（物理化学专业论文）一些杂原子修饰环糊精和双环糊精的分子识别.pdf

一一亚色一一一一一一一一一一一一 ab s t r a c t 、 c y c l o d e x t r i n s p o s s e s s i n g a n i n t e r n a l h y d r o p h o b i c c a v i t y a n d e x t e r n a l h y d r o p h i l i c h y d r o x y g r o u p s h a v e b e e n r e g a r d e d as o n e o f m o s t i m p o r ta n t s u p r a m o l e c u l a r s y s t e m s a n d t h e y h a v e b e e n a p p l i e d i n s o m e r e s e a r c h f i e l d s , s u c h as s im u l a t i n g e n z y m e - s u b s t r a t e i n t e r a c t i o n , d r u g d e l iv e ry , c a t a l y s i s , m o l e c u l a r r e c o g n i t i o n a n d m o l e c u l a r a s s e m b l y . i n o r d e r t o e x t e n d t h e o r i g i n a l m o l e c u l a r b i n d i n g a b i l it y a n d a lt e r t h e m o l e c u l a r s e l e c t i v i t y , d i ff e r e n t s u b s t i t u e n t s w e r e i n t r o d u c e d i n t o c y c l o d e x t r i n s . i n t h e p r e s e n t t h e s i s , a s e r i e s o f m o d i f i e d c y c l o d e x t r i n s , i n c l u d i n g b r i d g e d b i s ( 2 , 2 一 p - c y c l o d e x t r i n ) s , w e r e n e w l y s y n t h e s i z e d a n d s o m e m o d e r n m e as u r i n g t e c h n i q u e s w e r e p e r f o r m e d t o e x a m in e t h e i r m o l e c u l a r r e c o g n i t i o n . t h e m o l e c u l a r r e c o g n i t i o n w as e l u c i d a t e d fr o m t h e r e s u l t s o b t a i n e d . t h e m a j o r c o n t e n t s a r e as f o l l o w s . ( a ) . t h e g e n e r a l a s p e c t o f s u p r a m o l e c u l a r c h e m i s t ry w a s d e s c r i b e d b r i e fl y . t h e n e w p r o g r e s s a n d i m p o r ta n t a c h i e v e m e n t s o n m o l e c u l a r r e c o g n i t i o n a n d s e l f - a s s e m b l y o f c y c l o d e x t r i n s a n d t h e i r d e r i v a t i v e s w e r e r e v i e w e d . ( b ) . s e v e n n o v e l c y c l o d e x t r i n d e r i v a t i v e s , i n c l u d i n g i n d o l y l m o d i f i e d c y c l o d e x t r i n s , o r g a n o s e l e n o b r i d g e d b i s ( 2 ,2 ， 一 p - c y c l o d e x t r i n ) s a n d s c h i ff b as e c y c l o d e x t r i n d e r i v a t i v e s w e r e s y n t h e s i z e d a n d t h e i r s t r u c