（有机化学专业论文）单桥联磺化杯4芳烃的合成及其组装行为研究.pdf

中文摘要 杯芳烃是继环糊精和冠醚之后的第三代大环主体化合物，具有原料易得、 构象可调、稳定性好且易于功能化的特点。近年来，水溶性磺化杯芳烃由于其 特殊的识别性能及良好的生物活性渐渐成为杯芳烃领域的研究热点。鉴于目前 关于磺化杯芳烃的修饰及其在水溶液中与客体分子的组装行为研究很少，我们 决定合成具有多配位点的桥联磺化杯 4 】芳烃主体和桥联甲基紫晶客体，并对它 们在水溶液中的识别、组装方式进行研究。本论文进行了如下几方面的工作： 1 回顾了杯芳烃的发展，重点评述了有机溶液中的杯芳烃自组装研究、水溶 液中磺化杯芳烃对吡啶阳离子的识别以及磺化杯芳烃的固态组装行为。 2 在文献调研的基础上，合成了两种桥联杯【4 】芳烃衍生物、单萘修饰杯【4 】 芳烃衍生物以及烷基链桥联甲基紫晶客体，并尝试了对杯 4 】芳烃衍生物进行磺 化反应的研究，首次合成了单乙基桥联磺化杯【4 】芳烃以及单萘磺化杯 4 】芳烃。 3 利用核磁、量热滴定等手段研究了溶液中单乙基桥联磺化杯【4 芳烃主体对 乙基桥联双紫晶客体的包结模式；发现主客体能形成1 ：1 的稳定包合物后，又利 用原子力显微镜、动态光散射等试验研究主客体在水溶液中形成线状组装体的 可能性；最后，由于甲基紫晶具有电化学活性，还利用循环伏安实验研究了组 装体的电化学行为并与单纯客体的电化学性质进行比较，证明了生成的组装体 可以在适当电化学信号刺激下发生解离。 关键词：磺化杯芳烃，合成，超分子自组装，电化学行为，解离 a b s t r a c t c a l i x a r e n e s ，a v a i l a b l ef r o mc h e a ps t a r t i n gm a t e r i a l s ，a r ec o n s i d e r e dt ob et h e t h i r ds u p r a m o l e c u l a rh o s t b e c a u s eo fi t ss t a b i l i t y ，c o n t r o l l a b l ec o n f o r m a t i o n sa n d w e l l s t u d i e df u n c t i o n a l i z e dm e t h o d s ，c a l i x a r e n e se s p e c i a l l yi t ss u l f o n a t e dd e r i v a t i v e s h a v eb e e na t t r a c t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s h o w e v e r , t h e r ea r er e l a t i v e l yf e w s t u d i e sc o n c e r n e dw i t hr e c o g n i t i o no rs e l f - a s s e m b l ep r o c e s s e so fm o d i f i e ds u l f o n a t o c a l i x a r e n e s t h es t r o n gc o m p l e xc o n s t r u c t e df r o ms u l f o n a t oc a l i x 4 a r e n ea n dm e t h y l v i o l o g e ni n s p i r e du st of u r t h e re x p l o r et h es e l f a s s e m b l ea b i l i t i e so fd i t o p i ch o s ta n d g u e s tb a s e do ns u l f o n a t oc a l i x 4 a r e n ea n dm e t h y lv i o l o g e nb u i l d i n gb l o c k s r e s p e c t i v e l y h e r e i n ，w es u m m a r i z e dt h em a i nc o n t e n to ft h i sa r t i c l e ： f i r s t l y ，t h em a j o rp r o g r e s sa c h i e v e d i n c a l i x a r e n e s c h e m i s t r y ，p a r t i c u l a r l y f o c u s e di ns e l f - a s s e m b l ep r o c e s si nb o t hs o l v e n ta n ds o l i ds t a t e s ，w a sr e v i e w e d s e c o n d l y ，ir e p