（物理化学专业论文）几种含氮大环化合物的键合及组装行为.pdf

摘要 冠醚和环糊精经化学修饰后可以给出各种各样的衍生物，不仅可以扩展其原有的 分子键合能力，而且可以改变其分子选择性，是当代超分子化学的一个研究热点。为 了进一步研究其分子识别机理，本文设计和合成了一系列功能基修饰的冠醚和环糊精 衍生物及其钌( i i ) 配合物，使用各种现代测试技术研究了其对模型底物的分子离子识 别能力，并探讨了分子识别的机理。此外，本文还尝试进行了分子组装方面的一些探 索研究。具体内容如下： 1 简要介绍了超分子化学的概况，并分别对以冠醚和以环糊精为受体的分子识 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4 个具有不饱和桥链的双冠醚，采用溶剂萃取的方法考察了它们对一 价阳离子的萃取能力，并讨论了不同桥链对双冠醚萃取能力的影响。 3 合成了桥链具有配位基的联喹啉双冠醚及其c u ( i i ) 配合物，并在此基础上构 筑了两种柔性不同的线型聚集体。 4 合成了五种咪唑并菲哕啉基团修饰的开链冠醚衍生物及其钉( 1 i ) 配合物，采用 荧光光谱手段测定这一系列主体化合物对碱碱土金属的离子识别能力。考察丌链冠 醚上链的差异对离子键合能力和选择性的影响，并比较形成钉( i i ) 配合物前后对配位 识别能力的影响。结果表明尺寸匹配和静电作用是影响配位能力的重要因素，同时还 发现了一种对m 9 2 + 有特异选择性的化合物。 5 合成了三种具有双重识别位点的冠醚修饰环糊精衍生物，采用荧光光谱、电 导、核磁等手段研究其分别在含n a + 、k + 的缓冲溶液中同a r 、a n s 、t n s 、r h b 四 种染料客体的包结配位行为。探讨了多位点识别机理和金属键联的协同自组装模式， 并从主一客体间的尺寸匹配、几何互补和静电作用等方面对实验结果进行了解释和讨 论。 6 合成了五种荧光基团修饰的环糊精衍生物及其钉( i i ) 配合物采用荧光光谱滴 定的方法，考察其对f ：；体分子的键合行为和分子识别机制；通过钉( i i ) 一环糊精三爪配 合物与两个萘基修饰的紫精分子之间的包结配位作用，构筑了种超分子聚集体，对 其进行了表征和生物功能( 降解d n a ) 测试。 关键词：冠醚蚪糊精，分j i 以别，钉( 1 i ) 配合物，协同自组装 a b s t r a c t c r o w ne t h e r sa n dc y c i o d e x t “n sc a nb es u b j e c t e dt od i v e r s em o d i f i c a t i o n st o g i v ea w i d ev a r i e t yo fd e r i v a t i v e s ，w m c hc o u l dn o to n l ye x t e n d 也eo r i g i n a lm o l e c u l a rb i n d i n g a b i l i t y b u ta l s oa l t e rt h em o l e c u l a rs e l e c t i v i t y t h e r e f o r e ，t h e ya r ec u r r e n t l ys i g n m c a n t t o p i c sj ns u p r a m o l e c u l a rc h e m i s “y 1 no r d e rt of m h e ri n v e s t i g a t et h em o l e c u l a rr e c o g n i t i o n m e c h a n i s m ，i nt h i st h e s i sas er i e so ff h n c t i o n a l - g r o u p m o d i f i e dc r o w ne t h e r s ，c y d sa n d t h e i rr u ( 1 1 ) c o m p l e x e s ，w e f en e w l ys y n t l l e s i z e df o rt h ei n v e s t i g a t i o no ft l e i r b i n d i n g b e h a v i o r sw i t hm o l e c u i e i o n b ym e a n so fu 、，- v i s ，c i r c u l a rd i c h r o i s m ，n u o r e s c e n c e s p e c t r o s c o p 弘2 dn m ra n ds oo n o n 亡h eo t h e r h a n d ，s o m ej n ”s “g a t i o n so nm 0 1 e c u i a f a