（分析化学专业论文）杯芳烃衍生物分析及其色谱保留机理的量子化学研究.pdf

摘要 杯芳烃作为第三代主体分子，与环糊精和冠醚相比，更容易进行化学修饰， 可广泛的应用于主客体化学的研究与应用领域。利用主体分子的分子识别功能 提高分离选择性是色谱分离材料研究的重要课题，杯芳烃在色谱分析领域的应用 主要为流动相或背景电解液的添加剂和色谱固定相的制备。本论文主要包括苯甲 酰基杯芳烃的合成、杯芳烃混合物的色谱分离研究和杯【4 】芳烃键合硅胶色谱柱 上色谱分离行为的量子化学研究等三部分内容： 1 合成了苯甲酰基杯 4 ，6 ，8 1 芳烃，并通过红外光谱、核磁共振、质谱和液相色 谱验证了其结构和纯度。 2 分别在c 1 8 柱、c nr p 柱、n h 2 柱和l c 一3 1 8 柱上，对杯芳烃及其衍生物的色 谱行为进行了比较研究。杯f 4 ，6 ，8 】芳烃在c 1 8 柱上1 0m i n 可达到基线分离；2 5 - 乙氧基杯【4 】芳烃、杯【4 】芳烃、对叔丁基杯【4 】芳烃在c 1 8 柱上，采用甲醇水梯度 洗脱可达到基线分离；对叔丁基杯【4 ，6 ，8 】芳烃在c 1 8 柱和l c 3 1 8 柱上，使用乙 腈氯仿流动相，可以达到基线分离。 3 采用量子化学方法对多种物质在d b s 4 柱上的色谱行为进行了研究，发现 d b s 4 固定相与被分离物之间的作用力不但有兀讯作用、包结作用、疏水作用和 范德华力，还存在与溶质体积相关的阻力，流动相对溶质的溶解作用也是影响色 谱分离的重要因素。 关键词：杯芳烃衍生物色谱分离量子化学分离机理 a b s t r a c t a sat y p i c a lr e p r e s e n t a t i v eo ft h et l l i r dg e n e r a t i o no fs u p r a m o l e e u l e s c a l i x a r e n e s a m o r ee a s i l yt ob ec h e m i c a l l ym o d i f i e dt h a nc d sa n dc r o w n s c a l i x a r e n e sh a v e b e i n gw i d e l ys t u d i e da n da p p l i e di nh o s t - g u e s tc h e m i s t r yb e c a u s et h e i ri n t e r a c t i o n s b e t w e e ne a l i x a r e n e sa n dg u e s t se x i s tb a s e do nm a n yk i n d so fm o d e sa n dm e c h a n i s m s i ti sa l li m p o r t a n tt a s kt oi m p r o v et h es e p a r a t i o ns e l e e t i v i t yo fc a l i x a r e n em a t e r i a l s u s i n gt h eh o s tm o l e c u l e sr e c o g n i t i o nf i m c t i o n s i ns e p a r a t i o ns c i e n c e ，i th a sb e e n w i d e l yu s e da st h em o b i l ep h a s ea d d i t i v e ，b o n d e ds t a t i o n a r ya n dc a p i l l a r yi n n e r - w a l l m o d i f i e r t h i sp a p e rs y s t e m i c a l l yi n 拄o d u c e dt h es y n t h e s i so fb e n z o y lh e x a h y d r o x y c a l i x a r e n e ，t h es e p a r a t i o no fc a l i x a r e n ed e r i v a t i v e sa n dt h eq u a n t u mc h e m i s t r ys t u d y o ft h es e p a r a t i o nb e h a v i o ro ft h es o l u t e so nt h ee a l i x 4 a r e n e b o n d e ds i l i c as t a t i o n a r y p h a s e t h es u m n l a r yo f t h et h e s i si sa sf o l l o w s ： 1 p a r a b e n z o y lh e x a h y d r o x yc l i x a r e n e ss y n t h e s i z e da n dc h a r a e t e r i z e db yi l l n m ra n dm sm e t h o d s 。