o r t e dt h ef i r s ts y n t h e s i so fb i s s c 4 aa n dp - n a p s c 4 a ia l s o s u c c e e d e di np r e p a r a t i o no ft e t r a b r i d g e dc a l i x a r e n ea n db i s - m v 4 + a c c o r d i n gt o l i t e r a t u r e s f i n a l l y ，i t c ，n m r ，a f mi n v e s t i g a t i o n sw e r ea p p l i e dt ov e i l f yt h ef o r m a t i o no f aw i r e ds h a p e da s s e m b l yw i t he x t r a o r d i n a r yl e n g t hf r o mb i s s c 4 ah o s ta n db i s - m v 4 * g u e s t a sv i o l o g e nd e r i v a t i v e s a r eu s u a l l ye l e c t r o a c t i v e ，f u r t h e re x p l o r a t i o no f e l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o ro ft h e r e s u l t i n gs u p r a m o l e c u l a rs e l f - a s s e m b l y w a s p e r f o r m e d d i s a s s e m b l ew a so b s e r v e du n d e re x t e m a le l e c t r o c h e m i c a ls t i m u l i k e yw o r d ：s u l f o n a t o c a l i x a r e n e ；s y n t h e s i s ； s u p r a m o l e c u a l ra s s e m b l y ； e l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o r ；d i s a s s e m b l e ； 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 像熙 硼r 年勺石月。f 日 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：睐照 ? 年。月。1 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 。_ 。1 。- 。- _ - - - _ _ _ _ _ _ - - i - _ 。h - _ _ _ _ _ “_ h m 。_ _ _ - _ 。”“。- 。_ 。_ 。4 1 “ _ _ _ _ _ _ h h n _ m m h - h - h _ n - “- _ _ - u - m h _ m _ _ h o - 一h 。- 。_ _ _ _ _ h 1 _ _ “_ 。o t 内部5 年( 最长5 年，可少于5 年) 秘密l o 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年)| l 机密2 0 年( 最长2 0 年，可少于2 0 年) 弋一一i 一。一一，j、。一一一，。一一。j 第一章前言 第一章前言 第一节杯芳烃化学及其超分子自组装 1 1 1 杯芳烃化学简介 杯芳烃( c a l i x a r e n e s ) 这个名字最早是由美国科学家g u t s c h e 引入的，它是 指一类苯酚单元通过亚甲基在酚羟基邻位缩合而得到的环状低聚物。“c a l i x ”这 个词在拉丁语中的意思为“杯子”暗示了这类环状聚合物的构象具有包入客体 分子的能力( 如图1 1 所示) 。然而最早合成杯芳烃化台物并鉴定其结构的报道 可以追溯到二十世纪四十年代，由奥地利科学家z i n k e 在研究线型酚醛树脂塑料 的过程中无意制得的苯酚甲醛环状四聚体口l 。自从二十世纪八十年代以来， g u t s c h e 等人优化了杯芳烃的合成方法【l 捌。现在，人们可以利用不同条件高产率 地选择性合成含有四、六或八个叔丁基苯酚单元的杯芳烃衍生物。 幽11 杯芳船c p k 模型和希腊式酒杯 在杯芳烃的命名中，为了方便地表示母体苯酚单元的数目在c a l i x 和a i 日l e 之间插入一个方括号，里面注明个数n 。比如，四聚体即为c a l i x 4 a r e n e ( 杯【4 芳烃h 图12 给出五种常见的对叔丁基杯芳烃分子结构。