（物理化学专业论文）基于几种拥有疏水空腔合成受的分子识别与纳米体系的构筑.pdf

中文摘要 环糊精和杯芳烃作为第二、三代超分子主体化合物，其分子识别和组装研究已经 成为超分子化学的一个热点领域，为了研究其分子识别机理和构筑纳米功能超分子体 系的方法，本文合成了一系列环糊精和杯芳烃衍生物，并通过现代测试技术研究了它 们的分子识别机理和分子组装方法。此外，本文还进一步尝试研究了分子组装体在切 割d n a 和基因转染方面的应用。其内容主要包括以下几个部分： ( 1 ) 简要介绍了超分子化学的概况，并对以环糊精和杯芳烃为受体的分子识别和分 子组装研究所取得的主要成果和最新进展进行了评述。 ( 2 ) 合成了一对手性对映体修饰的环糊精，研究了它们对胆酸客体的分子的识别能 力。考察了主客体i 、日j 尺寸的匹配、几何互补和取代基结构等因素对主- 客体配合物稳定 性的影响。研究结果表明，环糊精主体可以调节自包结修饰基在环糊精空腔内的取向， 从而影响环糊精空腔的疏水性，不仅可以选择性的识别模型底物的尺寸和形状，而鼠 还可以导致不同的键合模式。 ( 3 ) 在分子以别的基础之上，设计合成了以会属环糊精二聚体为媒介的水溶性富勒 烯组装体和以色氨酸修饰环糊精和高分子链构成的假聚轮烷与金纳米粒子构筑的超分 f 聚集体。在水溶液中，该体系可以有效的捕获和富集富勒烯，并且在光驱动下可以 有效的切割d n a 。以寡聚多胺修饰环糊精作为建筑块构筑了一类新颖的人工病毒，体 外实验证明该病毒可以成功的用于基因转染，并且表现出低的毒性。 ( 4 ) 采用紫外可见光谱和微量热滴定仪研究了杯芳烃衍生物对客体阳离子的结合 与以别能力，探讨了包结配位模式和选择性识别机理，并考察了杯芳烃与金属离子键 合的热力学起源。 ( 5 ) 以修饰杯芳烃为基本的建筑单元，通过与环糊精二聚体和紫晶嫁接，分别构筑 了功能超分子纳米线和层状的组装体。其中，偶氦修饰环糊精与含有金属中心的环糊 糙二聚体形成的聚轮烷纳米线j j 有多重的离子键合位点，可以高选择性的键合钙离子， 给出的c a 2 + k + 选择性高达2 18 。 关键词：环糊精；杯芳烃：分子识别；分子组装；热力学参数 a b s t r a c t c y c l o d e x t r i n sa n dc a l i x a r e n e s ，a st h es e c o n da 1 1 dm i r dg e n e r a t i o no fs u p r a m o l e c u l a rh o s t r e c e p o r s h a v ea t t m c t e das 噜n m c a n ti n t e r e s ti nh o s t g u e s tr e c o g n i t i o na n ds u p r 啪o i e c u l a r a s s e m b l yf i e l d s i no r d e rt oe x t e n s i v e l yi n v e s t i g a t em o l e c u l a rr e c o g n i t i o nm e c h a i l i s ma 1 1 d m o l e c u l a ra s s e m b l ym e t h o d o l o g yo fc y c l o d e x 仃i na n dc a l j x 甜e n e s ，i nt h i st 1 e s i sas e r i e so f m o d i f i e dc y c i o d e x t r i n sa 1 1 dc a l i x a r e n e sa r en e w i ys y n t h e s i z e d ，a n ds o m em o d e mm e a s u r i n g t e c h n i q u e sw e 佗p e r f o r m e dt oe x a m i n et h e i rm o l e c u l a rr e c o g n i t i o na b i l i t ya n da s s e m b l y b e l 】a v j o rf u n h e r m o r e ，t h ec o n s n q c t e df u n c t i o n a la s s e m b l i e sh a v eb e e ns u c c e s s f u l l ya p p i i e d mli g h t - d “v e nd n ac l l n i n ga n dg e n et r a n s f e c t i o nr e a g e n t s t h em a j o rc o n t e m sa r ea s 硒j i u w s ( 1 ) t 1 1 eg e n e m ja s p e c to fs u p m m 0 1 e c u l a rc h e m i s t r y 、帕sd e s c r i b e db r i e f i y t h en e w