，1 1 1 ep u r i t yw a sd e t e r m i n e dw i t hm o r et h a n9 8 b yh p l c 2 t h es e p a r a t i o n so fc a l i x a r e n ed e r i v a t i v e sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e du s i n gc 1 8 c o l u m n , c nr pc o l u m n , n h 2c o l u m na n dl c 一3 1 8c o l u m nr e s p e c t i v e l y w i t hc 1 8 c o l u m na n dm e o hm o b i l ep h a s e , e a l i x 4 8 a r e n e sc o u l db ew e l lb a s e l i n es e p a r a t e d w i t h i n 1 0 m i n u s i n g c 1 8c o l u m n , w i t ham o b i l e p h a s e o fm e o h ，h 2 0 ， 2 5 一e t h o x y c a l i x 4 a r e n e ，c a l i x 4 a r e n ea n dp - t e r t b u t y l c a l i x 4 a r e n ec o u l db eb a s e l i n e s e p a r a t e dw i t hg r a d i e n te l u t i o n u s i n gn h ec o l u m na n dm e c nm o b i l ep h a s e ， p - t e r t - b u t y l c a l i x 4 8 a r e n e sw e r eb a s e l i n es e p a r a t e dw i t h i n1 0m i l la t0 8m l m i n 3 t h eq u a n t u n mc h e m i s t r ys t u d yo ft h es e p a r a t i o nb e h a v i o ro ft h ea n a l y t e si nt h e d b s 4h a sc a r r i e do u t t h er e s u l t sd i s p l a yt h a tt h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nd b s 4a n d s o l u t e sn o to n l yi n c l u d e 舻7 【i n t e r a c t i o n ，i n c l u s i o ni n t e r a c t i o n ，h y d r o p h o b i ei n t e r a c t i o n a n dv a nd e rw a a l sf o r c e s ，b u ta l s oi n c l u d et h eh i n d r a n c eh i n d r a n c er e l a t e dt ot h e v o l u m es i z eo f s o l u t em o l e c u l e s t h em o b i l ep h a s es o l v e n tc a na f f e c tc h r o m a t o g r a p h y s e p a r a t i o nt h r o u g ht h ea n a l y t e s s o l u b i l i t y k e yw o r d s ：c a l i x a r e n ed e r i v a t i v e s ；c h r o m a t o g r a p h ys e p a r a t i o n ；q u a n t u mc h e m i s t r y ； s e p a r a t i o nm e c h a n i s m i i 郑州大学硕士学位论文 第一章杯芳烃化学研究进展 1 前言 冠醚和环糊精一起开辟了超分子化学这一新兴研究领域，它们分别代表了第一 代和第二代超分子主体化合物。近些年来，杯芳烃这类“新型”的具有独特空穴结 构的大环化合物，在超分子化学研究方面取得的成果正在受到科学工作者的广泛重 视，由于其结构上的独特优势，被誉为继冠醚和环糊精之后的第三代主体分子。杯 芳烃的历史可以追溯到1 8 7 2 年德国化学家b a e y d l 】和比利时化学家b a c k e l a n d 的工 作，他们先后发现苯酚与甲醛水溶液能合成酚醛树脂。