此外，杯芳烃是一个 构型不稳定的体系。无论是在溶液中，还是在固态情况下，都能够以不同的构 象存在。杯【4 】芳烃及其衍生物具有四种典型的构象( 图l3 ) ：锥式( c o n e ) 、部分 锥式( p a r t i a lc o n e ) 、l ，2 一交替式( 1 ，2 - a i r a t e ) 和l ，3 一交替式( 1 ，3 - a l t e r n a t e ) 。杯【6 】芳 烃和杯【8 】芳烃由于苯酚单元的增加，构象更加多样化，分别有8 种和1 6 种主要 第一章前言 构象。另外，还有多种多样的苯环发生部分扭曲的构象。同一杯芳烃衍生物在 不同构象下会表现出大相径庭的性质和功能。因此，通过控制构象或利用不同 的构象得到功能化的杯芳烃衍生物也是杯芳烃化学的研究热点之一f 4 1 。 c a l l x ( 4 1 a r e r 培： t h i a c a l i x 4 a r e r m e ： c a l i x 5 a r e n e ： c a l i x g a r e n e ： c a l i x 【8 】a 限n e ： t c h 2 n t 4 x = s 几；4 x = c h 2 n = 5 x = c h 2 1 = 6 = c h 2 7 = 8 图1 2 常见杯芳烃的分子结构 目前，人们对杯芳烃分子骨架选择性修饰的方法已经形成比较成熟的系统 1 4 j 。修饰后的杯芳烃分子往往具有更好的溶解度，稳定的构象以及令人惊喜的识 别、组装性能，成为继冠醚、环糊精之后第三代超分子主体化合物。 修饰后的杯芳烃主体不但可以包结气体分子l 铂】、阳离子i 刚、阴离子”引、有 机小分子【5 d 1 ，还可以络合一些生物活性分子如氨基酣矧、多肽5 n 、核苷斟5 刳、 甾类化合物【5 h 1 、d n a 5 i 】以及蛋白质 s j 5 k 1 。更为奇妙的是该空腔的大小可以通过 改变苯酚单元的数目或者是改变连接苯酚单元的桥链( 硫桥杯芳烃) 加以控制； 而且客体包入空腔时，杯芳烃该还可以受客体的诱导作用来调节空腔以便更好 地适应客体分子。此外，由与修饰便捷，杯芳烃也可以作为一个骨架，为多个 官能团通过协同作用实现识别功能提供一个坚实平台。这种多位点识别作用伴 随着极高的络合强度和选择性。u n g a r o 等人曾总结过以杯芳烃为骨架的多位点 识别作用，包括对凝结素的络合与抑制、对d n a 凝聚与细胞转染、对蛋白质表 面识别、超分子自组装以及纳米材料等方面，成为杯芳烃识别的一大特刨6 1 。而 官能团之间协同作用的功效可以通过控制杯芳烃的构象加以调节和控制。另外， 以杯芳烃为受体的分子胶囊、纳米线、纳米环等超分子组装体结构的构筑也一 直是近些年来研究的热点【7 1 。杯芳烃良好的识别和组装性能不仅得益于其环状骨 架结构也得益于杯芳烃母体易于合成，构象可控；而且杯芳烃的下缘和上缘分 别为易于修饰的酚羟基和苯坏上酚羟基的对位；而该类低聚物良好的热稳定性 以及化学稳定性也是其实现超分子识别和组装功能的基础。杯芳烃的上述特点 和功能极大地扩展了杯芳烃领域的研究价值和应用前景，使其成为继冠醚和环 2 第一章前言 糊精之后的第三代超分子主体分子而应用于离子传递、催化、模拟酶、液膜传 输、络合萃取、分子探针、分子器件、传感器、液晶、非线性光学等领域，成 为超分子领域的重要分支f 8 1 。 榭崤稿 c o n e i m t l h ! c o n e 1 , 2 - a l t e r n a t e 1 , 3 - a l t e r n a t e 图1 3 杯 4 芳烃的四种典型构象 1 1 2 以杯芳烃为模块的超分子自组装 超分子化学的一个重要目标就是通过分子自组织和自组装构筑超分子功能 体系。杯芳烃作为第三代超分子主体具有独特的坏状结构，为其被用作超分子 构筑块进行高级有序聚集提供了前提条件。虽然目前有许多关于杯芳烃固态自 组装研究的报道，限于篇幅本节我们只关注溶液相的自组装研究。驱动分子自 组装的作用力主要有：氢键、金属配位键、静电相互作用、范德华力和主客体 相互作用。下面首先介绍由氢键、金属配位键、静电相互作用、范德华力等非 主客体相互作用的组装体研究进展。 1 1 2 1 非主客体相互作用驱动的超分子自组装 分子胶囊作为杯芳烃组装的典型代表研究最为广泛。这种组装体可以应用 在药物传输、选择性催化反应、细胞模拟等方面，有潜在的应用价值。r e b e k 等 【9 】将脲基修饰到杯【4 芳烃的上缘，通过氢键相互作用组装成“头对头 二聚体， 称之为分子胶囊。图1 4 给出该类杯芳烃分子胶囊的结构示意图。在以前的工作 基础之上，r e b e k 等i i o 】又报道了多聚的分子胶囊，首先在杯芳烃上缘引入脲基作 为自组装位点，然后将下缘通过共价键连接起来。这种桥连杯芳烃能够进一步 形成线状或网状聚集体( 图1 4 ) ，从而开辟了由简单的二聚分子胶囊向复杂的纳 米有序聚集体发展的新途径。b s h m e r 等】也研究了一系列脲基修饰杯芳烃的氢 键自组装作用。