s s e m b l ya r ep e r f o r m e d t h em a j o rc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1t h eg e n e r a la s p e c to f s u p r a m o i e c u l a rc h e m i s t r yw a sd e s c r i b e db r i e n y t h en e wp m g r e s s a n di m p o r t a n ta c b i e v e m e n t so nm o i e c u l a rr e c o g n i t i o na i l d a s s e m b l yo fc r o w ne t h e r s ， c ”l o d e x t r i n sa n dt h e i rd e r i v a t i v e sw e r er e v i e w e d 2 ，f o u rb i s c r o w ne t h e rp o s s e s s i n gu n s a n l r a t e db o n d si nm e i rb r i d g e - c h a i nh a v eb e e n s y n t h e s i z e d t h e i rc a t i o nb i n d i n gb e h a v i o r w i t ha l k a l ia n dh e a v ym e t a li o n sw a s e v a j l l a t e db ys o 】v e n te x t r a c t i o 门a n dt h ee f k c to fd j f 葑 r e n t b r j d g e c h a i nh a sb e e 力 d i s c u s s e d 31 、w ol i n e a rs u p r 啪o l e c u l a ra g g r e g a t i o n sp o s s e s s i n gd i f r e r e n tf l e x i b m t yh a v e b e e n s y n t h e s i z e db yt h em e t a o ( c u 2 + ) b r i d g e db i s ( c r o w ne t h e r ) sw i t h4 ，4 d i p y r i d i n eo rt h e 肛c y c l o d e x t r i n 一4 ，4 一d i p y r i d i n ec o m p l e x ，r e s p e c t i v e i y t h e i ra s s e m b l yb e h a v i o ra n d s c r u c t u r a c h a r a c t e r i s t j ch a v eb e e nc o m p r e h e n s i v e i ys t u d i e di nb o t hs o i u t i o na n ds o “d s “n e 4 f i v eo p e nc h a i nc r o 、v ne t h e rd e r i v a t i v e sp o s s e s s i n gi m i d a z o 【4 ，5 - f 1 ，1 0 一p h e n a n t h r o l i n e g r o u p sa n dt h e i rr u ( 1 i ) c o m p l e x e sh a v eb e e ns y n t h e s i z e d t h e i rp h o t o p h y s i c a ib e h a v i o r a 1 1 dt h c b i n d i n ga b i l i t y w i t hs o m ea l k a l im e t a la n da l k a l i n ee a n hc a t i o n sw e r e i n v e s t i g a t e d b yu v v i s ，f l u o r e s c e n c es p e c t r o m e t t y ，a n d hn m re x p e r i m e n t s ，a sw e l la s f l u o r e s c e n c el i f 色t i m em e a s u r e m e n t s t h er e s u l t si n d i c a t et h a ts i z e f i ta n de l e c t r o s t a t i c i 门l e r a c i