（分析化学专业论文）环糊精协同超分子体系的研究.pdf

摘要 第一章环糊精协同超分子体系一直是人们研究的重点，本文对这类体 系在发光分析巾的研究和应用从分子荧光磷光的产生机理、主一客体包 结行为的表征、第三第四组分对环糊精主一客体包结行为的影响、包结 体系的热函计算、环糊精和表面活性剂在发光分析中的协同作用以及环 糊精协同微环境探针咔唑的研究等几方面进行了论述，尤其对近年来环 糊精协同表面活性剂在非除氧室温磷光的体系作乐了归纳，并提出了对 未来的展望。 第二章建立了体积分数为0 2 甲醇存在下，b r i j 3 0 协同b c d 不经除 氧诱导吼一溴代萘发射强的室温磷光的分析方法，详细讨论了各种因素对 光谱特性的影响。实验表明，这是一均匀的乳状体系，发射光谱具有良 好的精细结构( 4 9 7 n m 和5 2 7 n m ) ，体积分数为2 以下的甲醇对体系磷 光影响不大，磷光强度不随放置时间变化，但却与环境温度之问存在很 好的线性关系：i p = 8 ，6 8 x1 0 s l t - - 2 4 1 0 3 。 关键词仪一b r n ；1 3 - c d ；b r u 3 0 ；室温磷光 第三章 运用荧光光谱法，通过考察n 一甲基一3 一溴咔唑在水、乙醇、b 一环糊 精、甲基一p 一环糊精、羟丙基一p 一环糊精、丫一环糊精等溶液中的荧光光谱 及荧光强度的变化，认为n 一甲基一3 一溴咔唑与b 一环糊精可能的包结方式 为轴向包结，而且光谱特性与微环境极性有很大的关系。 关键词荧光光谱法；n 一甲基一3 一溴咔唑；环糊精；包结物；微环境 a b s l r a c 【 a b s t r a c t c h a p t e r l i nt h i sc h a p t e r , t h er e c e n tp r o g r e s so nc y c l o d e x t r i n s y n e r g e t i c a l s u p a r a m o l e c u l a rs y s t e m h a s b e e nr e v i e w e di nt h ef l u o r e s c e n c ea n d p h o s p h o r e s c e n c ef i e l d s t h em a i nc o n t e n ti n c l u d e sl u m i n e s c e n tm e c h a n i s m 、 c h a r a c t e r i z a t i o na n ds p a c es t r u c t u r eo fi n c l u s i o nc o m p l e xa sw e l la sf u n c t i o n o ft h et h i r d t h ef o r t hc o m p o n e n t s y n e r g e t i c a lf u n c t i o no fc y c l o d e x t r i na n d s u r f a c t a n th a sb e e ni n t r o d u c e di nd e t a i l s c a r b a z o l ed e r i v a t i v e sm a y b eu s e d a st h ep r o b eo fm i c r o e n v i r o n m e n tp o l a r i t y c h a p t e r 2 w i t h o u td e o x y g e n a t i o n ，s t r o n gr o o m t e m p e r a t u r ep h o s p h o r e s c e n c e ( r t p lo f 仪一b r o m o n a p h t h a l e n ew a si n d u c e ds y n e r g e t i c a l l yb yb r i j 3 0a n d 1 3 - c d i nt h ev o l u m er a t i oo fo 2 m e t h a n 0 1 t h ee f f e c to fv a r i o u s e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n so nt h ee m i s s i o ns p e c t r u mw a ss t u d i e di nd e t a i l ，t h e r e s u l t ss h o w e dt h i si sa ne m u l s i o n s y s t e m a n dm a x i m u me m i s s i o n w a v e l e n g t h sa r ea t4 9 7 n ma n d5 2 7 n m l e s st h a nv o l u m er a t i o2 m e t h a n o l a n di