他们通过x 射线晶体结构分析发现这种二聚胶囊结构在固态也 是稳定存在的，而且胶囊的动力学稳定性可以通过在脲基上引入大的取代基团 3 第一章前言 和改变锥式构型的刚性得到显著改善。另外，客体分子具有模板作用，选择合 适的客体可以大大提高胶囊的动力学稳定性。 o 的帛 0 n q 图14 氢键预组织的杯芳烃分子胶囊及多聚结构 上述氢键预组织胶囊在传感、催化、选择性识别和分子存储等领域都具有 潜在的应用价值。但是，由于氢键受限于非极性溶剂之中而不能在水溶液中进 行组装，使得其在生物领域的应用受到了限制。基于此，r c i n h o u d t 等1 1 4 设计了 一系列通过离子相互作用构筑的水溶性分子胶囊，如图l5 a 所示。胶囊的形成 经过核磁、质谱和量热等手段的鉴定，并为后来的晶体结构所证实i l ”。这类水 溶性的胶囊能够进一步包结乙酰胆碱、四甲基铵或甲基奎宁阳离子等客体，对 于传输药物分子有着良好的应用前景。同时，k f a n 等【l ”也开展了水溶性胶囊的 研究，并通过量热滴定考察了它们对醇类、亚砜类、取代苯以及铵阳离子等客 体的包舍行为，发现这类胶囊对用离子客体具有很好的键合能力。但是具体的 键合模式有待于进一步商榷。如图i5 b 所示，客体或者进入胶囊空穴，或者结 合在胶囊接口周围，甚至可能破坏胶囊仅与阴离子半球键台。 州 矽孰 。崤b 图l5 ( a ) 多重离子作埘构筑的水溶性分子胶囊：( b ) 二种可能存在的键台模式 邻苯三酚杯【4 】芳烃及其衍生物( 如图1 6 所示) ，在非极性溶液中可阻形成 六聚胶囊5 l 。此胶囊形状接近球形，直径约为4 r i m 。胶囊内部由7 2 个氢键所稳 舔 r詹一呵 曼 r 蔷u 孚 簪一 第一章前言 定杯芳烃亚甲基上的烷基链由胶囊表面伸向外部。a t w o o d 等人利用动态光散射 研究了胶囊在溶液中的粒径分布，发现形成了直径不均一的亚微米尺寸组装体 【瑚。t e m 电镜扫描发现组装体均为球状颗粒，偶尔颗粒之间舍出现微管状结构。 溶剂的选择对胶囊的聚集形态有很大影响大量的水会阻止组装体的形成。作 者推测组装的机理为：相邻六聚胶囊之间由广泛的范德华相互作用所稳定，这 些范德华力要么来源于胶囊表面的碳链，或者来自于相邻胶囊面与面之问非极 性部分的作用。 b 0 h “馘嚣 图16a 个邻苯三酚杯 4 芳烃斯生物构筑的胶囊 z h e n g 等人报道了一种下沿由手性烷基取代的杯 4 芳烃二胺化合物】。有 趣的是，该手性分子可以选择性地与酒石酸的其中一种非对映异构体作用，形 成2 ：2 的复合物。该复合物在非极性溶液中可以形成凝胶。如下沿手性碳是r 型 的杯4 1 芳烃二胺只与d 型酒石酸作用形成凝胶。核磁实验表明此凝胶中d 一酒石 酸对l ，酒石酸的de 值超过9 5 。进步的电镜表征证明杯芳烃与酒石酸形成 具有手性螺旋的纳米纤维组装体。这种同手性的纤维2 问又可| 三【相互缠绕形成 更高级的带状纤维组装体。由粉末单晶衔射实验可以推断出该杯芳烃与酒石酸 的组装模式如图17 所示：两分子带j 下电荷的手性杯芳烃与两分予带负电的酒石 酸通过静电相互作用形成2 ：2 的初级组装体。相邻组装体之间由一分子酒石酸相 连，形成线状纤维结构a 。这些纤维又再次聚合成稳定的带状纤维c 。 向。 第一章前言 r 1 i l 卜c h ( c 玛) 孙 1 b 岱删( c h 3 ) p h 瓣 a 6 ：越 幽i7 杯芳烃与滔右醴的组装模式酗 h i l _ s c h 和b 6 t t c h c t 小组制各了一种两亲性的杯【4 芳烃衍生物 1 ”。它可以在 水溶液中自组装成为胶束。该分子中台有四个对苯二甲酸基团，使分子本身具 有荧光。在分子发生紧密堆积时，相互靠近的对苯二甲酸基团会发生扭曲的电 荷转移( t i c t ) 导致荧光淬灭。通过对不同浓度f 主体荧光光谱的研究作者 就能得到分子自组装的信息( 胶束的a n c 值) 。同时，杯芳烃的空腔还可以包 结染料客体。通过对不同p h 值下恒定浓度的主体溶液作低温t e m 扫描发现( 如 图l8 ) ：在p h 值为中性或碱性的条件下，主体分别呈现出棒状和球状胶束的 形态；在口h 值为酸性时，主体的自组装体则表现为皱裙的薄膜状，且均匀分布 着直径5 0 纳米的小孔。 酗18 小同p h 值f ，主体溶液的低温t e i i 扫描蚓：a ) p h = 7 ，b ) p h ：9 ，c ) p h = 4 。 第章前言 1 1 2 1 主客体相互作用驱动的超分子自组装 以主客体相互作用构筑的超分子自组装体茸先要建立在主客体能形成强络 合物的基础上。主客体复合物的平衡常数将直接影响超分子组装体的聚合度。 由于这个条件的限制，目前| 三【杯芳烃为主体的主客体自组装报道很少。然而以 主客体相互作用构筑的超分子组装体与其它方法相比存在一个很大的优势：即 组装体的聚合度是可以通过改变主客体包结平衡进行调控的。调控的手段包括： 温度调节、加入竞争性客体、改变p h 值、电化学信号以及光学刺激等。