p r o g r e s s a n di m p o n a n ta c h i e v e m e n t so nm o l e c u l a rr e c o g n h i o na n ds e l f - a s s e 瑚b l yo f c y c i o d e x t l i n sa n dc a l i x 甜e n e sd v a t i v e sw e r er e v i e w e d ， ( 2 ) ap a i ro fc h i r a js u b s t i t u t e sm o d i f i e dc y c i o d e x t r i n sh a v eb e e ns ”t h e s i z e da 1 1 dt h e i r i n c l u s i o nc o m p l e x a t i o n 、v i mb i l es a l t sw a ss t u d i e d t h er e s u l t si n d i c a t e d 也a lt h eh o s t - g u e s t s i z e nc ，g e o m e t r i cc o m p e n s a t i o na n ds u b s t i t u c e de f 艳c td i r e c t l yr l e s u l t e d i nh o s t g u e s t c o n l p l e xs t a b i l i t y t h eh y d r o p h o b i l i t yo fc y l c o d e x _ 【r i nc a v i t yc o u l db ei m p r o v e db ya 由u s t i n g t h eo r i e n t a t i o no fs c l p i n c l u d e dm o d i 五e dt e t h e r si nt h ec a v i t ) ，w h i c hn o to n l y1 e a dt os p e c i f i c r e c o g n i t i o ne f 叠c tb u ta i s od i 腩r e n tb i n d i n g i n o d e sb e t w e e nh o s ta i l dg u e s t ( 3 ) d e s i g na n ds y m h e s i s o ft w ok i n do ff u l l 【6 0 】e r e n e s c o m a i n i n gw a t e rs 0 1 u b l e c 一c i o d e x t “na s s e m b l i e sa n de x t e n s i v e l yc h a m c t e r i z e db ys p e c t r a 】 a 1 1 d m i c r o s c o p i c t e c 嘶q u e s t h e s ea s s e m b l i e sc o u l de f f e c t i v e l yc l e a v a g ed n ai na q u e o u ss o l u t i o nu n d e r 1 l h t i r r a d i a t i o n m e a l l w h i l e ， w ec o n s t r u c t e dan o v e la r t i f i c i a l v i r u s m f o u g h o l i g o ( e t h y i e n e d i a m i n e )c y c l o d e x t r i n s h e i la n dg o l dn a n o p a n i c l e sc o r e 向v 打阳 g e n e t r a n s f e c t i o na 1 1 dc y t o t o x i c i t ye x p e r i m e n t sv a l i d a t e dt h a tt h i sa s s e m b l yc o u l db es u c c e s s f u l l y a p p i i e da sg e n ec a r r i 。