n c u b a t i o nt i m eh a r d l yi n f l u e n c er t eh o w e v e r , a ne x c e l l e n tl i n e a r r e l a t i o n s h i p ( i p = 8 6 8 x 1 0 5 1 t 一2 4 x 1 0 3 ) w a sf o u n db e t w e e nr t pi n t e n s i t ya n d t e m p e r a t u r e k e y w o r d s ：一b r o m o n a p h t h a l e n e ，b r 巧3 0 ， 3 - c y c l o d e x t r i n ， r o o m t e m p e r a t u r ep h o s p h o r e s c e n c e c h a p t e r 3 t h ep r o p e r t i e so ff l u o r e s c e n c eo f n - m e t h y l - - 3 - - b r o m o c a r b a z o l e ( n m b c ) i nw a t e r ，e t h a n o l ，1 3 - c y c l o d e x t r i n ，m e t h y l p - c y c l o d e x t r i n ，h y d r o x y - p r o p y l - b - c y c l o d e x t r i na n d7 - c y c l o d e x t r i nw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w t h a tt h i si n c l u s i o nc o m p l e xo fn m b ca n d1 3 - c y c l o d e x t r i nw o u l db ep a r a l l e lt o t h ei s - c y c l o d e x t r i nm a i na x i s t h ef l u o r e s c e n c es p e c t r ao fn m b cg r e a t l y d e p e n do nt h ep o l a r i t yo fm i c r o e n v i r o n m e n t k e y w a r d s ：f l u o r e s c e n ts p e c t r o m e t r y ；n - m e t h y l - - 3 - - b r o m o c a r b a z o l e ； c y c l o d e x t r i n ；i n c l u s i o nc o m p l e x ；m i c r o e n v i r o n m e n t 声明 声明 本论文是在晋卫军教授指导下完成的。其中涉及到的所有 内容未经晋卫军教授的允许或授权不得随意在任何媒体公开发 表。 2 0 0 6 年5 月 第一章纠、糊精叫超分j 体系的发光分析圳允 第一章环糊精协同超分子体系的发光分析研究 1 1 环糊精的结构特点 1 1 1 结构 环糊精( c y c l o d e x t r i n ，简称c d ) 是淀粉在环糊精葡萄糖基转移酶( c g t ) 的作 用下发酵产生的一组环状低聚糖。从结构上看，c 7 ，f f 3 是由6 1 2 个d 一( + ) 一吡哺葡 萄糖单元以一l ，4 糖苷键结合而成的略成锥形的圆筒腔体，较常见的是分别含有6 、 7 、8 个葡萄糖单元的c d ，分别用、1 3 和7 - - c d 来表示。如图1 1 ，环糊精的形状 都是略呈锥形的圆筒结构，上端大，下端小。由于各个葡萄糖单元都处于椅式构象， 则上端外侧是葡萄糖c 2 ，c 3 上的两个仲羟基，下端是c 6 上的伯羟基，腔内有一圈糖 苷键的氧原子，但却处于c 3 一h 、c 5 一h 键的屏蔽之下。故环糊精是一个内疏水、 外亲水的空腔结构，又由于7 个c 2 上的羟基和7 个c 3 上的羟基分别指向相反的方向， 这种特殊结构使其内腔又具有手性特征。、b 和7 - - c d 三种环糊精的各种参数列于 下表1 l 。 幽1 ) p - c o 葡萄糖单元构象、字腔结构 1 1 2 环糊精主一客体作用 由于环糊精的上述结构特点( 内疏水、外亲水、手性等) ，可与许多无机和有机 化合物形成主一客体包结物( h o s t g u e s tc o m p l e x ) ，它是超分子化学发展的稚形。包结 物的形成受下列条件的影响： ( 1 ) 三维空间相互匹配性：( 2 ) 疏水亲脂作用；( 3 ) 范德华力；( 4 ) 氢键； ( 5 ) 释放高能水和大分子环的张力能等。 环糊精的空腔由于边缘问的氢键网络作用具有一定的刚性，因此，客体分子与空 腔间的尺寸匹配在决定主一客体间所形成配合物的稳定性中起着重要作用。