因此， 近几年来以主客体作用构筑可调控的超分子聚合物是超分子和材料化学领域的 热点问题。相比环糊精、冠醚来说，杯芳烃在这方面的研究还处于起步阶段。 h a i n o 课题组报道利用含有双识别位点的下沿桥联杯 5 1 芳烃主体和哑铃状 的桥联双c 客体，制备了线性超分子自组装体l l 。作者首先用杯芳烃桥链上质 子的裂分证明了主客体包台物的形成。变温紫外光谱同样证明了c 进八了主体 空腔。接着作者用扫描电镜和原子力显微镜观测到组装体的直观形态。有趣的 是，这个杯f 5 1 芳烃和c 6 0 复合物并没有形成如模式图般的一维线状组装体，而是 形成了二维纳米网状结构。根据a f m 实验给出的高度数据看，网状结构是由几 十条线性聚合物通过烷基桥链的范德华作用缠绕形成的。 髑 藏量兰霉鼢 鼢咿彳。蝴 幽l _ 9 桥联杯 5 芳烃主体和l 亚铃状的桥联双c 6 0 客体结构与纽装模式附 杯芳烃主体可以与带正电荷的金属离子、季铵盐客体以及吡啶盐通过阳离 子丌作用形成主客体包合物。t a k e o k a 小组合成了f 沿被毗啶r 基阳离子取 代的杯【4 芳烃衍生物。如果将该分子的杯芳烃部分看成主体- 吡啶阳离子部分 看成客体则这个分子自身可以发牛差客体识别，形成一个线状自组装体。x 射 第一章前言 线单晶衍射实验证明在固态下，该分子发生主客体自组装形成了线状结构。锥 式构象的杯芳烃与吡啶阳离子通过阳离子一t t 作用形成弱的包合物。而核磁和质 谱实验则研究了该分子在溶液中的状态。只有在较浓的溶液中，该分子才会发 生小程度的自组装。 ：q z 二一o h0 , h 0 h 6 咫筑 i o l i 8 0 m e r i 图1 。1 0 毗啶盐修饰杯芳烃的自组装模式 叔丁基杯 5 】芳烃可以与烷基氨阳离子形成强的主客体复合物。在此启发下， p a r i s i 等人在叔丁基杯 5 】芳烃的下沿引入了长链烷基胺1 2 。在p h 为碱性的情况 下，氨基不发生质子化，分子呈游离状态。酸的存在使氨基质子化，此时该分 子将经历自组装形成超分子寡聚物。利用1 h 、扩散核磁、s l s 、d l s 等实验证 明了溶液中确实存在“头尾相连”的杯芳烃寡聚物。且聚合度受分子浓度以及 抗衡离子的共同影响。当该聚合物与碱接触后，去质子化过程使组装体解聚。 该方法实现了利用p h 值对组装体的解聚过程实现调控。 e n d g r o u po l 嗡眦r 啪e 州- g r o o p 厂一一- 厂一一 厂一； 图1 1 】杯 5 芳烃衍生物质子化后形成“头尾相连”的超分子寡聚物 四磷酸酯环状物是以邻苯二酚杯 4 】芳烃为骨架，以磷原子为桥连接相邻苯 环的新型受体。该化合物的“全内式”构象和带j 下电荷的客体络合极强。于是 8 第一章前青 d a l c a n a l e 等人就合成了如下三种四磷酸酯环状衍生物【2 2 1 。与1 不同的是，2 的 空腔无法络合甲基吡啶盐。由i t c 实验得到化合物3 与1 、2 在二氯甲烷中的络 合常数都超过1 0 7 。主客体的主要作用力为氢键和离子偶极矩作用。化合物1 a 可以在溶液中自组装成线性聚合物。静态光散射实验给出的平均聚合度为1 8 个 单元。这时向溶液中加入2 a ，组装体的聚合度减小。反之，向溶液中加入带四 个正电荷的平面型卟啉分子，组装体的聚合度会进一步上升。这时分子2 a 和卟 啉分别扮演阻断聚合以及促进支链聚合物生成的作用。让1 a 可逆解聚的另一个 方法是向溶液中加入两倍当量客体c 4 h 9 n h 2 c h 3 i ，它能与甲基毗啶盐竞争杯芳 烃空腔，使1 a 聚合物达到完全解聚。向体系加入大体积的碱d b u 又能使组装 体恢复( 降低胺与空腔的络合强度) 。作者分别从三种途径，对1 a 组装体的可逆 解聚进行了化学调控。 图1 1 2 四磷酸酯环状衍生物的结构 第二节磺化杯芳烃化学及其超分子自组装 1 2 1 磺化杯芳烃的结构 第一篇有关磺化杯芳烃的报道是由s h i n k a i 于1 9 8 4 年发表的【2 3 1 。1 9 8 8 年， a t w o o d 报道了磺化杯【4 芳烃钠盐的单晶结构分州2 4 1 。二十多年过去了，磺化杯 芳烃由于其卓越的水溶性和有趣的生物活性成为杯芳烃家族最重要的成员。 几种常见磺化杯芳烃的结构如图1 1 3 所示，杯芳烃每个酚羟基的对位都引 入了一个磺酸基团。负电荷的磺酸基团不但增大了杯芳烃化合物的水溶性，也 9 第一章前言 能够作为新的键合位点，扩展了空腔，使磺化杯芳烃可以络合与其空腔大小相 匹配的阳离子客体【2 5 1 。 c 4 a s ： t c 4 a s ： c 5 a s ： c 6 a s ： c 8 a s ： o h 图1 1 3 常见磺化杯芳烃的结构 1 2 2 磺化杯芳烃主体对吡啶阳离子的识别 目前，关于磺化杯芳烃对不同水溶性客体分子的识别及其热力学起源研究 已经有大量报道。刘育等人最近对这个领域的发展情况进行了总结i n 6 1 。由于我 们的研究兴趣主要是关于磺化杯芳烃主体对吡啶阳离子的识别与组装行为，所 以在这里总结相关方面的研究。 