t u r e s w e r e c h a r a c t e r i z e d b y c o m b u s t i o n a n a l y s e s , i r , u v , n mr a n d m a s s s p e c t r a . ( c ) . t h e b i n d in g c o n s t a n t s o f h o s t c o m p o u n d s w i t h s o m e m o d e l s u b s t r a t e s s u c h a s o r g a n i c d y e s w e r e d e t e r m i n e d b y s p e c t r o p h o t o m e t r i c , s p e c t r o p o l a r i m e t r i c a n d s p e c t r o fl u o r o m e t r i c t i t r a t i o n s . t h e i n fl u e n c e o f h o s t - g u e s t s i z e - m a t c h i n g , g e o m e t r i c c o m p e n s a t i o n a n d s u b s t i t u e n t s t ru c t u r e u p o n t h e s t a b i l i t y o f h o s t - g u e s t c o m p l e x e s w a s e l u c i d a t e d . t h e r e s u l t s o b t a i n e d i n d i c a t e t h a t s e v e r a l n o n c o v a l e n t w e a k f o r c e s , s u c h a s v a n d e r w a a l s , h y d r o p h o b i c a n d e l e c t r o s t a t i c i n t e r a c t i o n s , c o o p e r a t i v e l y c o n t r i b u t e t o t h e c o m p l e x f o r m a t i o n . t h e s p e c t r o m e t r i c s t u d i e s r e v e a l t h a t t h e i n i t i a l c o n f o r m a t i o n o f t h e h o s t s c h a n g e s u p o n g u e s t b i n d i n g . t h e n , it w a s c o n c lu d e d t h a t t h e m o l e c u l a r r e c o g n i t i o n o f c h e m i c a l l y m o d i f i e d c y c l o d e x t r i n s i s i n d u c e d - f i tt e d m e c h a n i s m . ( d ) . t h e m o l e c u l a r b i n d i n g a b i l i t y o f b r i d g e d b i s ( 2 ,2 - (3 - c y c l o d e x t r i n ) s t o w a r d s s o m e 摘要 o r g a n i c d y e s d i me r s ma y wa s s t u d i e d a n d i t f o u n d t h a t t h e t w o a d j a c e n t c a v it i e s o f c y c l o d e x t r i n s i m u l t a n e o u s l y e n c a p s u l a t e o n e g u e s t m o l e c u l e a n d t h e n a f f o r d m u c h h i g h e r c o m p l e x s t a b i l i t y t h a n p a r e n t c y c l o d e x t r i nr e s u l t s o b t a i n e d a l s o i n d i c a t e t h a t t h e s i z e o f t h e f a c e - t o - f a c e c a v i t y , t h e a d j u s t m e n t a n d o r i e n t a t i o n o f t e t h e r g r o u p a s w e l l a s f o r m a t i o n o f p s e u d o c a v i t y b y l i n k e r p l a y a c r u c i a l r o l e in m o l e c u l a r r e c o g n i t i o n b i s ( 2 ,2 - (3 - c y c l o d e x t r i n ) s w i t h m o d e l s u b s t r a t e s . 