一般说 i 瓢 环糊精协同超分子体系的研究 来，a 一环糊精的空腔尺寸适于包结单环芳烃( 苯、苯酚等) ，p 一坏糊精的空腔尺寸与 萘环的尺寸相匹配，v 一环糊精与总、菲等三环芳烃结合最稳定。所以环糊精对客体 分子的大小、几何形状和极性有极强的选择性。这种对结合的选择性使得环糊精在 分子识别、模拟酶、手性分离和超分子材料等方面有很高的研究和应用价值【3 “】。针 对天然环糊精在水中的溶解度较低的这一缺陷，对环糊精空腔上下端的醇羟基可进 行醚化、酯化、氧化等而形成修饰的环糊精衍生物，其溶解度较天然环糊精有了很 大的提高，而且还可能增加包结物的稳定性，改善光学特性等。 多年来，人们对环糊精超分子体系的作用机理和分子识别机理进行了深入的研 究和探讨，所采用的研究手段有核磁共振【91 0 】、x 一射线粉末衍射“”、红外光谱 、紫外一可见光谱t 1 6 1 、荧光磷光光谱【9 , 1 7 - 1 9 1 、n - - 色谱2 0 ，引1 、电化学方法 1 2 2 - 2 5 1 、热分析方法t 26 1 、毛细管电泳法【”1 、各种色谱分析方法 2 8 , 2 9 以及理论计算 方法 3 0 1 等。 表1 1 三种c d 的一些重要物理参数 c d 性质 1 3丫 葡萄糖单元数678 分子量 9 7 2l l3 5 1 2 9 7 溶解度( 2 5 )1 4 518 52 3 2 苫 1 5 0 0 51 6 2 0 51 7 7 4 0 5 空腔直径( a )4 7 5 36o 一6 57 5 8 3 空腔高度( a )7 9 0 17 9 0 i7 9 0 i 锥体外径( a )1 4 6 0 415 4 041 7 5 0 4 空腔体积( a3 ) 1 7 4 2 6 24 7 5 m l m 0 11 0 4】5 7 2 5 6 晶形六方行片状体单斜平行晶体正方棱晶 结品水( w ) 1 021 3 2 1 4 58 1 3 一1 7 7 空腔内的水分子个数 61 1 1 7 p k a 【2 l 1 23 3 】2 2 0】2 ，0 8 1 2 环糊精在分子荧光磷光光谱分析中的研究 1 2 1 分子荧光磷光的产生 一市玎、糊精f j j - h 趟分了体系的发光分析研究 当物质受光照劓时，会部分或全部吸收入射光的能量，引起物质分子内的电子 从低能级跃迁到高能级，电子处于激发态。处于激发态的分子是不稳定的，它可能 通过辐射跃迁和非辐射跃迁等分子内的去活化过程丧失多余的能量而返回基态。若 直接由分子的最低激发单重态( s 1 ) 经辐射跃迁回到基态( s o ) ，产生荧光；若最低 激发单重态经历非辐射的体系问窜跃到亚稳的第一电子激发三重态( t 1 ) ，在三重态 稍事逗留后，再经辐射跃迁到基态，伴随磷光的产生。可用图1 2 进行描述。 v r s s o v r i s c 。1 。1 。1 。1 1 。 二二： 三三手t 7 ? 。 q 1 s 。 p q ， ， 幽12 分子内光物理过程简圈 s o - - - 电子基态，s l - - - 第一电子激发单重态，t - 第一电子激发三重态 e x c 激发，f - - - 荧光，p - - 磷光，i c 内转化，i s c 体系间窜越，v r 振动松弛，q - - 猝灭。 荧光和磷光的强弱可用荧光磷光量子产率来表征( 分别表示为嘶、如) ： ， 一 坼 ( 1 1 1 ) 3 t l 听2f 匿幸田可 “ h 为荧光速率常数，k i 为单分子的所有非辐射去活化步骤的速率常数的总和， k i 为内转化速率常数， k i 。为系间窜越速率常数，k 为双分子猝灭速率常数， q 为 猝灭剂分子的浓度。 旷仇邯2 丽呵等可丽耵d 毫丽1 2 川”1 岛。和昂分别为系问窜跃和磷光的量子效率，k 。是磷光的速率常数，k i f 和k i 。是 非辐射跃迁速率常数，k q ，f 和岛，。分别是荧光和磷光各种猝灭常数的总和。由方 程( 1 1 1 ) 、( 1 1 2 ) 看出，荧光和磷光量子产率的提高都要通过减少非辐射跃迁和 双分子猝灭来实现，但系间窜越速率的提高不利于荧光，却有助于磷光的发射。我 们可以利用改善系间窜越速率这一点来实现荧光和磷光之间的转化。 环糊精协司超分子体系的研究 与荧光相比，磷光具有如下特点：( 1 ) 磷光辐射的波长比荧光氏，这是因为分予 的，念的能量比s l 态低；( 2 ) 磷光的寿命比荧光长。由于荧光是一岛辐射跃迁，是 白旋许可的跃迁，寿命通常在1 0 l o 。s ；磷光是乃一岛辐射跃迁，属自旋禁阻跃 迁，其速率常数小得多，因而寿命长，约为1 0 。4 1 0 s ( 荧光约为1 0 - s s ) ；( 3 ) 磷光的 寿命和辐射强度对于重原子和顺磁性物质是极其敏感的，也就是说重原子能减弱荧 光、增强磷光，而顺磁性物质却是减弱甚至猝灭磷光和荧光的。 在发光分析中，分子氧是最主要的猝灭剂，尤其是在磷光分析中，通常要经过 除氧才能实现。环糊精的空腔结构却为发光分子提供了一个很好的刚性化环境，能 有效地屏蔽氧分子对发光体的猝灭作用，提高发光量子产率。因此，环糊精在发光 分析中的应用一直受到重视。 