刘育等【27 】对于磺化杯芳烃与各种吡啶盐( 图1 1 4 ) 的络合性质及热力学起 源进行了深入的研究。借助核磁以及量热等手段研究了磺化杯【4 】、硫桥磺化杯 4 】芳烃对于具有不同取代基的吡啶衍生物以及同一衍生物同分异构体的络合过 程进行研究。结果表明，磺化杯芳烃与客体阳离子形成了化学计量比为1 ：l 的络 合物。核磁谱图显示，吡啶阳离子客体是从氮原子的对位插入杯芳烃空腔，吡 啶环上的氢与杯芳烃空腔形成n - s t a c k i n g 相互作用，这稳定了杯芳烃与客体之间 的包结模式。此外，客体分子的对称性以及主客体尺寸适合效应是控制主客体 键合模式的主要因素。等温量热滴定实验的结果显示，主客体之问的络合过程 伴随着有利的焓变。与磺化杯 4 】芳烃相比，硫桥磺化杯【4 】芳烃具有较大的空腔， 电子云密度降低，从而降低了络合过程的焓变，因此给出了较低的键合常数。 l o 4 4 5 6 8 = = ； = = 丌n 疗n 几 玉 刍玉釜 h ，h h h c s c c c = = ； = = x x x x x 第一章前言 6 占r 中由 鲫 落gt8：8：铂蚕!rr n h ! rc i ；i 魏薹；a o 靶- 云兹：；i i ：! 急 o 扯 - 云五；i ，i 碥1 2 ：9 册q 芦 一 厂c 睁 图1 1 4 吡啶盐及紫精客体结构式 而两种主体磺化杯芳烃对于客体分子也给出很好的选择性。一方面，主体 杯芳烃对于邻位取代的吡啶衍生物的键合能力要高于对位取代的衍生物。而随 着吡啶环上甲基取代基数目的增加，能够与杯芳烃形成的c h - 7 c 相互作用增加， 所以键合能力逐渐增大。另一方面，通过调节溶液的p h 值，可以达到调控杯芳 烃对客体分子的选择性的目的。磺化杯芳烃络合客体分子时伴随着有利的焓变 和不利的熵变。焓变主要应归因于7 【s t a c k i n g 以及静电相互作用力，而熵变则应 该归因于广泛的脱溶剂化作用。当溶液由酸性( 2 o ) 调到中性( 7 2 ) 时，杯芳 烃酚羟基发生脱质子化过程，因此电荷密度增加，这有利于焓变增加，对于杯 芳烃络合过程起到促进作用。但是，这却无法补偿由于p h 升高后磺酸根与吡啶 盐作用时由于脱溶剂化作用减弱而导致的有利的熵的减少。故而，杯芳烃与客 体分子的络合在酸性条件下会强于中性条件。但对于不同的客体分子，还应受 到尺寸适合效应等其它除溶液酸碱性以外的因素的控制。当调节p h 后，其他因 素对络合过程的影响程度会有所改变，这时就会通过调节p h 起到调节客体选择 性的目的。这一点，是实现通过p h 来调节分子选择性的重要方法。双吡啶盐以 及类似带有两个电荷的客体结构与磺化杯芳烃所形成的络合物也具有类似的结 果，主客体形成化学计量比1 ：1 的络合物。由于客体分子体积较大故而控制主 客体键合的因素主要是主体分子空腔的尺寸以及客体分子共轭程度。 紫精是一类重要的氧化还原物质，广泛用于除草剂1 2 引，构建功能分子组装 第一章前言 体以及电致发光器件等方面1 2 9 1 。刘育等1 3 “报道了硫桥磺化杯 4 芳烃对苄基紫精 分子的键合模式以及热力学参数。主客体形成了化学计量比1 ：2 的络台物，两 个紫精分子是先后络合在硫桥磺化杯【4 】芳烃的上缘和下缘的。第一个客体分子 与杯芳烃发生相互作用时，伴随着疏水作用力和7 t - s t a c k i n g 作用贡献的有利焙 变。尽管第二步键合产生的不利熵值小于第一步键台的熵值但是第二步键合 所形成n - s t a c k i n g 以及范德华作用力都很弱，所以该步键合的焓变要远远小于第 一步键合的焙变，所以第二步键合常数远小于第一步。而磺化杯【4 】、1 5 芳烃均 能与甲基紫精形成了l ：l 的络合物。与络合吡啶盐不同的是随着溶液酸性减弱 磺化杯芳烃对于紫精分子的络台能力增强，该过程也是由焓驱动的。出于自由 基分子与原紫精分子相比，接受电子的能力以及氢键给体的能力都减弱了，所 以主体磺化杯芳烃对于客体自由基离予的络合能力降低。通过二维核磁证明， 紫精分子与两个主体分子的键台模式不同( 图11 5 ) 。紫精分子的一个甲基和 毗啶氮部分先插入到磺化杯 4 】芳烃空腔内：而对于磺化杯【5 】芳烃，紫精分子是 水平置于杯芳烃的上口。此外通过调节溶液的酸碱性，可以调节客体分子的主 体选择性。这一点是由于不同p h 条件下电子云密度以及键台模式的不同造成的。 ， 、睁、 i ! il1 5 磺化杯 4 、5 芳烃2 ，甲基紫精客体的键含模式 、 k a i f e r 等人p l j 首先借助核磁和电化学等手段研究了磺化杯f 6 芳烃与紫精分 子的键台行为。这一络合过程的主要驱动力仍是紫精分子的正电荷与杯芳烃负 电荷之间的静电相互作用。而且紫精分子较长的烷基链可以穿过磺化杯 6 芳烃 分子的空腔，烷基链的长短并没有对杯芳烃与紫精主体部分的键台产生影响。 另外，k a i 研等人还研究了磺化杯6 1 芳烃与二茂铁季铵盐和二茂钴难离子的静电 相互作用。具有1 ，2 ，3 一交瞢构象的磺化杯【6 】芳烃与这两个客体都可形成稳定 的络台物。