rw i t hl o w e rb i o l o g i c a lc y 把o x i c i t y t ( 4 ) t h ei o n i cb i n d i n ga b i l i t yo f c a l i x a r e n ed e r i v a t i v e st o w a r d ss o m em e t a lc a t i o n sw a s s t u d i e db vu vs d e c t r a la n dc a l o r i m e t r i ct i t r a t i o n s i tw a sf o u n dm a tt h er e s u l t i n gc o m p l e x e s w e r ea b s o l u t e l ye n t r o p y d r i v e ni na q u e o u ss o l u t i o n ，t y p i c a l l ys h o w i n gl a r g c rp o s i t i v ec n t r o p y c h a n g e s ( 5 ) a d o p t i n gm o i e c u l a rr e c o g n i t i o ns t r a t e g i e s ， t h e1ds u p r a r n o i e c u l a rn a n o s i z e d a s s e m b li e so r3dl a y e r e da g g r e g a t e sw e r ec o n s t r u c t e dt h r o u g hm o d i 如e dc a l i x a r e n e sa n d c v c l o d e x t r i nd i m e r so rv i o i o g e ng u e s t s t h ep r e p a r e dp o i y r o t a x a n ea s s e m b i yb a s e do nt h e a z o 。1 1 1 0 d i n e dc a l i x a r e n e sa n dc y c l o d e x t r i nd i r n e r sp r o v i d e dm u l t i p l eb i n d i n gs i t e su p o n c o n l p l e x a i o nw i t hg u e s ti o n s t h er e s u l t si n d i c a t e t h a tt h em e t a l l o c a p p e dp 0 1 y r o t a x a n e s h o w sa1 1 i 曲a 币1 1 i t ya n di o n i cs e l e c t i v i t yf o rc a 2 + ，g i v i n ga ne x c i t i n gc a 2 + k 十s e l e c t i v i t yu p l n2 18 k e y w o r d s ：c y c l o d e x t r i n ， c a l i x a r e n e ， m o l e c u l a rr e c o g n i t i o n ， m o l e c u l a ra s s e m b l y t h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r s 第一章前言 第一章前言 1 1 超分子化学概述 超分子化学是近三十年束发展起来的一门新兴交叉学科，其研究范围涉及化学、 生物、材料、信息以及环境等学科，是具有广阔应用前景的一个年轻的领域。超分 子化学所研究的分子间相互作用，对于理解和揭示高级特异性生物过程，如酶或受体 与底物的结合、蛋白质配合物的形成、核酸的嵌合物、基因密码的破译、神经传递过 程和细胞识别等现象有着重要的意义。正因为如此，对超分子化学的发展有着巨大推 动作用的三位科学家j m l e l l l l d j c r 枷和c j p e d e r s e n 分享了1 9 8 7 年的诺贝尔 化学奖【2 】。从分子化学到超分子化学( 即共价键结合化学到分子间非菇价键结合化学) 标志着化学的发展进入了一个新的历史时期。 超分子化学是“超越分子概念的化学( t h ec h e m i s t r yb e y o n dt l l em o l e c u l e ) ”研 究的对象是多个物种以非共价键弱相互作用力形成的复杂有序且具有特定功能的分 子聚集体，是对共价键分子化学的一次质变和升华。各种弱相互作用力的协同相互作 用普遍存在于生命体系的各种过程中，因此，超分子化学的产生和发展也与生物有机 化学、，j ：物无机化学和兰：物模拟化学密切桐关。共价键结合的分子单元通过静电( 离 子偶极，偶极偶极，偶极诱导偶极) 、v a n d e r w a a l s 力、疏水、氢键、n 兀堆积和电 荷转移等非共价键相互作用力协同作用构成的分子聚集体称为超分子，其具有识别 ( r e c o g n i t i o n ) 、转化( t r a n s f o r m a t i o n ) 和易位( t r a n s l o c a t i o n ) 的基本功能1 3 】。通过多个超分 子的分子亚单元的自组织( s e l f o r g a n i z a t i o n ) 或自组装( s e l f - a s s e m b l y ) 能够得到稳定的、 具有特定空叫构象或功能的大分子聚集体，可以潜在地作为分子器件或超分子器件得 到应用。 