o n sa r el h e i m p o r f a n li n n u e n c j n gf a c t o r s m e a n w h j l e ，n j sf o u n dt h a la i i c o m p o u n dh a se x t r a o r d i n a r ys e l e c t i v i t yf j rm 9 2 + 5t h em o l e c u l a rb i n d i n ga b i l i t yo f t l l r e ec r o w ne t h e rm o d 讯e dc y c l o d e x t r i nh o s t sw i t hf o u r r e p r e s e n t a t i v en u o r e s c e n td y e sw e r ed e t e m l i n e db yc o n d u c t a n c e ，f l u o r e s c e n c ea f l d2 d n m rs p e c t r o s c o p yi nn a 十o rk + b u 圩e fs o l u t i o n m u l t i p l er e c o g n i t i o nm e c h a l l i s ma n d m e t a l - m e d i a t ec o o p e r a t i v es e l f _ a s s e m b l ym o d e lw e r ed i s c u s s e d t h ei n f l u e n c eo f h o s t g u e s ts i z e m a t c h i n g ，g e o m e t r i cc o m p e n s a t i o n ，a n de l e c t m s t a t i ci j l t e r a c t i o n su p o n t h es t a b i l i t yo f h o s t g u e s tc o m p l e x e sw a se l u c i d a t e d 6 f i v ec y c l o d e x t r i nd e r i v a t i v e sp o s s e s s i n gi m i d a z o 4 ，5 一f 1 ，l0 一p h e n a n t h r o l i n eg r o u pa n d l h e i rr u ( i i ) c o m p l e x e sh a v eb e e ns y n t h e s i z e d t h em o l e c u l a rr e c o9 1 1 j t i o nm e c h a n i s m a n dt h e i rb i n d i n gb e h a v i o r sw i t hs t e r o i d sh a v e b e e ni n v e s t i g a t e d b yn u o r e s c e n c e s p e c t r u mt i 订a t i o n ；a n das u p r a m o l e c u l a ra g g r e g a t et h r o u 曲t h ei n c l u s i o nc o m p l e x a t i o n o fr l l t h e n i u m ( i i ) 一c y c l o d e x t r i n sc o m p l e x e sw i t has p e c i 矗cd i n a p h t h y lv i o l o g e ns a l th a s b e e n s y n t h e s i z e d a 1 1 dc h a r a c t e r i z e d f u r t h e r m o r e ， t h e a g g r e g a t e s h o w se x c e l l e n t d n a _ d e g e n e r a t i o na c t i v 时u n d e r t h el i 曲ti r r a d i a t i o n k e y w o r d s ：c m w ne t h e r ，c y c l o d e x t r i n ，m o l e c u l a rr e c o g n i t i o n ，r u ( i i ) c o m p l e x c o o p e m t i v es e l f a s s e m b l y 南开大学博士学位论文第一章 第一章前言 1 1 超分子化学概述 超分子化学( s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y ) ，是研究以非共价键弱相互作用力键合起来 的复杂有序且具有特定功能的分子集合体的一门学科。