与中性溶液条件中相比，在酸性溶液中磺化杯芳烃对于二茂铁的包 第一章前言 结明显减弱。 1 2 3 基于磺化杯芳烃主体的固态自组装 磺化杯芳烃作为水溶性的超分子构筑块，既能够包结有机分子，同时又可 以配位金属离子，从而呈现出各式各样的高级有序聚集结构。其中磺化杯【4 】芳 烃( c 4 a s ) 由于其具有原料易得、构型相对稳定、包台物容易结晶等特点圳，科学 家们对它的固态自组装形态进行了广泛的研究。单纯主体磺化杯【4 】芳烃固态自 组装成上下交替的双层( b i - l a y e r ) 粘土状结构口”如图1 1 6 所示。这种双层结构具 有疏水层和亲水层彼此互相问隔的特征。疏水层通过杯芳烃芳环问堆积作 用形成，亲水层由磺酸根、抗衡离子以及填充的水分子组成。 图11 6 磺化杯 4 芳烃的经典“双层枯土状”单品结构 双层粘土状结构使相邻亲水层的杯芳烃太口端相对，形成易于进一步包结 客体分子的环境。当主体磺化杯【4 】芳烃包结适当有机客体分子或金属离子时， 很多会呈现出胶囊状的固态自组装结构。这些胶囊组装体的绝大部分都含有一 个冠醚或类似平面的客体分子，它们被两分子磺化杯( 4 芳烃同时包进空腔。在 这种体系中维持电荷平衡的方法主要有三种：”在胶囊外部聚集有相反电荷的 有机阳或无机离子，它们将胶囊封闭在内部，所以也称这种组装形式为“俄罗 斯玩偶”；2 ) 杯芳烃磺酸基团的质子化也可以平衡电荷；3 ) 杯芳烃苯酚基团 的去质子化。也能产生净电荷。维持胶囊结构的作用力主要有金属配位键、氢 键作用、静电相互作用以及范德华作用。 1 3 第一章前言 r a s t o n 等人在该领域取得了非常出色的研究成果。他们曾经报道了一种由 两分子主体磺化杯【4 】芳烃钠盐与一分子客体1 8 - 冠- 6 形成夹心状的超分子胶囊 结构。其中冠醚中心络合的一分子n a + 可以与另外两分子的水配位，或者直接与 每个杯芳烃主体的一个氧原子配位。该胶囊古有七个负电荷，又被称为超阴离 子胶囊圳。r a s t o n 研究发现稀土金属还可以与上述超阴离子胶囊进一步形成不 同结构的组装体。例如，磺化杯【4 】芳烃、1 8 一冠一6 与y 或e u ”形成夹心式的 离子胶囊闻，选用l 一则不能形成胶囊，而足通过协同配位呈现出“摩天轮髑删s w h e c l ) 鳓：j i 3 “。这是因为y h 和e u n 的离子半径与1 8 冠- 6 尺、r 不匹配，而l a 与1 8 一冠一6 匹配，l 矿能够与冠醚形成络合物，从而破坏了胶囊的形成。在图 1 1 7 中，r a s t o n 等人总结了镧系金属与1 8 一冠一6 、磺化杯【4 】芳烃钠盐形成复合 物的固态结构分布口”。 s i r u c iur dyer s 霜 图117 镧系金属与1 8 一冠一6 、磺化杯 4 】芳烃形成复合物的州态结构分布” 上面提到的磺化杯f 4 1 芳烃及其客体包合物的固态组装体皆为上下交替的双 层结构，即相邻杯芳烃的朝向是反平行的。实际上这种结构非常稳定，以至于 我们很难在以往报道中找到双层结构被破坏的例子。a t w 州x l 小组发现”如果把 引发胶囊形成的客体1 8 冠6 换成毗啶的n 氧化物而金属变成l a ( n 0 ) 3 ，磺化杯 4 】芳烃与客体会形成类似字母c 形的二聚体结构( 如图11 8 所示) 。处于二聚体 中心的金属l a ”分别与两个杯芳烃上的磺酸根氧原子配位。在该组装体的拓展 结构中，十二个杯芳烃分别占据同一个二十面体的各个顶点，相邻杯芳烃的大 第一章前言 口端均指向二十面体的表面。每一个二十面体叉与六个相邻二十面体由一个c 形二聚体结构连接，形成更复杂的3 d 结构。如此一来。传统的取层结构被有趣 的多面体紧密堆积模式所取代，并具有高对称性。 一泐 图11 8 磺化杯( 4 】芳烃、毗啶的n 一氧化物、l a ( n o ) 。所组成的多面体紧密堆积模式 g e t o n i a 等人报道了一种由磺化杯【4 芳烃衍生物与卟啉形成的固态多孔组 装体。如图11 9 a 、b 所示，下沿四乙酸取代的磺化杯 4 】芳烃( c 4 t s t c 可以 与带四个正电荷的四甲基毗啶基卟啉( m t m p y p ) 形成4 ：3 的星形平面络合物。相邻 星形络合物之f b j 的杯芳烃下沿己酸取代基可以由n a + l j 桥连结成二维网络( 如图 l1 9 c 所示) 。有趣的是这个二维网络中均匀地分布着边长约为25 r i m 的方形孔状 结构。许多i j 维网络平行堆积则产生了具有多孔通道的3 d 组装体。令人惊奇的 是虽然维持该组装体的作用力均是弱相互作用，而它所古多孔通道体积却f 吩 大( 占总体积的6 1 ) 。这种组装方式为制造多孔固体材料提供了高效、简便的方 法。进一步实验表明该晶体并不稳定，可以进一步识别会属离子并导致晶体结 构改变。 虢 刚11 9 由磺化杯【4 芳烃衍生物与卟啉形成的l 捌志手孔组装体 1 5 虢 第一章前言 1 2 4 基于磺化杯芳烃主体的液态自组装 磺化杯芳烃与客体形成的包台物之间作用力往往很弱，这给在溶液中研究 主客体包台物的自组装造成了困难。