1 2 2 环糊精主一客体包结行为的表征参数 客体分子进入环糊精空腔后，处于一个较好的保护性微环境内，其基态和激发 态受到保护，能够在一定程度上改变客体分子的物理和化学性质，并使客体分子的 光、电、热等行为发生变化。荧光磷光光谱法就是利用客体分子( 荧光磷光探针) 光谱行为的变化来研究环糊精包结作用的方法之一。可通过对包结前后客体分子的 特征光谱( 激发和发射光谱) 是否有位移或强度及发光参数( 寿命和量子产率) 等 的变化来研究包结物的包结机理、包结方式、稳定性等等。 1 2 2 1 发光光谱及发光强度 一般来讲，这种方法得到的发光光谱具有很好的精细结构，而且发光体的刚性 化程度越高，同种分子的光谱精细结构越好，发光强度会更强，发光强度可很直观 地表明包络的程度，也是包结稳定常数或包结比( 同荧光分析) 、检出限、分析特性、 热函等计算的第一数据来源。 1 2 2 2 发光寿命 发光寿命是指发光分子在返回基态之前停留在激发态的平均时间，它与辐射跃 迁和各种非辐射跃迁的速率常数有关，可用下面方程来求： l l u 0 一l 叫2 一f t( 1 2 1 ) 式中，0 和 分别表示产0 和，= t 的发光强度。可通过不同时刻，所测得的，l 值， 作l 叫一t 的关系曲线，所得直线的斜率即为发光寿命。 发光寿命常常可以表征存在于c d 空腔内的发光体的刚性化程度或被屏蔽的程 第一节环枷枯汕制趟分广体系的发光分 斤， 度。般来讲，刚性化程度或被屏蔽的程度越高，受猝火的程度越低，发光寿命越 长。 1 2 2 3 发光量子产率 一般地说，发光量子产率的数值总是小于l ，其值越大，体系的发光越强，说明 发光体的刚性化程度越高。 1 2 2 4 包结比、包结稳定常数和解离常数 包结比和包结稳定常数是相关联的。计算包结稳定常数的方法有很多，但人们 常厍 b e n e s i i f i l d e b r a n d 法刚和双倒数法。 1 2 2 4 1b e n e s i h i l d e b r a n d 法 以醇1 一b r n p c d j f 目成三元1 ：1 ：l 包结物为例 3 4 ： 配 a + 3 - c df = 垦ja ：3 - c d ( 1 2 1 ) 1 - b r n + a ：1 3 c df = 兰兰! a ：1 - b r n ：1 3 一c d( 1 2 2 ) 总的平衡方程式为a + 1 - b r n + p c d ；= ! 兰，a ：i - b r n ：p c d( 1 2 3 ) h 砌a i 【3 5 , 3 6 导出类似上述三元包结反应的b e n e s i h i l d e b r a n d 方程为： l = 1 枨【p - c d i i a 】+ l n( 1 2 4 ) 式中k 为表观平衡常数，a 为醇或任意第三组分，是有无第三组分存在时的 发光强度差值，o 是仪器常数， p c d 】、 a 为平衡浓度。保持发光体和b c d 的浓度 不变，以l 【a 】为横坐标、l ，为纵坐标作图，得到一条直线，直线的截距除以 斜率即为方程( 1 1 6 ) 的表观平衡常数。杜辛贞3 4 1 等计算了正丁醇1 一b r n p c d 形成 1 ：1 ：l 包结的表观平衡常数为2 0 4 1 0 l m o l ，且是直线。此方法也适用于二元甚至更 多元的包结体系，但体系组分越多，计算结果的偏离也会越大。因此公式的应用条 件是：对于二元体系要求，很大，环糊精的浓度远大于发光体浓度；三元体系则要 求第三组分和发光体都应完全进入c d 腔内，否则计算的k 值便不可靠。这从文献 3 4 1 的磷光强度及k 便可看出：随直链醇碳原子数的增加，乙醇一正丁醇，磷光强度依次 增大，正丁醇一正辛醇，巾逐渐下降；而k 的表现却是随碳原子数的增加单调上升。 其原因就是根据c d 空腔的大小最多可包络6 个碳原子的直链烷基和一个1 一b r n 分子， 这样乙醇一正丁醇是醇和l b r n 完全包络，而正戊醇一丁f 辛醇过长的碳链曲卷在c d 空腔内，使l b r n 分子被包络的程度减弱，p 下降。 虽然公式( 1 2 4 ) 是在假设包结比为l ：l ：1 时推出，但反过来也可用于包结比的测 环矧精协涮趟分f 体系的研究 定。若，一1 f a 】为一直线，则说明醇1 - b r n p c d 为j ：l ：i 包结；若，一1 ( a 1 2 为一直线，则浇明醇i b r n f i c d 为2 ：l ：1 或1 ：2 ：1 包结。 番祖亭1 3 7 研究了b 一环糊精和n 一萘乙酸的二元包结行为，认为在中性或弱碱性介 质中两者包结能力最强，形成1 ：1 的包结物，并用此法计算了稳定常数为1 5 4 1 0 3 l m o l 。 1 2 2 4 2 双倒数法 这是b r i g h t 3 9 】等提出的方法，他是利用量子产率q 计算的方法。 以二元主客体包结为例，g + c d 。垒! = g c d( 1 2 5 ) 其方程式为： g o g - c d = ( 1 凰g 。