自1 9 8 7 年l e h n 等首次提出超分子化学的概念以来，这一领域的研究已经历了从 低级结构到高级结构从相对简单的主一客体包结配台物到复杂有序的组装结构的过 程。传统意义上的超分子主体，如环糊精、冠醚、杯芳烃等的尺寸相对较小( 约1 n m 以下1 ，这极大地限制了它们在功能材料等领域的应用。因此，通过模板效应、自组 装或自组织等方法将相对独立的超分子单元连接为有序的分子组装体就成为改善超 分子物种功能的有效途径。事实上，合成受体的分子组装正日益成为超分子化学的研 南开人学博士学 ：i 7 ：论文 究主线。近年来，研究发现当物质颗粒尺寸达到l 一1 0 0 0 纳米范围时，其性质往往会 发q 二显著的变化，特别是在电、光、磁、力学以至生物性能等方面体现得尤为明显， 并由此产生了一门新兴的交叉学科一纳米化学。有鉴于此，当今分子组装研究的热点 逐步集中到采用适当的调控手段将组装体的规模控制在纳米尺度。这一类新型物种的 优势在于它既兼具了组装体中各个结构单元的优点，但又不是各单元性能的简单叠 加，使得科学家能够在较高的分子水平或单分子水平上丌发功能材料和分子器件，从 而促进信息、能源、材料、环境、医疗卫生、生物和农业等领域的技术革命。 目前国内外已有大量来自于化学、生物学、物理学、材料科学和微电子技术等领 域的科学j 。作者广泛致力于通过自组装的方式得到分子纳米结构并研究其作为纳米 材料和分子机器的应用，已经取得了相当大的进展。【4 。】随着这些领域的飞速发展， 超分子化学已经由研究合成受体的分子识别和组装到纳米尺度功能聚集体的构筑和 调控，这也是主一客体化学向纳米超分子科学发展的必由之路。大量的研究表明，纳 米超分予的构筑主要是将尺寸相对较小的超分子结构单元通过会属配位软连接或主 客体问的非共价弱相互作用形成有规则的二维、三维的纳米结构，而纳米超分子材 利的功能则存在于这种组装之中。 霹 赶醚 杯芳烃环糊待 呛”妒 o 天= 评 一一一 j n v n 、c h 寸： 0 葫芦睬 卟啉 酞菁 环吐 几种典型的合成受体 本论文的研究工作主要着眼于新型环糊精衍生物和杯芳烃衍生物的合成和分子 2 呛。七。l 第一章前言 识别与组装研究，因此将在下面章节对环糊精和杯芳烃在超分子化学中的分子 ： 别与 组装进行简要综述。 1 2 基于环糊精的分子识别与组装 j = ：i = 糊精( c y c l o d e x t r i n s ，c y c l o a m y l o s e s ，通常简称为c d ) ，是一类出d 一吡哺葡萄糖 单元通过a l ，4 糖苷键首尾相连形成的大环化合物。自从被v i l l i e r s 在18 9 1 年首次报 道以来，1 6 i 对于这种称之为环糊精的寡聚多糖的研究在以后的1 0 0 多年罩被广泛地丌 展和普及。”1 因为环糊精具有不同数目的葡萄糖单元，因此可以拥有不同的空腔尺 寸。最常见的c c 、p 一和y 一环糊精分别含有6 、7 和8 个葡萄糖单元( 图1 21 ) 。 一玮枷釉 图1 2 1 一p 一和产环糊精的结构简图 坏糊精中的d 吡喃葡萄糖单元均采取未扭曲的椅式构象，使得整个分子呈现一种 截锥状的外形。作为4 c l 构象的结果，环糊精中所有的伯羟基( 即6 位羟基) 均座落 于锥体的一侧，构成了其截锥状结构的主面( 小口端) ：而所有仲羟基( 即2 t3 位羟基) 3 堕墨茎鲎璺堂生兰苎 则座落于锥体的另一侧，构成了环糊精截锥状结构的次面( 大口端) 。这些羟基构成了 耶糊糟亲水的外壁，而指向锥体内部的c 3 和c 5 上的氢原子以及糖苷键的氧原子则 共同构成了环糊精疏水的内腔( 图12 2 ) 。 图1 2 2 环糊糟的区域特征示意 鉴于环糊精不仅县有不同尺寸的疏水性内腔和亲水的表面，而且具有手性的微环 境，因此能够选择性地键合各种有机、无机和生物分子形成主客体包结配合物，从 而成为超分子化学发展进程中继冠醚之后的第二代主体化合物。对环糊糈的主面或次 面进行化学修饰得到的环糊精衍生物更是大大拓展了天然环糊精的适用范围，使其得 到更加广泛地应用。超分子体系中主体( 受体) 与客体( 底物) 间通过非共价键相互作用 选择性键合的过程通常被称为分子识别。迄今为止，环糊精及其衍生物对各种客体 的分子识别机制的研究作为超分子化学领域一个重要组成部分已经得到了广泛而深 入的丌展f oj 。分子识别是超分子化学的核心内容和基础，而分子组装是超分子化学研 究的手段和目标，因此在这罩将分别对环糊精在分子识别和分子组装中应用的进展进 行简要介绍。 1 2 1 环糊精为受体的分子识别 分子识别在生物体和生命活动中起着关键的作用。生命过程中的分子识别过程， 如酶与底物、蛋白质与核酸、激素与受体、抗原与抗体、免疫抑制荆与免疫亲体之间 的以别等i ? 是各种生物功能的分子机制及调控原理的重要基础。人工受体的分子识别 研究不仅有助于了解上述受体与生物分子底物之间的非共价键相互作用的本质以及 酶的催化作用机理，而且还可以为新型药物分子设计以及色谱固定相研制提供参考。 作为一种半天然产物，坏糊精具有一些其它大环化合物没有的内在优势，如良好 4 第一章前言 的水溶性、低毒性和容易制备，因此在分子识别研究中有广泛应用。