南开大学硕士学位论文 第一章前 言 夸 1 . 1 超分子化学概述 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 o n , d . j . c r a m和j . - m . l e h n ， 标志着化学的发展进入了 一个新的时代， 发韧于p e d e r s o n 对冠醚的基本性 发现，分别由c r a m和l e h n 发展起来的主一 客体化学和超分子化学的重要意义也因此 才 被 人 们 真正 认识 到 1a ) 超分子化学是一门新兴的交叉学科. 它的产生和发展正是在共价键分子化学的研 究进行了一百五十多年后才发生的。1 9 6 7 年c . j . p e d e r s o n 发现了冠醚的基本配位性 能 1 b 1 ， 随后， j . - m . l e h n 报道了 穴醚的 合成和配 位性能 2 1 ， 这种由 双环或三环构成的 三维大环化合物对金属离子具有比平面冠醚更高的配位能力和配位选择性。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 一系 列具 有光学活性的冠醚3 1 。 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， 进一步提出 了“ 主 一 客 体 化学” 的 概 念 14 1 . j .- m . l e h n 在此 基 础上 创 立了“ 超分 子 化学” 15 1 ， 并 在 超分子的设计和合成方面做出了大量杰出的工作。 由 此， 可以说超分子化学是共价键分子化学的一次升华和一次质的超越。 它突破 了人们固有的传统的研究思维方式， 冲开了围绕原子和分子相互转化为核心的经典化 学的束缚， 赋予了化学界观念上的革命。 超分子化学用非共价键弱相互作用力解释了 存在于生命体系过程中的一些复杂有序且具有特定功能的分子集合体的形成。例如， 小分子和生物大分子之间高度特异的识别在生命过程中的调控， 生物体内反应、 输送 和生物体中受体与底物的相互作用等。 从化学角度看， 这些基本现象都是分子间非共 价键弱相互作用力，它主要表现为: 静电 ( 离子一 偶极，偶极一 偶极，偶极一 诱导偶极) 、 v a n d e r w a a l s 力、 疏水、 氢键、 n 一 二 堆积和电荷转移等。 超分子化学的 研究核心是分子识别和分子组装。 分子识别是主体对客体选择性结 合并产生某种特定功能的过程。 超分子体系类似生物体系中酶和底物的关系， 是由 主 体 ( 或称受体) 与客体 ( 或称底物) 所组成。 在超分子体系中，主体是天然或人工合 成的大分子;客体是可与主体通过非共价键作用结合的较小组分，如分子，离子等。 底物结合到受体上， 产生超分子物种， 其间包含了 分子识别的过程。 基于这种简单的 分子识别、 转化和易位， 更复杂的功能可由一个多序共受体的几个结构单元相互作用 南开大学硕士学位论文 1 7 % 1 1 7 1 ，但操作上的简便和安全使它比 毗健法更容易被接受。 胺基修饰环糊精是另一类合成化学修饰环糊精的常用中间物， 它们通过与亲电试 剂反应， 可以制备多种多样的环糊精衍生物。 胺基修饰环糊精的起始原料一般也为环 糊精对甲苯磺酸酷， 通过与迭氮钠反应生成环糊精6 一 位迭氮化合物， 再在三苯基il存 在下与氨水反应， 可以 得到目 的产物 1 8 ,1 9 1 ( 见图1 - 3 ) 0 0 i 1 o- s l j o 产ch3 n a n 3 / 一- 翻， h 2 0 , 8 0 0 c - .- .-洲 . 卜 n h n oh / d mf , r . t . . - c d , p - c d 图 1 - 3 环糊精醛也是一类新型的中间体化合物，它为环糊精的进一步修饰提供了可能。 制备环糊精醛的一种方法是将6 - o t s - p - c d在非质子胺的存在下用 d ms o进行氧化 2 0 -2 2 1 。 所用的 非 质子 胺 可以 是2 一 甲 基 一 4 一 乙 基毗rq ( c o ll id in e ) 或 三乙 胺等。 环糊 精醛 也 可 采 用一 种 更 直 接的 方 法 进行 制备， 即: 将环 糊精与d m p ( d e s s - m a r ti n p e r i o d i n a n e ) 反 应， 收 率 可以 高 达8 5 - 1 0 0 % 12 3 -2 1 1 . h u 等 人 2 6 1对 这 种 环 糊 精醛 类衍生 物的 制 备方 法 进行了改进， 采用i b x在d m s o中对p 一 环糊精进行直接氧化， 但反应进程需要采用 n mr手段进行监控。