c d 9 g c d ) o c d ) + ( 1 坛一c d q g c d ) ( 1 2 6 ) q b c d2 七c j k o - c d g c d 】 ( 1 2 7 ) 以1 c d 为横坐标，1 l a c o 为纵坐标作图，由直线的斜率和截距即可求出常数 k 。该方法揭示了客体与c d 之刚的多级包结现象，若所得直线为一条，则说明客体 分子与c d 只有一种包结物：若所得直线为两条，则包结物有两种类型，进而根据 稳定常数及光谱形状来进一步确定包结比。 b r i g h t 3 9 1 等用这一方法测定了苯胺基萘磺酸衍生物与d 一环糊精包结物的k r ，发现 2 ，6 - 苯胺基萘磺酸在p c d 浓度肛o 0 1 m o l l 时，双倒数图为一条直线，说明是1 ：l 的包结物，稳定常数为2 0 8 0 1 0 3 l t o o l ；n 一甲基2 ，6 一苯胺基萘磺酸的双倒数图是 两条直线，说明它与c d 形成两种包结物，d c d 浓度较低时是1 ：1 包结物，稳定常 数为7 3 6 x1 0 3 l m o l ，d c d 浓度高时是1 ：2 包结物，稳定常数为3 1 0 2 l m o l 。 陈亮等用此法证明c d 与氟哌酸形成l ：1 包结物。 由于环糊精主客体包结类似于酶和底物的作用，那就要求包结物既要有一定的 稳定性，又要在特定的环境中易于解离，故有时电用包结解离常数肠来对包结物进 行表征，在数值上是稳定常数的倒数。 1 2 3 包结方式 一直以来，对于环糊精包结物的包结方式也是人们非常重视的一个研究内容， 人们采用不同的方式来证实其包结方式。固态的可采用x 衍射法等，液态的可通过 核磁、荧光磷光光谱、红外、分子模拟计算等各种方法共同协助来探索。随着计算 机技术的发展，理论模拟计算和各项实验验证的相结合应使这方面有一个突破性的 进展。 m s b a i 人等4 1 1 曾研究了咔唑与d c d 及其衍生物的包结行为，认为咔唑是以轴向 弟一章h ：蝴楷胁h 趔分了体系的发光分折究 方式进入环糊精内，由于立体位阻效应不可能以垂直方式进入环糊精内，并且通过 实验予以证实。 朱业先1 “1 、张勇等通过研究q b r n 在0 【一、p 、y c d 水溶液中的荧光和磷光 光谱行为的差异发现：0 c b r n 以最佳的“赤道方式”也很难完全进入1 3 , c d 空腔，由 于空间匹配效应，只能以单体1 ：l 的形式包络；在p c d 水溶液中，旺一b r n 和p c d 以l ：1 ( 低浓度或包结时间短时) 的“赤道方式”或“轴向方式”进行包结，由于 o l 一位b r 原子取代的空间位阻，b r 取代端裸露在环糊精空腔外，而且从分子尺寸( 萘 分子大小为0 5 n m x o 7 1 n m ) 来看，这样的包结也是可行的。当高浓度或包结时间延 长时两个l ：1 的包结以头碰头的方式聚合成2 ：2 的包结方式。而p b r n 与d c d 只能 形成轴向包结。如图1 3 和1 4 所示。 b r 卧囝 + + 图1 3c , 一b r n 与6 - c d 的1 ：1 轴向和赤道包结 + 图1 4 p b r n 与p c d 的l ：1 轴向包结 郑用熙【4 4 ”1 等曾以1 。萘酚和2 一萘酚为荧光探针，考查了它们在水、乙醇、丙酮 和b ，c d 水溶液中的吸收光谱和荧光光谱，认为1 萘酚和2 萘酚也是以轴向方式包结 进入b c d 空腔，并且l 。萘酚的羟基有可能刚好进入到环糊精空腔内，而2 萘酚的羟 基是裸露在外的。并且在文献【4 5 】中，核磁共振进一步说明在强碱溶液中2 萘酚离子 的负氧离子与6 一c d 细口端的伯羟基形成氢键。而韩家军 4 6 1 等也以核磁推断1 一萘酚与 1 环糊精协同超分子体系的研究 6 c d 足以轴向包结，且羟基位于大口端。那幺l 一萘吩和2 - 荣腑。邛一c d 拒以轴州堕 站t l , l _ 充兜碰l ；何j ：人【1 端还硅小端? 迁足4 ；m 介质会影j 它 包站的，j ? 违 钉待丁_ = 进步的考证。( 文献4 5 和4 6 都有模型) 文献 4 s 】结构模拟图文献【4 6 结构模拟图 鉴于文献f ”74 8 】有关喹啉及异喹啉也以轴向形式( 不是平伏形式) 包结进入d c d 空腔的事实，可得出：只要是客体体积与环糊精的空腔体积相匹配，尽可能的会采 取轴向的方式进行包结，其几率会远大于赤道包结。 1 2 4 第三第四组分对环糊精主一客体包结行为的影响 由于环糊精的内腔是疏水性的，外侧大口端有仲羟基，小口端有伯羟基，这样 既可让一些非极性的基团进入取代腔内的高能水，又可与易形成氢键的基团在腔口 形成氢键，加强了客体分子与环糊精的包结作用，避免了客体分子激发态在水溶液 中发生的猝灭和非辐射衰减过程，使客体分子的发光强度增强。所以，在原来二元 包结物的基础上，又发展了三元( 甚至四五元) 包结体系，这些第三第四组分对发 光体的发光行为影响很大，常见的第三( 第四) 组分主要包括有机醇、烷烃、卤代 烷烃、烷基胺等有机溶剂和表面活性剂等等。 1 2 4 1 有机醇 有机醇作为第三组分对环糊精包结作用的影响是研究最多的。