早在二十世纪三 十年代，p r i n g s h e i m 等就发现了环糊精对有机化合物的包结配位能力：而c r a m e r 研究组从血十年代开始重点对环糊精的包结配位能力进行研究【”j 。环糊精对客体底物 分子的识别作用源于其空腔的尺寸、疏水性和手性，在水溶液中与客体分子形成配合 物时存在着以下几种分子削相互作用i 协”】：( 1 ) 疏水相互作用；( 2 ) v a nd e rw a a l s 相互作用：( 3 ) 氢键；( 4 ) 包结底物后，环糊精空腔高能水的释放；( 5 ) 包结底物后， 环糊精一水加合物张力能的释放。 环糊精的空腔由于边缘羟基闯的氢键网络作用而具有一定的剐性，因此，客体分 子与空腔帕j 的尺寸匹配在决定主客体间所形成配合物的稳定性中起重要作用。一般 来 兑，d 。环糊精的空腔尺度适于包结单环芳烃( 苯、苯酚等) ，p 环糊精的空腔尺度与 萘坏的尺度相匹配，v 环糊精与蒽、菲等三环芳烃结合最稳定【l ”。0 【坏糊精可以与偶 氮苯形成稳定的包结配合物，其中与甲基橙的稳定常数高达9 1 0 3m “l i ”。b 环糊精 与对叔丁基苯酚这一大尺寸客体分子的配位稳定常数高达3 6 1 0 4m “l l 川，与萘环和 d 环糊精的配位作用相近i m i 。然而，d 一= | ；| = 糊精空腔更适于与筒状或球状客体分子结合， 而不是平面的芳香分子，它与会刚烷、二茂铁以及环状二烯的过渡会属配合物 均能形成高稳定性的包结物，而k a i f e r 等人更将b 一环糊精用作对树枝状二茂铁衍生物 的识别刚。v 一环糊精的空腔可以容纳芘以及简体化合物2 2 噜大尺寸的客体分子，与 1 2 + 冠一4 包结可以形成完美的晶体【2 3 】。y 坏糊精还可以与六苯并苯和c 6 0 吲、c 7 0 【2 6 1 等富勒烯分子形成化学计量2 ：l 的包结物。而拥有九个葡萄糖单元的6 - 环糊精则可以 在水溶液中1 ：l 地包结c 7 0 分子【2 7 】。最近，h a r n a i 等研究了y 环糊精同时与二种染 料分子形成化学计量】：1 ：1 或2 ：1 ：】的三元配合物。 州；糊精上的众多羟基使其可以被方便地衍生化| 2 ，从而提供分子选择性更好的主 体化合物。u e n o 研究组【3 0 】设计了一系列荧光基团修饰的环糊精衍生物，研究了它们 对不同形状、尺寸和疏水性的模型底物的分子键合能力和荧光感应，发现取代基在水 溶液中可以自发地形成分子内自包结配合物，在与客体分子结合后，取决于客体分子 与坏糊精空腔的匹配性，取代基可以被顶出空腔或更深地嵌入空腔，这类似于酶和底 物“诱导楔台”作用机制。他们进步将甲基红、酚酞等指示剂引入到环糊精的边臂， 这类化学修饰环糊精在结合客体分子后会发生表观的颜色变化。刘育等1 3 2 1 将一些 生色取代基作为光谱探针，考察了化学修饰环糊精对脂肪醇和氨基酸的分子识别，发 5 塑要叁望! 垦堂笪鲨墨一 现环糊精主体不仅可以识别客体分子的尺寸，而且可以在某种程度上识别手性对映 体，给出中等程度的对映体选择性。 带电荷的主体坏糊精可以通过静电相互作用对客体分子产生特殊的识别效果。 r i z z a r e l l i 等人吲研究了组氨基修饰p - 环糊精铜( i i ) 配合物与色氨酸手性对映体的包结 配位作用，认为在“三点识别”| 3 4 1 的基础上d 一色氨酸的构型与主体匹配，可以形成 更稳定的超分子配合物。l i n c o i n 等f 3 卸研究了各种多胺修饰环糊精及其金属配合物与 色氨酸、苯甲酸、分刚烷酸等客体的配位作用，结果表明主客体间的电性作用大大 增强了配合物的稳定性。s e t o 等人【36 j 研究了带f 电荷修锦环糊孝胄对磷酸酯客体分子 u i 别中晌缓冲效应，他们发现，缓冲溶液对键合相互作用静电组份产生重大影响。带 有负电荷的缓冲，例如磷酸和m ( 2 一乙酰胺) 亚胺二乙酸，可以与磷酸酯客体竞争参与 对_ f 电荷环糊精的键合作用，这种竞争过程降低了主客体间的有效键合常数。而带 有萨电荷的缓冲，例如t r i s h c l ，没有很强地参与竞争，反而对主客体配合物的形 成更有利。c h o 等人【3 7 l 用磷酰基b 一环糊精模拟了生物体系分子识别中磷酰基转移效 应：带有负电荷的磷酰基d 环糊糟与带正电荷的芳香客体分子通过磷酸阳离子桥形 成稳定的超分子配合物，如果环糊精上的磷酸基团被磷酸酶催化水解离去，则主体对 客体分子的键合能力下降，在某种条件下将客体分子从空腔中释放出来。 搠有光学活性取代基的环糊精衍生物的分予识别行为有特殊的意义。a r a d y e l l i n 和g r e e n 设计并合成了肉桂酸全取代的c c 和$ 环糊精，此主体与客体分子包结合后， 在光照下取代基间可以2 + 2 加合反应而将客体分子封闭在环糊精空腔中，在短波长的 光激发下还可以将窖体分子释放出来。i n o u e 等人将苯甲酰基修饰环糊精作为主体分 子，与环辛烯包结之后，诱导其光异构化，在感光剂的存在下，光反应e e 值高达 2 4 【3 i ) 1 。j u 】l i e n 等设计了一些多芳香基取代的环糊精衍生物，这些环糊精与芳香底 物结合后，可以将接受到的能量高效率地转移到客体分子上。 