环糊精醛可以与亚硫酸氢钠、羚氨、麟或苯胺反应制备相应的 衍生 物， 也可以 进一步 氧化为 梭酸 衍生 物2 2 1 2 位修饰的单环糊精同样也受到人们的关注。虽然2 位轻基的反应活性远不及6 位的轻基反应活性， 但其酸性却远大于6 位的酸性。 因此， 适当 控制反应条件可以得 到有一定选择性的环糊精修饰产物。 p it h a 等 人 12 7 将 卜 环 糊 精 与r 一 或s - 型 环 氧 丙 烷 在。 .3 7 m o l .d m 一 的 氢 氧 化 钠 水 溶 液 中反应直接制备了2 一 氧一 ( 2 - 轻基丙基卜 p 一 环糊精， 收率为5 % 。 这种环糊精衍生物被成 功 地用 作亲 脂 类药 物增 溶 剂。 郝 爱 友和 童林 荟 等人 2 8 1对 此 方 法 进行了 改 进， 收 率 提高 到2 8 % 。 采用类似的方法， p 一 环糊精与苯甲酞氯或蔡甲 酞氯在氢氧化钠水溶液中反应 可以 得到2 一 位及3 一 位酷类的混合物， 通过硅胶柱色谱分离可以 得到相应纯品12 9 ,3 0 1 d s o u z a 等 3 1设 计了 一 种 获得 单2 一 位 修 饰 环 糊 精的 方 法: 以d m f 溶剂， 氢 化 钠 为解离2 一 位经基的碱， 环糊精与3 - 硝基一 4 一 甲胺基一 氯化节反应可以得到相应2 一 位衍生 南开大学硕士学位论文 物， 进 一 步 处 理 后， 便 可 得 到2 一 位 键 联 的 黄 素 化 p 一 环 糊 精 13 2 1 ( 见 图1 - 4 ) 。 这 种 方 法 的优点是可以解决有机试剂在水中难溶解、不易均匀分散的问题。 o hj 2孔 c - - 广n h c h 3 1 6c h 20 h1 6c h 20 h 图1 - 4 单取代的2 位环糊精对甲苯磺酸酩是进一步进行亲核取代反应， 制备相应环糊精 衍生物的 重要中间 体。 t o d a 等人3 3 ,3 4 1将a 一 环糊精与对甲 基苯磺酞氯在氢氧化钠水溶 液中反应，制备了2 - o t s - a - c d 。这是利用环糊精具有更强的酸性的2 一 位经基，可以 在强碱性水溶液中脱质子化， 进攻己包入到环糊精空洞中的对甲基苯磺酞氯， 而生成 目 标产物。 然而， r 一 环糊精与对甲苯磺酞氯反应却没有通过相同的方法得到相应的 2 一 位 对甲 苯 磺 酸醋。 第一 个2 - o t s - p - c d的 可 靠样品 是由b r e s l o w等人 13 5 将间 硝 基苯 对甲 苯磺酸酷与r 一 环糊精在p h 1 0 的d m f 水溶液中， 通过基团 转移反应制得的， 但 收率只有 1 0 % ( 见图 1 - 5 ) e 厂拜 : os02 i ch3i 匕(g iu)s曰no2 p h =9 月 一，卜 ， ，卜， 卜 dmf. e 图 卜 5 d s o u z a等人将p 一 环糊精与对甲苯磺酞氯在氢化钠存在反应下也制备了 2 - o t s - p - c d ， 收 率 为3 2 % ， 同 时 得 到收 率为1 4 % 的3 - o t s - p - c d 3 p ; 而m u r a k a m i 等 报道3 6 1 ， 在d m f 中， 环糊 精与磺酞氯试剂 还可 在二正丁 基锡氧化物催化下反 应制 得 2 一 位磺酞化环糊精修饰产物。 尽管有人认为氢氧化钠水溶液的 碱性不足以 使p 一 环糊精的2 位轻基脱质子化， 申 宝 剑等人在重复t o d a 的 实 验时， 改 变产品 分离的 手段， 得到了2 - o t s - r - c d ， 收 率高 达4 3 % 3 +1 。 事实 上， p 一 环 糊 精与 对 一 甲 基 苯 磺酞 氯在 碱 性 水溶 液中 得 到的 应该 是6 一 位 和2 一 位取代物的混合物， 因 此采用不同的分离手段( 利用两者间的溶解度差别) 可以 得 南开大学硕士学位论文 到不同的目的产物。 桥联环糊精是七十年代后期出现的一类新型环糊精主体化合物。 由于其能显著提 高主体对客体的包结能力以 及识别和催化过程的特异性和高效性， 己逐渐成为环糊精 领域的研究重心。 早在1 9 7 2 年， c h a o 等就报道了第二面连接的对苯二甲 酸酷桥联环 糊精的合成3 8 。从此以 后，国际上关于桥联环糊精的 研究日 益活跃。1 9 7 6 年m a t s u i 等 用p 一 环糊精的c - 6 位乙 二胺衍生物同c u s 0 4 溶液作用， 得到了以 配位形式连 接的 桥 联 坏 糊精 一c u e 十 配 合 物 3 9 0 1 9 8 0 年h a r a d a 等报 道了以 丁 二 酸和 戊二 酸 在第二 面以 酷 键 连 接的 桥 联 环糊 精的 合 成4 0 1 e 8 0 年 代 末， b r e s l o w 等 合 成了 唾 吨 酮二 竣酸 酷6 位 桥 联 双环 糊 精4 l a k u r o d a 等则 从6 a ,6 0 - - .碘 一 p 一 环糊 精出 发， 通 过不同 途径 合成了 夹 心 叶 琳桥 联环 糊精 4 2 ,4 3 . 9 0年 代以 来， 关 于 桥 联 环 糊 精的 研 究 进 入了 鼎盛时 期。 