目前关于磺化杯芳烃在溶液中的主客体自 组装研究仅有一篇报道。刘育等人m 1 报道了利用乙基桥联职磺化杯【5 芳烃主体 与不同卟啉正离子客体在水溶液中进行超分子自组装，分别得到了纳米级的线 性与平面网状结构组装体。由于卟啉是电子受体而杯芳烃是电子给体在该组 装体内部可以发生光致电子转移现象。这一发现为构筑纳米电子器件提供了潜 在的方法。 “：。髟每 + 蛋鼍。：j 图12 0 桥联双磺化杯 5 芳烃与不同卟啉正离子客体进行超分子白纽装 篷 陡k 一文气+ j i i 第一章前言 第三节本论文的选题 综上所述，杯芳烃是继环糊精和冠醚之后的第三代大环主体化合物。由于 杯芳烃原料易得且衍生化反应十分成熟，可以成为研究超分子领域重要问题的 模型分子。目前有机体系中对杯芳烃衍生物的识别和组装研究已经十分广泛， 而在水体系中对水溶性杯芳烃的相关研究则渐渐成为热点。磺化杯芳烃是水溶 性杯芳烃衍生物中的重要分支。它不但具有良好的水溶性，同时也具有特殊的 生物活性。磺化杯芳烃在水溶液中不但可以络合金属离子、有机阳离子、中性 小分子，还能与药物、氨基酸、蛋白质等更复杂的体系作用。磺化杯【4 】芳烃是 磺化杯芳烃中最小的成员，由于其合成简便、构象相对稳定的特点成为研究最 多的主体。目前关于磺化杯【4 】芳烃与客体的识别和固相组装研究已经颇具规模， 但是人们对于其溶液状态下的自组装行为还十分陌生。 本组之前对磺化杯【4 】芳烃与吡啶阳离子客体的识别过程进行了系统的研 究，以此为基础我们的研究目标是分别利用磺化杯【4 】芳烃与毗啶阳离子模块合 成具有多个作用位点的主体和客体，并研究它们在溶液中的组装行为。 磺化杯 4 芳烃与甲基紫晶能形成强的主客体包合物，且其包结模式和热力 学过程都已研究清楚。由此我们研究的客体就定为烷基链桥联的双紫晶化合物， 主体为乙基桥联的磺化杯【4 】芳烃。研究思路为：首先合成主客体分子，然后利 用核磁、量热滴定等手段研究主客体的包结模式；接着如果主客体能形成1 ：1 的 稳定包合物，那么很有可能是以线状组装体的形式存在，所以需要利用电镜、 动态光散射等手段来研究组装体在溶液中的形貌和聚合情况；最后，由于甲基 紫晶具有电化学活性，所以我们也需要研究组装体的电化学性质来与单纯客体 进行比较。 1 7 第一章前言 参考文献 【l 】g u t s c h e ，c d c a l i x a r e n e s ，n er o y a ls o c i e t yo fc h e m i s t r y ，c a m b r i d g e , e n g l a n d ，1 9 8 9 【2 】z i n k e ，a ；z i e g l e r , e b e r 1 9 4 4 ，7 7 , 2 6 4 【3 】c d g u t s c h e ：c a i 及a r e n e sr e v i s i t e d ；j f s t o d d a r t ，e d ；m o n o g r a p h si ns u p r a m o l e c u l a r c h e m i s t r y ；, r o y a ls o c i e t yo fc h e m i s t r y ：c a m b r i d g e ，u k ，( 1 9 9 8 ) ； 4 】a ) k i m ，j s ；q u a n g ，d t c h e m r e v 2 0 0 7 ，1 0 7 ( 9 ) ，3 7 8 0 ( b ) l h o t f i k ，只；b i l f i ，a 。；b u d k a ，j 。； p o j a r o v f i ，m ；s t i b o r , i c h e m c o m m u n 2 0 0 8 ，16 6 2 【5 】b s h m e r ，v ；a n g e w c h e m i n t e d e n 9 1 1 9 9 5 ，3 4 ，713 【6 】a ) t h a l l a p a l l y ，p k ；k i r b y ，ka a n da t w o o d ，j l n e w j c h e m ，2 0 0 7 ，3 1 ，6 2 8 b ) c o l e m a n ，a w ；l a z a r , a n a n ds i l v a ，e d c a l i x a r e n e sa n dt h e i ra n a l o g u e s ：c a t i o n c o m p l e x a t i o n ，i ne n c y c l o p e d i ao f s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y ，t a y l o r f r a n c i s ，n e wy o r k ，2 0 0 4 c ) f i l b y