桥连虾糊精是二十世纪八十年代发展起来的一类新型环糊精衍生物，它们捌有两 个通过特定桥链连接起来的环糊精疏水空腔，可以协同结合底物分子，给出比母体环 糊精和简单修饰环糊精更高的分子键合能力。b r e s l o w 等人报道了双硫基桥连d 一 环糊精二聚体与对叔丁基苯酚在水溶液中的包结配位，其配位稳定常数为1 6 1 0 4 m1 ，j 天然b 环糊精的相应配位能力致，而在与j 辩 有两个对叔丁基苯基团的客体 分r 配位州晌稳定常数为l 1 0 8 m 一，配位过程自由能变化( g ) 几乎是f 者的2 倍， 6 第一章前言 这很清楚地表明了两个口环糊精空腔的协同配位作用。l a 、v r e n c e 等4 3 “i 用核磁共振手 段研究1 ，3 - 二硫吡啶基桥连d 环糊精对甲基橙的包结配位作用，发现对甲基橙质子进 行双照射时，可以观察到环糊精空腔内的c 3 h 和c 5 一h 明显的n o e 效应，这为桥连 环糊精的协同配位作用提供了直接证据。他们进一步研究了恢化合物与卟啉和会属卧 啉的包结配位作用，发现与会属卟啉给出了更高的配合物稳定性，即桥链吡啶基上的 氮原子参与了配位作用4 孙1 。吴成泰等人j 4 4 1 也研究了有会属中心的桥连环糊精与t n s 的包结配位作用，他们认为金属离子的存在可以调节两个相邻环糊精的距离。拥有较 长桥链的桥连环糊精不利于两个环糊精单元的协同包结配位作用【4 5 | ，v e n e m a 等采 用核磁共振等手段证实了柔性长链桥连环糊精主体可以发生链的自包结，从而不利于 与客体分子的配位。 b r e s l o w 等4 7 8 峰口r e i n h o u d t 等4 7 6 1 分别将桥连环糊精用于对f 体的识别和感应，而 n o l t e 等研究了联吡啶桥连环糊精钌( i i ) 配合物与 ； 体的结合作用，c a b r e r 等1 4 9 | 手艮道 了环糊精二聚体对胆酸和脱氧胆酸的包结配位作用，这些结果使桥连环糊精有可能作 为药物载体使用。b r e s l o w 等人【5 0 目还报道了一些桥连环糊精对直链和环状寡肽的分子 识别作用，他们发现第二面桥连环糊精对肽链中的p h e d p r o x p h e d p r o 和 p h e d p r o x v a l d a l a 序列具有特殊的高选择性，而第一面桥连环糊精与t r p - 砷客 体分子可以产生较强的配位作用。这从另一方面扩展了桥连环糊精在模拟生物体系中 分子识别现象的应用，因此，他们进一步将桥连环糊精用在选择性中断蛋白质聚集的 过程1 5 0 叭。b r e s l o w 等川还将光学活性的桥链引入到环糊精二聚体上，桥链受光激发 裂解后可以释放底物，这对于治疗肿瘤疾病具有重要意义。 对环糊精及其衍生物与客体分子包结配位的热力学研究表明f s2 1 ，尽管环糊精与模 型底物结合的驱动力是v a nd e rw a a l s 力和疏水相互作用，配位过程中通常给出负的 熵变和有利的焓变，即包结配位是由焓驱动的；然而，当环糊精上带有正电荷f 5 “域 负电荷l ”6 1 后，其与拥有相反电荷的客体结合时给出的焓变和熵变均有利于配合物的 形成。无论环糊精配位过程中的热力学参数的具体数值为多少，其配位过程的焓变 ( 肋和熵变( 化回均存在线性补偿关系，即两者之问线性相关。以焓变( 伪对熵变( m 回 作图，线性拟合的斜率( n ) 和截距( t s o ) 分别是配合过程中构型变化和脱溶剂程度的定 量度量。 7 南开人学博士学位论文 1 2 2 环糊精为受体的分子组装 通过分子识别来实现分子自组织和自组装是超分子化学研究的目标之，环糊精 是进行分子组装研究最易得的起始原料之，因此环糊精及其衍生物作为超分子基本 建筑块( b u i l d i n gb l o c k ) 在自组装研究中已有广泛的应用。经过多年来的努力人们已经 掌握了一些基本的分子组装方法和技术，这种技术的发展直接推动了纳米科学技术的 革新。 纳米科学技术是2 1 世纪最重要的高新技术之一，而该技术面临的主要问题之一 是纳米物质的合成。组装合成纳米结构是其直接合成的主要手段之一，即在物质结构 设计基础上，通过分子问弱相互作用，采取适当组装方法，把不同性质的分子一个一 个的有规则地组装成为特殊的纳米材料。这种行之有效的方法也正是超分子化学目前 的发展方向。因此，应用于超分子化学的分子组装技术在纳米科学技术发展中逐渐成 为最重要的方法之一，而分子组装的基本方法就是将简单的人工合成分子受体通过金 属软连接和分子i 白j 弱相互作用力构筑成为纳米尺度的分子组装体。 在会褐软连接的组装过程中，金属离子通过配位键将配体分子组装成高度规整的 线状或网络结构，其排列具有明确的方向性。这种纳米超分子组装体拥有大量的金属 中心，且它们之间能够形成有规则的排列，因而可以通过彼此相互作用的累积使整个 超分下纠装体表现出一般金属配位的超分子单元所不具备的特殊性质。此外，在这种 受体和金属所组成的整体结构中往往具有一定的自由空间，这使得利用纳米超分子组 装体进行客体离子或分子的吸附或交换成为可能。由于纳米超分子组装体的结构特 点，使其在吸附、催化、磁性、非线性光学、发光及纳米材料等诸多领域具有潜在的 j 瓤用价值。 