1 9 6 7 年，美国的c j p e d e r s e n 在日本东京第十届国际配位化学会议上首次报道了6 0 余种冠醚化合物及其对金属离子 的特殊选择配位性能 1 】o1 9 6 8 年，j 一m l e h n 报道了由双环或三环构成的三维大环化合 物，即穴醚的合成和配位性能，发现这种具有三维结构的穴醚对金属离子具有更高的配 位能力和配位选择性。随后，d j c r a m 改进了冠醚的合成方法，并于1 9 7 3 年报道了_ 系列具有光学活性的冠醚【3 】，根据这些化合物可以作为主体选择性结合伯胺盐( 客体) 形 成配合物的现象，进而提出了“主客体化学”的概念【4 j 。1 9 7 8 年l e l l l l 教授在深入研究 各种穴醚化合物的络合作用时，发展了“主客体化学”的概念，提出了“超分子”和 “超分子化学”的概念 5 1 。1 9 8 7 年瑞典皇家化学学会将诺贝尔化学奖授予了c j p e d e r s e n 、d ，j c r a i t l 和j m l e h n 三位科学家，这项殊荣不仅确认了他们对冠醚化学、 主一客体化学的开创和发展做出的杰出贡献，同时也在化学界确立了他们所共同涉及到 的研究课题超分子化学的特有地位。 超分子化学得名于“超越分子概念的化学”，与基于原子间共价键的分子化学相比 较，超分子化学则基于分子间的相互作用，即两个或两个以上的构造块依靠分子间键缔 合。运用在特定的结构区域内的非共价键，如静电力、范德华力、氢键、疏水相互作用 等，结合它们的能量和立体化学特性的知识，我们就可以设计出人工受体分子，它们可 以通过形成超分子结构，即具有明确结构和功能的“超分子”，与底物较强而又有选择 性的结合。 作为学科交叉与融合而产生的新研究领域，超分子化学近年得到了迅猛的发展，取 得了令人瞩目的成果。主要研究内容有【6 】：分子识别，分为离子客体的受体和分子客体 的受体；环糊精：生物有机体系和生物无机体系的超分子反应性及传输：固态超分子化 学，分为晶体工程、二维和三维的无机网络；超分子化学中的物理方法；模板、自组装 和白组织；超分子技术( 分子器件及分子技术的应用) 。超分子化学研究内容广袤，是 化学领域的一门前沿交叉学科，在生命科学、材料科学、分子电子学、传感器等领域具 l 南开大学博士学位论文第一章 有重要的理论意义和广阔的应用前景。特别是在生物体系，相当多的生物化学过程离不 开这种作用，超分子化学对于分子间弱相互作用力的广泛的探索，为进一步理解和揭示 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、核酸嵌合物、 基因密码的破译、神经传递过程和细胞识别等现象提供了很多有意义的科学依据。 随着超分子化学的发展，继第一代超分子主体化合物( 冠醚) 之后，又相继出现了 第二代( 环糊精) f 7 埽u 第三代( 杯芳烃) 【8 1 主体化合物。另外，许多其它类型的合成受 体，如环番【9 j 、环多肽、卟啉、酞菁1 习和葫芦脲等大环化合物在超分子化学中的 应用也得到了广泛研究。 本论文的研究工作主要着眼于冠醚、环糊精及其衍生物的合成和分子离子识别研 究，因此将在本章中对冠醚及环糊精在超分子化学中的应用进行简要综述。 1 2 冠醚为受体的分子识别与组装 冠醚( c r o w ne t h e r ) ，是一类中性有机杂环化合物，其中包括以氮、硫、磷、硒等 替换氧杂原子的大环化合物和以氮原子为支点的大二环、大三环多元醚化合物。最简单 的冠醚是二氧六环的环状低聚物。它的基本重复单元是乙氧基( c h 2 c h 2 0 ，) ，例如重 复两次为二氧六环，重复六次为1 8 一冠一6 ，以此类推。冠醚的研究从诞生到现在的三十 多年罩已经被广泛开展和普及，并且由最初的简单冠醚发展到穴醚【1 4 1 、臂式冠醚、双 冠醚1 1 “、杂原子冠醚、以及开链忑醚，等等。目前已经合成的冠醚达一万多种。它 们在离子识别、分子开关、超分子组装、催化、离子输送、对映体拆分等诸多领域均具 有广阔的应用前景。相关领域专家学者已经撰写了多篇综述对冠醚及其衍生物的功能及 其在超分子化学中的应用进行了总结和评论【l 。 1 2 1 冠醚化合物的离子识别 从c j p e d e r s e n 对冠醚的基本性发现到j m l e h n 提出的超分子化学，一个最重 要的概念就是分子识别【5 ，它既是分子器件信息处理的基础，又是组装高级结构的重要 途径之一。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，是组装及组装体功能的基础。 1 2 1 1 对阳离子的识别 2 南开大学博士学位论文第一章 冠醚化合物虽然结构简单，但由于其具有选择性配位金属离子的能力，因而引起了 多学科科学家浓厚的研究兴趣。