首 先， l i n c o ln 等利用6 - 氨基一 p 一 环糊精与碳酸二苯醋在毗淀中反应， 制得在主面以 脉基 相连的桥联环糊精。 利用相同的方法， 他们又合成了以二酞胺链连接的具有不同连接 长度和不同种类环糊精单元的“ 首对首” 和 “ 首对尾”的桥式环糊精4 4 ,4 5 。随后， u e n 。 等又连续报道了 一 系列不对 称桥联环糊精及杂 二聚环 糊精的 合成4 6 -4 8 。同 一时 期， p e t t e : 等合成了一系列结构相似、桥链依次增长的二硫杂桥联环糊精。1 9 9 8 年， 沈家驰等合成了 二硒桥联环糊精， 并研究了 其对谷肤甘肤酶的 模拟作用【4 9 ( 见图1 - 6 ) e s e - s e( 一 s e - s e -, 图 1 - 6 1 , 2 . 2环糊精的分子识别 早在二十世纪三十年代， p r i n g s h e im等就发现了 环糊精对有机化合物的包结配位 能 力 15 0 1 ; 而c r a m e : 研究 组 从五 十 年代 开 始重点 对环 糊精的 包 结 配 位 进 行研究 5 1 。 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。 环糊精的空腔由 于边缘轻基间的氢键网络作用而具有一定的刚性， 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重要作用。 一般来说， 以 一 环糊精的空 腔尺度适于包结单环芳烃( 苯、苯酚等) ， p 一 环糊精的空腔尺度与蔡环的尺度相匹配， y 一 环糊 精与 葱、 菲 等 三 环芳 烃 结 合 最 稳定 p a . a 一 环糊 精可以 与 偶 氮 苯形 成 稳定的 包 结 南开大学硕士学位论文 配 合 物， 其 中 与 甲 基 橙 的 稳 定 常 数 高 达4 x 1 护m - i s z e p 一 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 x i 少m - 1 5 3 1 ， 与 蔡环 和 p 一 环 糊 精的 配位 作 用 相 近 5 4 1 。 然而， p 一 环 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， 它与金刚烷5 5 1 、 二茂 铁【5 6 以 及环状二烯的 过渡 金属 配合物5 7 1均能形成高 稳定 性 的 包结 物， 而k a if e r 等 人更 将p 一 环 糊精 用作 对 树枝 状 二 茂 铁 衍生 物的 识别 5 8 1 井上佳久和刘育等采用滴定量热法测定了环糊精与蔡磺酸衍生物在磷酸缓冲溶 液中的包结配位能力，发现p 一 环糊精更易于与2 - 蔡磺酸钠形成稳定的超分子配合物， 它对2 - 蔡磺酸钠/ i - 蔡磺酸钠的分子选择性高达1 0 0 ， 他们推断蔡环以轴向进入环糊精 空 腔 形 成 包 结 配合 物 (59 1 . n i s h ij o 和u s h i r o d a 6 1采 用 核 磁 共 振 手 段 证 实2 4磺 酸 上 的 6 一 和7 一 位氢从第二面插入到环糊精的空腔， 而磺酸基团则暴露于空腔之外， 但是他们 所 报道的主 一 客体间的 配位稳定常 数却 远小于以 前的文 献 值。 f u j i t a 等 将p 一 环 糊精中 的 一个毗喃葡萄糖的 构型翻转， 得到了 阿卓糖 p 一 环糊精， 其空腔的形状和尺寸随着客 体分子的构型而改变。 例如客体分子为金刚烷醇时， 空腔形状为圆形; 而当客体分子 为2 - 蔡磺酸钠时， 空腔为适应客体分子的构型转变为椭圆形。 这时， 蔡环被认为以横 向 进入阿卓糖一 p 一 环糊精的空腔， 尽管这种进入方式使主一 客体间产生更大的接触面积。 然 而两者之间 所形成 配合 物的稳定性却出 乎意料地差， 稳定常数仅为1 6 7 m 1 6 1 1 0 环糊精包结配合物的稳定性与客体分子的疏水性和尺寸匹配性相关。 很多研究显 示， 当客体分子脂肪链上的亚甲基数目 增加时， 其与环糊精主体形成配合物的稳定性 也随之相应增加6 2 。 尽管环糊精的空腔显示出 一些l e w i s 碱的 特征， 但它与中 性客体 分子可以生成更稳定的超分子配合物， 而与带电 荷( 正电 荷或负电 荷) 的客体分子则给 出 键 合 作 用 相 对 较 弱 的 超 分 子 配 合 物 6 3 1 。 这 可 能 归 因 于 分 子中 的 电 荷降 低了 客 体 的 疏 水性，进而影响到主一 客体间的弱相互作用力。 溶剂的极性和酸碱度影响环糊精对客体分子的选择性键合能力， 有时甚至会改变 主 一 客 体 间 的 包 结 配 位 模 式。 d a n i l d e n a m o r 等 6 4 1 研 究了 a 一 和 y 一 环 糊 精与4 一 经 基 一 偶 氮 苯一 4 一 甲 酸分别在水溶液和二甲 基甲 酞胺( d m f ) 中的配位作用， 结果表明， 客体分子在 水溶液中以轴向进入环糊精空腔，形成包结配合物;而在d mf中，客体分子采取赤 道向 配位， 座 落于环糊精空腔的 上方。 