分子组装的另外一种方式是通过分子问弱相互作用将各个超分子单元相互连接 构筑高级结构。在这一过程中，出于弱相互作用( 范德华力、疏水、静电、离子一偶 极、氢键等) 种类的不同，可以分别适用于不同的合成受体分子，从而形成不同类型 和结构的组装体。这种组装过程又可以称为自组装过程，是各结构单元通过彼此之问 的相干性、协同性或某种默契关系形成特定结构和功能的过程。例如环糊精通过彼此 之削的氯键形成的自组装体，芳香化合物通过丌一兀堆积形成的组装体或超分子构筑单 元通过与客体分子的相互作用进行组装。 8 第一章前育 这种自组装体的特点在于它不是通过系统外部的指令完成的，而是根据各基础建 筑单元自身性质的协同作用实现的。这一特点导致了自组装过程往往体现出良好的再 现性，所形成的组装体具有很好的稳定性。另外，由于超分子单元上的取代基团和体 系中引入的客体分子往往具有对电、光、磁、热等信号的响应能力，造成所形成的组 装体能够体现出对外界变化的应答性。另一方面，由于主一客体的相互作用通常是一 种可逆过程，可以通过适当的调控手段平衡方向和进程，从而导致了组装体能够展示 出良好的再生性。 正是基于环糊精分子的独特构造，化学家们将其作为基本建筑单元引入到不同的 超分子体系中，构筑出各种各样奇妙、复杂而有序的分子聚集体。在这些聚集体中， 部分是由环糊精自身按一定方式有序排列而成的更多的则是与其它分子经由特定的 方式组装而成。 分子索烃 索烃是一类由两个( 【2 】索烃) 或多个( n 】索烃) 互相套在一起的环状化合物共l 刊构 成的内索式超分子体系。基于环糊精的索烃设计则通常是将环糊精作为其中的一环， 与另一个长链分子首先形成配合物，然后再将长链分子进行合环反应，这个新形成的 环与环糊精形成套索式结构的超分子聚合物。 1 9 9 3 年，s t o d d a r t 等合成了几种由2 ，6 _ 全甲基化卢环糊精( d m 肛c d ) 和联甲苯衍 生物得到的 2 】索烃和 3 索烃超分子组装体( 图1 2 2 1 ) 阻5 鲥。他们首先将联甲苯衍生物 的联甲苯部分通过疏水相互作用定位于环糊精空腔中，然后再通过衍生物一端的氨基 与对苯二酰氯反应成环。环糊精再与这个新形成的环麸同构成了内索式的超分子组装 体一索烃。索烃a 的x 一射线晶体分析对其结构给出了确凿的证据( 图1 2 2 2 ) 。在得到 的3 l 索烃中，索烃c 和d 是一对具有不同对称性( d 2 和c 2 ) 的【3 障烃异构体，其中索烃 c 中的坏糊精为头对头尾对尾排列，而索烃d 中的环糊精则为头对尾排列。类似的是 当采用一种不对称的长链分子作为分子绳时，也得到了一对不同定向的异构体 2 】索 烃e 和f ( 图1 2 2 _ 3 ) 。 9 南开人学博十学位论文 图1 2 2 1s t o d d ar i 等合成的索烃 图i 2 2 2 索烃a ( n = 3 ) 的晶体结构 图1 2 2 3 两种不同定向的1 2 j 索烃异构体 1 0 第一章前言 分子轮烷 基于坏糊精的轮烷通常是将一个( 2 】轮烷) 或多个( n 】轮烷) 环糊精单元( 轮子) 穿在 一个具有一定长度的线状分子( 轴) 上，再用大体积的分子将该线状分子封端，从而使 琊糊精固定在线状分子上无法滑脱，就形成了称之为轮烷的超分子体系。对于未划端 的配合物，通常称为准轮烷；而对于具有多个环糊精的轮烷分子，则通常称之为聚轮 烷。 h a r a d a 等例报道了耕i 有不同取代基的修饰环糊精构成的三聚【2 轮烷。其中第一个 环糊精的侧臂插入到第二个环糊精空腔，而第二个环糊精的侧臂则插入到第三个坏糊 精空腔，同时第三个环糊精的侧臂插入第一个环糊精空腔，如此交替的穿插模式导致 了三聚轮烷的形成( 图1 2 2 4 ) 。 图1 2 2 4h a r a d a 等报道的三聚轮烷 n a k a s h i m a 等例报道了一种可以作为光驱动分子梭的偶氮轮烷，这晕之所以称其 为分子梭，是由于该轮烷分子中的环状部分( 环糊精) 可以对外界的刺激发生响应而在 分子轴上的不同位置( 作用位点) 唰像梭子一样来回运动。偶氮轮烷在被3 6 0n m 紫外光 照射下，其偶氮部分可以由反式构型转换为顺式构型，与此同时，其反式构型下停留 在分子轴偶氮部分( 作用位点1 ) 的环糊精单元则转移到分子轴的亚甲基部分( 作用位点 2 ) ，同样，在4 3 0n m 光照下，浚过程可逆进行，从而导致了分子梭的形成( 图1 2 2 5 ) n 一一 堡堑叁堂堕：! 堂笪堡塞 一 这种基于光驰动的分子梭研究为设计纳米尺度的分子开关器件提供了可能。 图1 2 2 5n a k a s h i m a 等报道的光驱动分子梭 假聚轮炕 如果说准轮烷就是环糊精与客体分子的简单包合物，那么多聚准轮烷，或者称为 假聚轮烷则是一定意义上的分子聚集体。作为聚轮烷封端前的产物，不同结构的假聚 轮烷也被广泛地构筑和研究，其中最为常见的就是用高分子链穿过一定数量的环糊精 形成的的组装体。 在基于环糊精的分子聚轮烷的研究领域中，h a r a d a 等的贡献不容忽视。