u n e 0 1 4 9 1 等报道 y - c d 使萘氧乙酸的荧光强度稍微增强，而当有环己醇同时存在时，荧光强度则大 为提高，认为这是由于环己醇与荧光体同时包络于y - c d 空腔中起“空问调节器”的 作用而使7 一c d 空腔的空间窄化，而且三者形成1 ：1 ：1 的包结物。 芘是一种强疏水性的芳香化合物，其单体的荧光光谱中第一振子带( 3 7 3 n m ) 与第三振子带( 3 8 3 n m ) 强度之比( 上，) 可作为其所处微环境极性大小的量度，矽y ， 值越大，对应环境的极性越4 , t 5 0 1 。江云宝5 1 1 等以芘作荧光探针研究了不同醇存在下， 芘佃一c d 体系的荧光光谱，发现醇的引入不影响芘的各谱带位置，但对各谱带强度的 影响不同：一元醇( 甲醇例外) 使得芘的，以，值增大，而多元醇则使得该比值减小， 第章叫：糊精协h 超分了体系的发光分析究 但当无d c d 时，值变化却很小。受p a t o n a y l5 2 1 等的肩发，江认为在芘1 3 c d 醇体 系中，醇与d c df , j 的氢键作用是二者作用的本质，而且醇易与p c d 小；_ 端的伯羟 基以氢键结合，醇分子中的烷基链覆盖在b c d 端口上使其进一步与极性体相隔离， 使空腔极性减小，醇分子中烷基链越氏，形成氢键能力越大，对d c d 端口覆盖度越 大，使b c d 空腔微极性减小得也越多。其可能的作用模型如图1 5 。 文献 4 4 1 中，在b 一环糊精和0 【一萘乙酸的包结物中，加入一元醇( 甲醇、乙醇、丙 醇、异丙醇) ，随着醇浓度的增加( 研究用量在2 0 以内) ，荧光强度也逐渐增强。 认为一方面醇的存在增加了p c d 的溶解度，另一方面醇羟基和d c d - i n 口上伸羟基的 氢键作用增加了p c d 空腔疏水性，或者是醇羟基、d c d 端口上仲羟基及萘乙酸的 羟基共同作用来增强包结物的稳定性。 图i 5b ；羚基与环糊精的氢键作_ l j 模型 文献 3 4 1 中，作者详细研究了c 1 c 8 的直链脂肪醇对d c d 1 一溴代萘体系的磷光 影响，发现醇的碳链包结在c d 的空腔内，起空间调节作用，醇羟基又与c d 端i ；7 羟 基形成氢键，这样醇以疏水作用、空间调节和氢键形成作为第三组分来参与包结的。 赵瑜1 53 j 等考查了不同醇对环糊精溴代萘体系的室温磷光，结果表明， l b r n b c d 体系的r t p 强度的增加，不仅依赖于能与c d 形成氢键的能力，而且r t p 增 强的程度，与醇分子的大小和烷基链的空i l 白j 构型直接相关。醇的烷基链形成的盖愈大， 愈密，隔离氧气的效果会愈好，r t p 强度就愈高。环己醇、叔丁醇分子烷基链的空间体 积大，因环或支链形成的盖“密”，隔离水本体0 2 n c d 腔内扩散的能力强，所以体 系的r t p 增强很显著。 并建立了醇氢键的“封盖”作用模型( 如图1 6 ) 。 图16 醇氢键的“封盖”作用模型 环糊精协同超分子体系的研究 这- i j , 组1 5 4 】又研究了b c d 碘代乙基联苯澳代环己烷体系发射r t p 的适宜条件， 以及第四组分醇及c d 衍生物对其r t p 发射的影响。根据实验结果，各种醇的引入，对 体系r t p 光谱的峰形、波长无明显影响，但对其强度，则因醇不同而有不同的影响。 链太短的甲醇和支链多、空间体积太大的叔丁醇、叔戊醇和异戊醇对体系r t p 强度 的影响不显著，而碳链长度和支链适度的醇，则有较明显的增敏作用。其增敏次序为 丁醇 异丙醇 1 ，3 一丁二醇 丙醇 乙醇 环己醇。此结果与研究不同醇对d c d i 一 溴代萘体系r t p 发射的影响时【5 ”，所得碳链长、支链多、空间体积大的醇，如叔丁醇、 环己醇增敏效果最好的结果表面上似乎有所不同。认为这主要是由于客体的变化所 引起。对本体系而言，c d 的两个端口都已有一i 、一br 和一c 2 h 5 ，已有一定的空间 立体效应。所以要求外加的醇应该是空间阻碍作用不太大，能够以适当的取向与c d 端h 羟旗形成氢键；同时又要求醇的碳键有定的长度和支链以便形成的“盖”比 较密，屏蔽氧的效果才好。所以，认为上述增敏次序仍然是反映了对醇的这种要求一 一在可便于氢键形成的条件下，碳链愈长、支链愈多，增敏效果愈好。 为进一步证实醇与c d 端口羟基间有氢键，分别用a c d 、t c d 和me d c d 、 h p d c d 、g 2 - 1 3 一c d 分别代替p c d 进行实验。结果表明，除使用y c d 时体系尚有 一定的r t p 发射( 强度显著低于使用p c d 时) 外，使用伐一c d 和p c d 的衍生物体系 均无r t p 发射。其原因是b c d 的内腔较小，对于与碘代乙基联苯干 j b c h 形成三元包 结物是较为匹配的，相比之下一c d 内腔f 1 7 4 a 3 ) 更小，不能形成三元包结物，所 以无i h p 发射；y - c d 内腔 4 7 2 a 3 ) 又太大，三元包结物的形成不够稳定，r t p 强度降 低。