最近， 陈 慧兰等人6 5 1 报道了3 - 轻基一 2 - 蔡甲 酸 与 p 一 环糊精的 包结配 位作用。 在不同p h 值的 缓冲溶液中 给出了 不同的配位稳定常数。 而全甲 基化p 一 环糊精与3 - 轻基一 2 - 禁甲 酸的包结配位稳定常数在p h值4 到1 2 的范围 南开大学硕士学位论文 内 基本上没有变化。这可能是由于 3 - 轻基一 2 - 蔡甲酸蔡环上取代基可以与环糊精边缘 的 t 基形成氢键， 而与全甲 基化p 一 环糊精之间 则无法形成氢键， 因此两种主体之间 存 在这种配位中的差别。他们还指出，缓冲试剂在很大程度上影响配合物的形成。 环 糊精上的 众多 轻基因 其 可以 被方便地 衍生化 6 6 1 ， 从 而 提供了 有更好分子选择 性 的 主 体 化 合 物。 j u l l ie n 等 6 7 -6 9 1系 统 地 研究了 多 芳香 基 取 代的 环 糊精 衍生 物对 染 料分 子 的 识别 作用， 并 深入考察了 包结方式 对识别 机制的 影响。 g h o s h 等 7 0 工 作者利 用二维 核 磁 技术 研究了 环 糊 精 衍生 物与 客 体分 子形 成的 配 合 物的 结 构 7 p 。 同 样k e a n 等人 利 用二维核磁技术得到了 环糊精衍生物与客体分子形成的配合物的定性的结构信息。 刘 育等 7 2 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。 桥连环糊精是具有潜在应用前景的另一类合成受体。它有两个疏水的环糊精空 腔，可以共同包结一个客体分子实现 “ 双重识别” ，另外桥链上的基团也可以参与协 同键合，实现 “ 多重识别” 。 这两种识别机制的存在极大地提高了主一客体间的结合 强度，并进一步增强了 桥连环糊精对客体分子的分子识别能力和分子选择性。1 9 7 9 年t a b u s h i 等利用主面双苯磺酸醋化的p 一 环糊精与乙 二胺反应，合成主面连接的 双桥 联环糊精并研究了其与t ns 的包结行为 ( 见图1 - 7 ) ，由包结物的荧光蓝移现象得出 孰n 一一s u 3 tns 图 1 - 7 了t n s 的 两 个 疏 水 基团 被 主 体 的 两 个 环 糊 精 空 腔 包 结 的 结 论 7 3 j o 8 0 年 代中 期， f u ij it a 等利用疏基氧化偶联成二硫键的反应合成具有不同空腔的桥联环糊精， 并研究了 它们 与甲 基 橙、 乙 基橙等 底物的 包结作 用。 结 果表明 具有p 一 环糊精单元的 桥联主体 对甲 基 橙、 乙 基 橙的 包结 稳 定 常 数 远 远 大于 含 a 一 和 y 一 环糊 精的 桥 联 主 体 7 4 ,7 5 1 . l a w r e n c e 等 从 2 - o t s - p - c d出发， 制得2 , 3 一 环氧- (j - c d 。 通过它与毗uq和苯二琉基化合物的反应， 合 成了第二面连接的桥连环糊精， 并通过核磁手段研究了 其与甲基橙的包结行为， 发现 南开大学硕士学位论文 对甲基橙质子进行双照射时， 可以观察到环糊精空腔内的3 位和5 位氢的明显的n o e 效应， 从而表明主一 客体间确实发生了 协同包结7 6 ,7 7 1 ( 见图1 - 8 ) 0 h 3 c , - /% 浏代力n = = n 叹片s 0 3 n a h3 c x = n , cme t 勿i o r a n g e 图 1 - 8 妇. 2 . 3环糊精为 受体的 分子组装 自 然界存在着许多超分子组装体系， 如生物膜。 这种生物组装通常能提供高度有 序的微环境并具有特殊的功能。 它所具有的自 组装性、 应答性、 协同性和再生性正是 人工系统所追求的。 因而， 通过分子组装形成超分子功能体系是超分子化学的目 标之 一。 环糊精是进行分子组装研究最易得的起始原料之一。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 g b l o c k )自 组装研究中 有广泛的应用。 化学修饰环糊精在溶液中取代基的自 包结作用就是一种分子内自 组织形式7 8 1 ， 其 功能 在于 对客 体 分 子的 响 应。 最 近， f u j im o t 。 等 人 17 9 合 成了 两 种 拥有亲 脂 性取 代基的 全甲基化。 一 环糊精衍生物。 核磁共振研究表明， 在高浓度时， 两个分子之间可以形成 面 对 面的 二 聚 体 配 合 物。 m ir z o i a n 和k a if e r 8 0 研究了 联 毗 睫 修 饰 p 一 环 糊 精的 分 子自 组 装行为。 水 溶液中， 带 有正电 荷的 联毗吮 修饰p 一 环糊精以 单体形式存在。 而当 氧化态 的取代基接受两个电子后， 还原态的取代基对于p 一 环糊精是良 好的客体， 从而生成面 对面的分子间二聚体配合物( 见图 1 - 9 ) 。 脂肪长链修饰的 环糊精可以作为两亲分子形 成l b膜， 环糊精空腔在膜中呈规则排列， 这在膜萃取、 选择性传感器等方面具有广 阔的应用前景。 客体分子如偶氮染料可以 被包结进入环糊精形成的单层膜中8 1 1 。 