增加这些药物分 子的水溶性【5 8 】。此外，磺化杯芳烃对于a t p 的水解具有催化作用 5 9 】。 除了氨基酸和一些生物活性分子外，磺化杯芳烃对于富含赖氨酸和精氨酸 的牛血清蛋白分子也具有络合作用唧】。而键合的强度反比于磺化杯芳烃空腔的 大小，即磺化杯 4 】芳烃 磺化杯 6 芳烃 9 5 ) 。氯 仿相用水洗涤，干燥过夜。将氯仿悬干，所得固体溶于丙酮( 1 7 0 1 8 0 m 1 ) ，过 滤除掉不容的杂质，母液浓缩至1 1 0 m l ，放置于冰箱中。抽滤后，得无色透明块 状固体3 5 9 ，产率7 。 k o h 多聚甲醛 - _ _ _ - _ _ _ 卜 四氢化萘 杯【4 】芳烃( c 4 a ) 的合成1 8 】：将1 3 3 9 ( 2 0 m m 0 1 ) t - b u c 4 a 溶于1 2 5 m l 无水 甲苯中，溶解后向其中加入1 4 0 9 ( 1 0 5 m m 0 1 ) 无水三氯化铝和9 0 9 ( 9 6 m m 0 1 ) 苯酚，室温下氮气保护搅拌反应1 小时。将混合物导入2 5 0 m 1 0 2 m o l l 的盐酸溶 液中，搅拌、分液，将有机相转移到圆底烧瓶中，蒸干溶剂，加入甲醇后产生 大量白色沉淀，抽滤、干燥后，得7 5 9 固体，粗产品用氯仿一甲醇重结晶得无 色晶状固体6 6 9 ，产率7 6 。 a i c l 3 苯酚 - - - - - - - - - - - 无水甲苯 杯【5 】芳烃( c 5 a ) 的合成0 9 l ：将l g ( 1 2 3 m m 0 1 ) t - b u c 5 a 溶于1 0 m l 无水甲 苯中，溶解后向其中加入1 6 5 9 ( 1 2 3 8 m m 0 1 ) 无水三氯化铝。室温下，氮气保 护下搅拌过夜。向甲苯相中逐渐滴加约2 5 m ll m o l l 的盐酸溶液。之后再将混合 物加入到约3 0 m l 二氯甲烷中充分搅拌后，分液，将有机相顺次用l m o l l 盐酸、 第二章水溶性杯芳烃衍生物的合成 饱和食盐水以及蒸馏水洗，并用二氯甲烷反萃取，合并有机相加入无水硫酸镁 干燥，过滤后滤液蒸干，得到橘黄色固体，加入甲醇后产生大量白色沉淀，抽 滤干燥 型9 1 2- 无水甲苯 乙基桥连双杯【5 l 芳烃( b i s c 5 a ) 的合成：将5 3 0 m g ( 1 0 m m 0 1 ) c 5 a 溶于 4 0 m l 无水乙腈中，加入1 3 8 m g ( 1 0 m m 0 1 ) 无水碳酸钾，氮气保护下加热回流 o 5 小时