这一结果，也从侧面显示醇的作用不是由于参予形成四元包结物，因为v c d 有 更大的内腔，似乎更有利于四元包结物的形成，但效果却适得其反；至于三种b c d 衍 生物，由于其端口的羟基已被其他基团所取代，不能再与所加醇的羟基形成氢键和 相应的氧屏蔽“盖”，加之d c d 端口上的这些取代基的空问立体效应，将不利于这 些b c d 衍生物与碘代乙基联苯和溴代环己烷形成三元包结物，所以亦无r t p 发射。 由此也可看出，对于醇参与的三元体系，除了氢键作用，还有空问调节，而对 于醇参与的四元体系来讲，氢键作用是最主要的。 1 2 4 2 烷烃 环己烷是应用最为广泛的烷烃第三组分之一。1 9 9 4 年晋卫军等【5 5 】发现，仅在环 己烷存在下，没有其他任何重原子组分，菲和一些杂环芳烃能产生强的磷光信号， 而且菲在不除氧时也有比较强的磷光发射。在所研究的条件下，有机溶剂对室温磷 o 第一市环枷精叶出分j 体系的发光分析研究 光的增强次序为：环己烷 己烷 戊烷 澳苯石油醚 庚烷 辛烷，并且体系是云雾 状的，。这里环己烷不仅起着重原子的作用，而且和环糊精之间有很好的空削匹配 效应，使三元包配物在微晶中进一步刚性化，得到了增强的c d r t p 。据此提出了包 结配合悬浮微品一- 次刚性化机理，即c d 、磷光分子和非极性溶剂形成三元包结物， 对发光分子是一次刚性化作用，三元包结物在微晶巾进一步刚性化，得到了增强的 c d i t p 。 谢剑炜等用发光光谱，磷光寿命和荧光偏振等实验手段，证实了b c d 环己烷 o 【一溴代萘包配物的形成，测定了三元包配物的表观形成常数，认为环己烷立体结构 有利于形成紧密的三元包配物，有效清除空腔内的氧分子，使之在不除氧的条件下， 诱导溴代萘产生增强的r t p 。张海容等口7 j 在非除氧条件下研究了6 一溴萘硫酸钾b c d 环己烷超分子组合的室温磷光，在极少量环己烷存在下，三元包合体系就能诱导出 较强的磷光信号。其作用也认为环己烷的椅式构象正好和b c d 的基本结构单元d 吡 哺型葡萄糖的椅式构象相类似，二者f 好“契合”为刚性的超分子组合体，有效屏 蔽了氧分子的猝灭。 1 2 4 3 卤代烷 当磷光体不含重原子时，卤代烷及卤代醇在c d r t p 研究中应用的非常多。不但 起重原子微扰剂的作用，而且起空间调节作用。 陈小康【5 8 j 等在不除氧条件下，于b c d 喹啉体系中加入少量l ，2 - 二溴丙( d b p ) ， 即能诱发出与用n a 2 s 0 3 除氧接近的磷光强度。该体系的工作曲线线性范围可达三个 数量级。喹啉浓度在5 0 1 0 。5 o 1 0 。m o1 l 范围内其相关系数r = 0 9 9 9 2 ；浓 度在5 0 1 0 5 0 1 0 4 m o l l 范围内的相关系数r = 0 9 9 9 8 。检出限可达7 4 1 0 m oi l 。与1 ，2 - 二溴乙烷( d b e ) 作重原子微扰剂相比，d b p 诱导的磷光明显强于 d b e ，说明碳链长有利于减小氧的猝灭。 文献口9 j 的实验结果表明，适量重原子微扰7 f i j d b p 存在下，环糊精诱导西维因 ( c b l ) 产生了强的室温磷光，c b l 浓度在一定范围内与体系的r t p 强度呈线性关 系。在c b l 6 一c d d b p 体系中，由于d b p 与c b l 之间有适度的自旋一自旋轨道耦合， 即能够增j j i c b l 激发三重态的布居，1 1 明d b p 与b c d 之间具有特殊的空间匹配效应， 在包络体系形成过程中起了空间调节的作用，使待测分子c b l 最大限度地刚性化， 从而使c b l 呈现强的r t p 光谱。并且建立了痕量c b l 的c d r t p 分析方法，对c b l 农 药残留分析具有较高的灵敏度和较低的检出限，同时操作上也简便易行，为我们对 环糊精协同超分f 体系的研究 农药贱留分析方法的研究提供了新的思路。 除了链状卤代烃，卤代坏烷烃也是一种很好的重原子微扰剂。魏雁声等1 6 0 】以1 溴环己烷作重原子微扰剂，发现在不除氧的条件下，体系仍有较强的磷光发射，并 在不除氧的条件下，进行了7 一甲基喹啉的测定。作者认为1 一澳环己烷不仅具有重原子 效应，同时存在空问填充作用。 1 2 4 4 有机胺 胺类是大多数未取代芳烃的有效荧光猝灭剂。k a n o ”“2 1 等在芘d c d 的包结体 系中分别加入小分子的二甲基胺、三甲基胺、二乙基胺后体系的荧光猝灭，而且较 小胺分子的猝灭速率更高，说明胺和芘同时包络在环糊精空腔内提高了胺到芘激发 单重态转移的速率。但把三甲基胺加入萘1 3 一c d 体系中荧光却没有显著的变化【6 3 】。 可能是芘与1 3 c d 的包络较浅，空腔内还有空间包络三甲基胺而形成三元包结物，加 速了静态荧光猝灭。而萘却能与d c d 紧密包络，没有足够的空间容纳三甲基胺形成 稳定的三元包结物，故对其荧光猝灭较小。但我本人认为也可能是由于萘和b c d 2 ：2 的包结物，使三甲基胺难于接近萘而造成。 1 9 9 9 年，陈小康i 65 j 等首次研究了不同的胺对1 - b r n 1 3 一c d 体系的r t p 发射的影响。 