由于 每个主体所占 面积没 有增加， 因 此客体分子 进入了 环糊精空 腔。 m c g o w n等8 2 1 利用 p 一 和 y 一 环糊精与全反式 1 , 6 一 二 苯基 一 1 , 3 , 5 一 已 三烯自 组装 成纳米管道， 而空 腔较小的 a 一 环糊精则不能形成纳米管道， 这表明不同环糊精空腔和已三烯棒状结构的匹配程度 对纳米管道的形成起着关键作用。 该管道在分子导线或光开关方面具有潜在的应用价 值。 在6 位连有一 s h 或一 r s h 基的修饰环糊精可以 通过硫与金银表面的特殊吸附能力吸 南开大学硕士学位论文 附 在 金 属 表面 上， 形 成环 糊 精空 腔具 有固 定 取向 的 单分 子 膜8 3 1 -n , i /n - r +2e介y ii 叫 n 水 j 电，j 了 w o - e le ct r o n r e d u c t i o n g e n e r a t e s a n e x c e l le n t g u e s t f o r p - c d 图1 - ，带有正电荷的联毗吮修饰p - 环糊精变构后的自 包结现象 聚合物如果有很多结合位， 它就可以与相应数目的主体分子发生包结配位。 这些 结合位可以是沿聚合物主链排列， 也可以是在侧链中。 主体化合物对聚合物主链的轴 向包结会导致一种特殊的构型，环糊精像念珠一样穿在聚合物的主链上。h a r a d a等 人的 研究发现， 在水溶液中 a 一 环糊精可以与p e g高分子链包结配位形成准轮烷 8 4 1 而r i p m e e s t e : 等 8 5 研 究了p e g - p 一 环 糊 精 配 合 物的 单 晶 结 构 。 采 用2 斗二 硝 基 氟 苯 、 氨 基酸等 作为封端剂， 可以 制备一条高 分子链上 有多 个环糊精单元的多 轮 烷 8 6 1 。 每个 a-环糊精单元可以包结大约两个聚乙 烯醇结构单元， 而多轮烷的收率与高分子链的长 度 ( 或 平 均 分 子 量 ) 相 关 87 1 。 h a r a d a 等 还 研 究了 p 一 和 y 一 环 糊 精 与p p g , p i b , p d m s 等 有 机 和无 机高 分 子 链的 包 结 配 位作 用， 合 成了 新型 的 多 聚准 轮 烷18 8 ) . h a r a d a 等 人 8 9 1 将以p e g为模板制备的a 一 环糊精多轮烷在1 0 % 的氢氧化钠水溶液中与环氧氯丙 烷反 应， 然后在2 5 % 的氢氧化钠水溶液中除去封端剂， 通过凝胶渗透色谱检测发现， 所得 到的 产物是一种管道状高分子( 见图 1 - 1 0 ) ， 平均每个分子管道由1 5 个多桥连环糊精 单元 构成。 i k e d a 等19 0 1 采用 量热法研究了 这种管道状高 分子对烷基磺酸钠的 包结配位 作用，其在药物传输等方面具有潜在的应用价值。 南开大学硕士学位论文 图1 - 1 0以a - 环糊精为基体的分子管道 刘育等 人1 9 1 采用类 似于h a r a d a 的方 法， 以 平 均分子 量为1 0 0 0 的p p g作为 模板， 6 ,6 一 ( 1 ,3 一 丙二 硒) 桥连 双r 一 环糊精作为结构单元， 制备一 种通过四 价铂离子 将两个环糊 精桥链结合在一起的 双分子管道。 通过对所得高分子聚合物的 h n m r 、 端基分析以 及扫描电镜研究，发现此高聚物基本上达到预期的线性结构，平均分子量为2 2 0 0 0 , 即有 1 6 个环糊精单元处在双链结构中。对这些新颖的以环糊精为基元的超分子组装 体的深入研究，无疑将会大大推动超分子化学和相关学科的发展。 1 .3本论文的选题 综上所述， 化学修饰环糊精的分子识别与分子组装研究是目 前超分子化学研究的 热点之一。 然而， 新型功能性环糊精衍生物的设计与合成， 尤其是分子识别和分子组 装的研究仍然是目前急待深入研究的课题。 为了提高环糊精原有的分子键合能力和分 子选择性，扩展其应用范围， 本论文设计和合成一系列环糊精的6 一 位和2 一 位衍生物， 并研究其对一些模型客体分子的分子键合和分子识别能力。具体研究内容如下: ( 1 )以 胺基或多胺修饰环糊精作为中间体，采用 d c c缩合技术，以咧垛- 3 一 丁 酸作为亲核试剂，制备了一系列的新型环糊精衍生物;采用紫外一 可见光谱、荧光光 谱、圆二色谱和核磁共振手段测定了这一类主体化合物对模型底物的选择性键合能 力， 并考察了当环糊精的边臂的链长不同时， 主体化合物对客体分子的键合能力和分 子识别能力的差异。 ( 2 ) 以2 - p 一 环糊精对甲苯磺酸酷为中间体， 合成有机硒桥连双环糊精。 用光谱滴 定技术研究了 其与染料客体分子相互作用的分子识别机制， 考察了范德华力、 尺寸匹 配、诱导契合、多点识别以及立体几何互补和协同作用等在分子识别中的重要作用。 南开大学硕士学位论文 参考文献 1 1 ( a ) 刘育， 尤长 城， 张衡益， 编著 超分子化学 一 合成受体的 分子识别与 组装， 南开大学出 版 社出 版， 2 0 0 1 , p . 