他们最 早尝试了在水溶液中将多个环糊精单元穿在高分子链上得到假聚轮烷的研究，发现不 川尺寸的环制精对不同结构的高分子链具有很好的选择性，其中p e g ( 聚乙二醇) 适合 与c c 。环糊精形成假聚轮烷俐，而p p g ( 聚丙二醇) f 6 0 ，6 “和p i b ( 聚异丁烯) 盼】贝4 更适合与 厂土坏糊梢或y 一环糊精形成假聚轮烷。同时，高分子链的长度也是影响假聚轮烷收率的 重要因素。采用平均相对分子量在1 0 0 0 左右的p e o ( p p g ) 与弘环糊精( 伊环糊精) 制备 假聚轮烷能够给出最高的产率，而卢环糊精和产环糊精则对p i b 表现出截然相反的链 长选择顺序，即伊环糊精只与相对分子量1 0 0 0 以下的p i b 反应刁能得到假聚轮烷，产 环糊精则容易与更长的p i b 高分子链反应。通过核磁考察假聚轮烷中高分子链与环糊 精的计量比发现，每一个环糊精单元对应于两个乙烯醇( 或丙稀醇) 结构单元6 ”。此外， 他们还报道了严环糊精与聚甲基乙烯醚( p m v e ) 形成的假聚轮烷【6 5 】，w e n z 等也报道了 聚胺链与a 环糊精形成的假聚轮烷【6 6 1 。研究显示，由环糊精众多羟基构成的分子 1 日j 氧键网络同样是影响配合物( 假聚轮烷) 形成的重要因素。 1 2 第一章前言 由于共轭高分子的半导体性能和荧光性能使其在电致发光器件上具有潜在的应 用荫景，而将其穿入环糊精空腔得到的聚轮烷结构可以作为“绝缘分子线”，不仅可 以大大提高浚共轭高分子的稳定性和水溶性，而且还可以改善其发光性能。a n d e r s o n 等m7 j 采用在环糊精存在下进行高分子耦合反应的方法将环糊精穿插在共轭高分子链 上，再进行封端反应得到了捐j 有共轭分子轴的聚轮烷( 图1 2 2 6 ) 。该聚轮烷具有比作 为其分子轴的高分子链更强的荧光效率和更好的水溶性。 图1 2 2 6a n d e r s o n 等报道的绝缘分子线 1 3 基于杯芳烃的离子识别与组装 冠醚和环糊精作为主客体化学中最具代表性的两类主体化合物在基础研究和应 用研究领域都取得了令人瞩目的成果，分别被称为第一代和第二代超分子主体。近些 年来，一类“新型”的具有独特空穴结构的大环化含物一杯芳烃，近来在纳米超分子 化学方面的研究受到了科学工作者的广泛重视，被誉为是继冠醚和环糊精之后的第三 代超分子主体化合物。 1 3 南开大学博七学位论文 图1 3 1 杯芳烃的c p k 模型与希腊式酒杯 作为第。i 代超分子t 体化合物，杯芳烃具有独特的空穴结构，与冠醚和环糊精相 比具有如下特点：( 1 ) 它是一类合成的低聚物，空穴结构大小具有较大的可调节度， 目前已合成的杯芳烃拥有4 2 0 个苯酚单元的空腔；( 2 ) 通过控制不同的反应条件及引 入适当的取代基，可控制杯芳烃的构象；( 3 ) 杯芳烃的衍生化反应通常发生在杯芳烃 下缘的酚羟基、上缘的苯环对位以及连接苯环单元的亚甲基部分，对杯芳烃的修饰不 仅能改善杯芳烃自身较差的水溶性，而且还可以改善其分子键合能力和模拟酶活力； f 4 ) 杯芳烃的热稳定性及化学稳定性好，虽然可溶性较差，但通过衍生化盾能具有很 好的溶解性：( 5 ) 杯芳烃与离子和中性分子都能够形成主一客体包结配合物，兼具冠醚 和坏糊精两者之长：( 6 ) 杯芳烃的合成较为简单，可望获得较为价廉的产品，事实上 现在已有多种杯芳烃实现了商品化。 1 ，3 1 基于杯芳烃的分子识别 许多杯芳烃都可以识别多种多样的有机小分子，形成固态配合物。对叔丁基杯 4 1 芳烃能识别包结氯仿、苯i 删、甲苯1 7 ”、二甲苯1 6 9 i 和茴香醚1 6 9 l ；对叔丁基杯 5 芳烃 时以! 。异w 酶和闪酮形成包结配合物；对叔丁基杯【6 】芳烃可以与氯仿| 6 8 1 、甲醇 和甲苯配位；对叔丁基杯 7 芳烃能包结甲醇川；对叔丁基杯【8 芳烃与氯仿 6 8 形成色结配合物。然而这些固态配合物的稳定性有较大差别，对叔丁基杯 4 】芳烃和 对叔丁基杯6 1 芳烃可以紧密地结合客体分子，其晶体中的溶剂分子在高温和真空条 件下仍可稳定结合，而对叔丁基杯 8 芳烃的氯仿配合物则在常温下很快分解。s h i n k a i 等1 7 a 】在考察对磺酸基杯 6 芳烃与酚蓝配位作用时，发现酚蓝自身的最大吸收峰( 6 6 0 n m ) 在磺酸基杯【6 】芳烃的存在下红移到6 8 5n m ，这完全不同于通常的酚蓝在非极性溶 1 4 星二兰堕童 剂中吸收峰蓝移的现象。他们认为通过形成内式配合物，杯芳烃稳定了酚蓝电荷分离 的激发忿( 见图1 ，3 1 1 ) ，静电相互作用在此起重要作用。 乱扯扩0 3 商。3 q 。霖。 8 8 ”x 鼍l h 。“ 8 瓣爨 l 、o 器一瓜蹦$ 鼢 夕氆濒涔& c c 亳 搿宴。塞 。 吨拶 图1 3 1 2 杯芳烃双功能受体 hn m r 研究结果表明该受体与h 2 p 0 4 - 的配位稳定常数为3 9 1 0 2d m 3 m o h 而 与c i - 、h s 0 4 一和c 1 0 4 一离子的结合常数小于1 0d m 3 m o i 。这类受体可用于液膜输送， 选择性地分离碱金属磷酸盐。而另一类具有1 ，3 交替构象的中性杯冠功能主体则可以 同时传输c s + 和c i 离子( 图