由此人们不断致力于对各种碱( 土) 金属离子、重金属 离子及稀土金属离子甚至于放射金属离子具有高选择性的功能化合物的设计与合成，这 对于金属离子的选择萃取、分离、输送以及检测等都具有重要的应用价值。 f i g u r e1 一l b a s i cc h a r a c t e rf o rc r o w ne t h e r sw h e nc o o r d i n a t e dw i t hm e t a li o n s 在图1 1 中，我们可以清晰的看到冠醚配位金属离子最基本的特征【1 9 。其中，尺寸 匹配效应起主导性作用。人们还设计并合成了许多在侧臂中具有额外供电子原子的所谓 臂式冠醚，以及在一个分子内拥有两个冠醚单元的双冠醚等新型冠状化合物。臂式冠醚 侧臂的给电子诱导作用，双冠醚的协同配位作用，都使母体冠醚的阳离子键合能力和配 位选择性得到了很大的提高。 由d e s v e r g n e 等报道的冠醚1 在乙腈中与两个n r 离子的有效的协l 司作用使得其对 n a + 离子表现出高的配位选择性和配位能力( 配位稳定常数为缸= 1 0 4m 。2 ) ，而与k + 离子形成1 ：1 的络合物只给出髓= i om 。的配位稳定常数f 2 0 j 。 f i g u r e1 2 n a + 一s e n s i t h ec r o w ne t h e rl 冠醚2 由于它们特殊的光化学性质以及取代基的强的荧光性能，对c a 2 + 离子呈现出 高的络合能力和选择性刚。 勺。 ne 南开大学博士学位论文第一章 p e r e z l n e s t r o s a 等发现开链冠醚3 是有效的双通道荧光传感器，可以用作l i + 、m 9 2 + 和c a 2 + 的有效离子探针。并且还发现加入过量的l i 十和m 孑+ 时，在3 3 0 n m 激发时的发射 峰不 a c h 3 “c h 3 2 3 同程度的发生蓝移。这种不同程度蓝移归结为对l i + 和m 9 2 + 的键合能力的不同。另外， 当与m 9 2 + 和c a 2 + 络合时电核转移态的发射峰的出现进一步证实了在它们配位时氮氧功 能基的重要性。而与l i + 配位时，氮一氧功能基并不参与配位，结果导致与金属离子配位 时观察到有选择的响应。另外还有许多开链冠醚对c a 2 + 具有高配位选择性的例子【2 3 ，2 ”。 4n = 1 5 几= 3 6n = 5 f i g u r e1 - 3 t h e2 ：1 ：1c o m p l e xf o r m e db y5 ，k + a n d r c d 以臂作为支撑点或荧光探针、两个臂式冠醚分子上一端的冠醚单元与个金属离子 形成2 ：l 的包结配合物作为识别点，成为臂式冠醚识别客体分子的新思路。例如t e r 砌a e 等阢2 6 1 设计合成了三个不同链长的臂式冠醚4 6 ，发现在水相体系中，以v 一环糊精作为 受体，长链侧臂的5 、6 可以与k + 形成稳定的2 ：1 ：l 配合物( f i g u r c1 3 ) 而表现在体系荧光 强度的大幅度上升，其中化合物5 的k + 肘a + 选择性大于2 6 0 0 ，化合物6 的k + 斛a + 选择 性也达9 2 0 ，而短臂的4 对k + 基本没有选择性。 q i a n 等【2 _ 7 】设计合成了一种水溶性的、具有两个萘二甲酰亚氨基的开链大环受体7 4 南开大学博士学位论文第一章 其可用于识别重金属离子，尤其是对h g ”展示了非常高的灵敏性和选择性。在中性缓冲 水溶液中，7 自身的荧光很弱( 巾o = o 0 0 7 ，九。= 5 4 8 n r n ，以n 一丁基一4 丁基氨1 ，8 萘 二甲酰亚胺作参比物质) ，当加入五倍量的h f + 后，发生明显的荧光增强同时最大发射 峰红移8 1 1 1 1 1 ( 中中o = 1 7 4 ，九。= 5 5 6 m ) ，这种优良的性能使其应用于生物体系或环境 监测成为可能。r u 一三毗啶一冠醚8 2 8 】在乙腈中与金属离子配位后使得联吡啶基团构型发 生转变，荧光增强，从而对p b 2 + 展示了高的离子选择性。 h o o 一 7 ( b p y ) 2 r 8 2 + 设计合成对镧系离子有强的键合能力和高选择性的合成受体必须考虑到镧系离子 的几个特点是：1 镧系收缩；2 镧系金属离子较硬；3 高的配位数并随原子序数的增 大而降低。因此一种高选择性的受体必须满足条件：有足够数量的适合的给电子原子； 具有足够的刚性结构；有与金属离子匹配的孔穴。拥有1 8 - 冠6 骨架的冠醚9 在加入半 径较大的稀土离子( l a 3 + 、c e ”、p 一、n d3 + ) 时，其荧光淬灭，而加入半径较小的稀 土离子( g e 3 + 、t b 3 + 、d y 3 + 、y b 3 十) 时，其荧光不发生变化。这种离子选择性的差异是由于 与不同稀土离子络台时能量转移效率的差异所造成f 2 ”。 