1 - 6 2 4 ; ( b ) p e d e r s e n , c . j . j a m . c h e m . s o c . 1 9 6 7 , 8 9 , 2 4 9 5 ; ( c ) p e d e r s o n , c . j . j a m . c h e m . s o c . 1 9 6 7 , 8 9 , 7 0 1 7 ; ( d ) p e d e r s e n , c . j . a n g e w . c h e m , i n t . e d . e n g l . 1 9 8 8 , 2 7 , 1 0 2 1 . 2 ( a ) d r e t r i c h , b . ; l e h n , j . - m. ; s a c c v a g e , j . p . t e t r a h e d r o n l e t t . 1 9 6 9 , 1 0 , 2 8 8 5 ; ( b ) l e h n , j . - m. s t r u c t . b o n d i n g ( b e r l i n ) 1 9 7 3 , 1 6 , 1 ; ( c ) l e h n , j : m. a c c . c h e m . r e s . 1 9 7 8 , 1 1 , 4 9 3 1 h e l g e s e n , r . c . ; t i m k o , j . m. ; c r a m , d . j . j a m . c h e m . s o c . 1 9 7 3 , 9 5 , 3 0 2 1 . 4 ) ( a ) c r a m , d . j . ; c r a m , j . m. s c i e n c e 1 9 7 4 , 1 8 3 , 8 0 3 ; ( b ) c r a m , d . j . s c i e n c e 1 9 8 3 , 2 1 9 , 1 1 7 7 . 5 ( a ) l e h n , j . - m. p u r e a p p l . c h e m . 1 9 7 8 , 5 0 , 8 7 1 ; ( b ) l e h n , j . m . s c i e n c e 1 9 8 5 , 2 2 7 , 8 4 9 . 6 c o m p r e h e n s i v e s u p r a m o l e c u l a r c h e m i s t ry . e d l e h n , l . - m. ; a t w o o d , j . l . ; d a v i e s , l . e . d . ; ma c n i c o l , d . d . ; v 6 g t l e , f . v o l . 1 一 1 1 . p e r g a m o n , 1 9 9 6 . 7 1 ( a ) s z e j t l i , j . c y c l o d e x t r i n s a n d t h e i r i n c l u s i o n c o m p l e x e s , a k a d e m i a i k i a d b : b u d a p e s t , 1 9 8 2 ; ( b ) s z e j t l i , j . ; o s a , t . e d s . c o m p r e h e n s i v e s u p r a m o l e c u l a r c h e m i s ty r , v o l . 3 , c y c l o d e x t r i n s ; a t w o o d , 1 . l . , d a v i e s , j . e . d . , m a c n i c o l , d . d . , v 6 g t l e , f ., e d s . ; p e r g a m o n : o x f o r d , 1 9 9 6 . 8 s z e j t l i , j . c h e m . r e v . 1 9 9 8 , 9 8 , 1 7 4 3 . 9 1 b e t z e l , c . ; s a e n g e r , w; h i n g e r ty , b . e . ; b r o w n , g . m . j . a m . c h e m . s o c . 1 9 8 4 , 1 0 6 , 7 5 4 5 . 1 0 1 ( a ) b e n d e r , m. l . ; k o m i y a m a , m. c y c l o d e x t r i n c h e m is t ry , s p r i n g e r , b e r l i n , 1 9 7 8 ; ( b ) s z e j t l i , j . c y c l o d e x t r i n t e c h n o l o g y , k l u w e r a c a d e m i c p u b l i s h e r : d o r d r e c h t , 1 9 8 8 ; ( c ) d u c h e n