发现胺能显著增强一b r n 1 3 c d 体系的r t p 发射，r t p 强度随着胺的烷基链的增长和 支链的增加而增加，且当胺的用量是1 3 一c d 用量的一倍时，r t p 强度最大。由此认为， 胺的影响主要应归因于胺分别从p c d 的二端接近，胺的- n h 2 也参与p c d 的羟基形成 氢键，而其烷基从c d 两端折向空腔，封住t c d 的上、下端口。这不仅提高了c d 腔 内的疏水性，增大了磷光体与c d 间的包结常数，同时，对外部氧向c d 腔内的扩散起着 隔离作用，显著减小了三线态氧对腔内发光体激发态的猝灭作用。从而可在不除氧的 条件下观察到发光体强的r t p 发射。说明在c d r t p 中，胺类和醇类的作用是一样的， 本质上属于超分子化学中的分子调控作用。其作用大小取决于( 1 ) 能否有适宜的空 问构型与c d 的羟基形成氢键。( 2 ) 其烷基链的疏水性，它将影响其折入c d 腔内的 深度和c d 腔的疏水性。( 3 ) 烷基支链的多少和空间分知，将影响对氧隔离“盖” 的严密程度。 1 2 4 5 其它有机小分子 除了上述第三组分外，苯、甲苯、四氢呋喃、丙酮等有机溶剂也是常研究的对 象，其作用类似于醇。在文献 6 6 1 中，在芘7 一c d 的溶液中加入甲苯，芘的1 1 1 3 值随着 甲苯质量分数的增加迅速降低，说明甲苯进入7 - c d 内腔参与了包合，减小了c d 内 第一章环糊精讪、旧超分了体系的发光分析圳了c 腔的极性，起到空恻调节器的作用。而且通过计算1 ：l ：l 三元包结形式的表观稳定 常数为86 9 1 0 2 l m o l ，远大于芘y c d 二元包结物的稳定常数2 7 0 x1 0 2 l m o l 6 ”， 更有力地证明了甲苯参与了包结。但如果甲苯的量过大，它会和芘竞争，反而把芘 置换出空腔，表现出 仿值升高。因此，一般来讲，第三组分的协同作用只在较小 的量内。 同样在史献口4 j 中适量的苯对d 一环糊精一水杨酸包络体系的荧光能显著增强。而 且三元包络物的形成常数比二元包络物的增大了4 0 。电是由于疏水作用和空问调 节改善了包络体系的微环境所至。进一步了解d 一环糊精对水杨酸的包结性质，对改 善和控制水杨酸的腐蚀性和消毒性能起到积极的作用。 1 3 包结物的热函计算 研究环糊精包结物的热函，有助于理解超分子体系的中的弱相互作用。 常用的热力学参数有平衡常数k 、自由焓变a g 。、熵变4 和焓变4 俨等。丘虽 是稳定常数，但与温度有关，许多包结物的k 随温度升高而减小。它们之间的关系 为：a g o = d 矿一t ( 1 31 ) n = 一锩+ 譬 。m 一般地，包结物形成过程中要符合熵焓补偿规律，熵焓补偿规律在超分子体系 中普遍存在，利用4 ，和4 酽补偿作用可以解释主客体问的相互作用。4 与包结过 程中作用力的强弱有关，4 酽越负则相互作用力越强，自由焓也越负，包结的自发性 越强【6 8 1 。但4 和4 酽数据表明，包结物形成时往往伴随着负的焓变、负的或较小正 的熵变，故包结作用主要来自焓的贡献。 对于环糊精主客体包结而言，强疏水性的客体分子使得负炝变较大，但范德华 力和氢键作用也会引起负焓变和负熵变，而且这些作用力会使客体在环糊精空腔中 的活动自由度减小，从而使熵变减小。 双少敏7 1 等研究黄酮类化合物与b c d 包结物的热动力学时，得到的4 均为负 值，说明包结反应是放热过程，且a g 。 c m c c m c 式中m 表示胶束，s 表示表面活性剂单体，g 表示客体分子。在表面活性剂浓度 小于c m c 值时，形成s g c d 三元包结复合物，形成了表面活性剂分子和发光 体对环糊精空腔的竞争；当表面活性剂浓度大于c m c 值时，发光体有部分进入胶束 内，形成了胶束和环糊精对发光体的竞争。 基于对近十几年的研究情况的总结，表面活性剂和环糊精防同荧光磷光的研究 大致根据发光体的类型有两大类：一、对荧光探针( 如芘) 的增敏和增稳作用的研 究和应用；二、对磷光探针( 如1 b r n ) 增敏、增稳和非除氧体系的研究。 1 9 8 5 年，f e m i a 和c l i n el o v e ”j 进行了菲d 。c d d b e s d s 体系的光谱研究，发 现在重原子微扰剂d b e 的存在下，体系不须除氧即发射强的r t p 。r t p 的强度与表 面活性剂和环糊精的浓度有关。当s d s 浓度低于c m c 值时，r t p 随s d s 浓度增大 而增强，光谱形状不变，当s d s 的浓度大于c m c 值时，r t p 光谱发生位移。说明 当表面活性剂浓度低于c m c 值时，表面活性剂的疏水端进入了c d 空腔且尾端隔离 了c d 空腔的端口，阻止了发光体三线态受氧猝灭的几率。 1 9 8 6 年y o s h i h u m ik u s u m o t o l 7 7 】等研究了芘s d s 3 一c d ，发现s d s 的浓度在c m c 值以下这一体系荧光增强，当在c m c 值以上时，形成一个有胶束存在的体系。 1 9 8 9