9 刘育【1 9 “3 0 j 等使用量热滴定的方法研究了一系列冠醚与轻稀土离子的配位作用热力 学性质，并从臂式冠醚的支点原子的类型、取代基的电子效应、冠醚的尺寸和供电子原 子的取向等方面研究了它们对冠醚键合稀土离子的影响。结果表明，以氮为支点的臂式 冠醚较之以碳为支点的臂式冠醚具有一定的分子柔性，在配位过程中可以调节诱导的三 维空腔，从而对稀土离子显示了特殊的配位能力和离子选择性。 s 南开大学博士学位论文第一章 冠醚化合物除了对金属离子有显著的选择性，对铵盐( 具有一n h 3 + 或潜在的一 n h 3 + ，如氨基酸等) 也可以进行识别 3 卜4 0 。冠醚与铵离子配位是通过氢键( n h n ) 作 用力f 7 5 ) 和一部分静电作用力( n 斗。- o ) ( 2 5 ) 4 1 】形成配合物。含吖啶分子1 8 一冠一6 ( 1 0 a ) 对有机铵盐具有高亲合性，并且引起发光性能的显著变化。另外具有手性的1 0 b 对手性 有机铵盐表现出高的对映体选择性。以这种敏感技术为手段的发光光谱可用于检测键合 过程，从而使设计对手性化合物能进行有效的对映体选择的化学传感器【4 2 】成为可能。 照。只妙 l 、。l 9。，j l 。o 、l ，“ 1 0 辫鳃。嚣p 。 三俞乙气一p o ：) 9 乙。j j 具有氧化还原活性的冠醚1 l 对n h 4 + 的键合能力大于对k + 的键合能力【4 ”。在水介 质中，通过对其氧化还原电位和电流的测定表明随着n h 4 + 的浓度的增加奎宁的氧化还 原峰呈线性减小，表明形成了b n a q n h 4 + 和b n b q n h 4 + 络合物，并且络合物的稳定常 数分别为4 3 1 0 3 和4 o 1 0 3m 一。对n h 4 + 检测极限可达到o 9 o 0 3 斗m 。 有趣的是，分子内含有酚酞基团的双冠醚1 2 可作为值，( _ ) 一二胺分子长度的可视显现 剂( v i s u a l i z a t i o n0 n 也e ”1 e n g t l lr o f d i 锄i n e s ) 【4 4 1 ，表现在不同碳链数的二胺与之作用显现不 同的颜色。最适宜长度的二胺a ，u 一辛二胺，其两端的_ n h 2 正好同时作用于冠醚环中， 从而展现最强的键合能力和最高的选择性。二胺与双冠醚1 2 形成1 ：2 或2 ：3 型配合物， f i 2 u r e1 4 ( 右侧) 示意了双冠醚1 2 与二胺形成2 ：3 型配合物的结构。 南开大学博士学位论文第一章 1 2 哎。+少。+ 2 ：3 配合物 f u g u r e1 - 4t h es t r u c t u r eo f t h e2 ：3c o m p l e xf o r m e db yb i s - c r o w ne t h e r1 2w i t hg u e s t 在此基础上，f u j i ，k 等人f 4 5 】又考察了这类分子内具有酚酞基团和两个冠醚单元的 大环受体对于未保护的二肽的识别作用。结果显示( f i g u r e l - 5 ) ，双冠醚1 2 在甲醇水( 1 0 ：1 ) 溶液中，在c 末端连有赖氨酸基团的二肽存在下，溶液可里现亮紫色。此体系可能用于 对n 终端具有( g l y ，越a ，s e r ，m ，衄舀o r l y s ) 一l ，y s 序列的蛋白质进行可视识别。 f i g u r el p s t h ev i s u a lr e c o g n i t i o no f1 2w “hn o n p r o t e c t e dd i p e p t i d e si na p r o t i cs o l v e n ts y s t e mw i t hl y s a tt h ec t e r m i n u s 1 2 1 2 对阴离子的识别 啻n i i h y 甚f i 删r 轴毫l o n 射d e k g h - f | u o r e m 沁8 峥n 船瞄o n 颓i 自 w 嗍俄柏f n 耄 m 惫g 尊口毋 、o 、 八州6 漩。 南开大学 尊士学位论文第一章 f i g u r el - 6 m o d e ls t r u c t u r e sd e p i c t i n gt h ea s s o c i a t i o nb e t w e e nh s 0 4 一a n dc o m p l e x ( 1 e f t ) o o 1 3 2 c r n = 1 n = 2 1 4 阴离子在生物体系中起着不可缺少的作用，例如：磷酸根离子、硫酸根离子键合蛋 白质在传输系统中是重要的双分子物种。因此在生物体系中对阴离子的识别是非常重要 的。虽然冠醚环上的氧、氮、硫等原予很难与富电子的阴离子相互作用，因而他们不能 直接识别阴离子，但是质子化后的一些氮杂冠醚、穴醚或先