2 0 世纪4 0 年代，z i n k e 在总结 前人研究的基础上，把苯酚换成含有对位取代基的苯酚，与甲醛缩合以期望获得线 形树脂，可实验结果得到的是一种高熔点、不溶的环状缩合物。到2 0 世纪7 0 年代后 期美国化学家g u t s c h e 等田对杯芳烃作了更深入的研究，确立了它的合成方法，并提 出杯芳烃的空腔大小可以调节，将是一类更具广泛适应性的模拟酶。自此关于杯芳 烃的合成与应用研究开始活跃起来。 杯芳烃作为第三代主体分子与冠醚及环糊精相比，具有以下特征：( 1 ) 易于化学 改性，可以通过许多途径得到各种性质的新型杯芳烃，即杯芳烃的上缘( 图1 1 ) 、下 缘( 图1 2 ) 的酚羟基以及苯酚环之间的桥联亚甲基( - c h 2 一) 甚至杯芳烃主体苯环，都可 进行衍生功能化，得到诸如对位取代的含烷基氨、磺酸基、羧基的水溶性杯芳烃，下 缘酚羟基衍生的杯芳烃的酯、酮、氨代物、杯芳冠醚等，亚甲基被取代的硫杂、氧 杂杯芳烃以及杯芳烃的主体苯环被吡咯、呋喃、噻吩、吲哚等取代的杯杂芳烃衍生 物，这不仅能改善杯芳烃自身的不足，如水溶性差，熔点高等，而且能增强其络合 能力。 蹦i i 杯芳烃上缘衍生功能化示意图 注：e = x ，n 0 2 ，c h o ，c o a t , c o i lc h 2 c i ，a r n 2 ，s 0 3 h ，s 0 2 c 1 ，e ta 1 n u = n u c l e o p h i l e ，r = a i k y l ，a r 郑州大学硕士学位论文 幻r 图1 2 杯芳烃下缘衍生功能化示意图 r = a l k y l ，a t , e ta l ( 2 ) 具有较高的热稳定性。母体杯芳烃的熔点很高，如对叔丁基杯 4 】芳烃的熔点高 达4 0 0 c 以上。( 3 ) 具有良好的化学稳定性。( 4 ) 具有可控制调节的空腔大小及多种 构象 3 - 5 。其空腔的大小可以按照不同客体的要求来改变，可以通过引入适当取代基 而固定所需的构型。( 5 ) 既能识别离子又能识别中性分子。具有与离子及中性分子选 择性络合的能力。( 6 ) 其母体及衍生物易于合成，原料价廉易得。( 7 ) 对人体和环境 毒害性小。 2 杯芳烃及其衍生物的合成 杯芳烃通常是一类由酚与醛缩合形成的环状化合物，其合成方法分为一步合成 法( 图1 1 3 ) 和逐步合成法( 图1 4 ) 两种方法。一步合成法是常用的合成方法，该法最初 是f l j z i n k e 等发现，后来被g u t s c h e 等改进和完善 6 1 ，一般用酚类化合物与甲醛( 或其 他醛1 的水溶液在酸或者碱催化下合成杯芳烃。方法简单、产率高，但杯芳烃母体框 架比较固定，适应性差。逐步合成法则可以根据不同的目的合成具有各种取代基和 环腔尺寸的的杯芳烃，这使得在杯芳烃多种识别的研究上可以做更进一步的工作。 h a y e s 和h u n t e r 7 j 首次用逐步法合成了杯芳烃，德国化学家b 6 h m e r f 8 】对该方法进行了 郑州大学硕士学位论文 改进。逐步法的适应性较广，理论上可以合成具有各种取代基和不同环腔尺寸的杯 芳烃，但由于合成步骤过于复杂，产率不高。 x i t 0 h + “h 2 0 一 图i 3 步合成法 n h 2 0 图1 4 逐步合成法 图中r 为r l 、r 2 、r 3 r 咀等各种不同的取代基团 目前多采用一步合成法制备杯芳烃母体，然后在母体的基础上键合需要的官能 团。自上世纪7 0 年代以后，人们研究探讨了各种合成杯芳烃的方法和工艺，并拓展 了杯芳烃的定义，以多种物质为原料制备了很多类杯芳烃物质，如间苯二酚类杯芳 烃【9 _ 1 1 i 、联苯三酚类杯芳烃【1 2 _ 4 1 、萘环类杯芳烃【岱i 、硫杂类杯芳烃【1 6 - 2 9 1 和杯吡咯类e 3 0 - 3 1 j 等；随着主客体化学从单点识别发展到多重识别并正向不对称性识别方向发展1 3 2 1 ， 杯芳烃的合成更倾向于往功能化方向发展【3 3 l ，所谓功能化的手段主要是指在杯芳烃 母体上使用化学键合的方法制备一些具有特殊功能性基团的杯芳烃衍生物，c a o 等洲 采用涂敷了4 种具有烷基链的杯芳烃衍生物的基于压电的厚度剪切模态的声波传感 器，并研究了2 2 种有机物蒸气在这种传感器下的频率响应特征，发现超分子的识别 机制是由于烷基酮的甲基与杯芳烃的苯环之间的c h 兀作用所致。这种传感器具有 郑州大学硕士学位论文 很好的选择性、可逆性、重复性和高稳定性。张德华等1 3 5 】在杯【4 】芳烃上同时引入芘 和冠醚两种基团，以期这种杯芳烃具备多种识别功能。p r a g a t i 等 3 6 1 制备了一组对叔 丁基杯【4 】芳烃冠一5 醚类化合物，评价了它们对碱金属和碱土金属离子结合的效率和 选择性。研究了衍生物的结构对包结性能的影响，发现含有两个乙酰基的衍生物由 于c - h o 作用形成的八元环和冠醚环相互垂直，阻碍了金属离子进入杯芳冠醚空 腔，而带有乙酸乙酯链的衍生物则没有这种作用，能够较容易地结合金属离子。 黄章杰等1 3 7 1 合成了一种新的杂环偶氮类显色剂8 杯( 4 ) 芳烃偶氮】氨基喹啉，研 究了它与金的显色反应的适易条件并用于金矿石中微量金的测定。偶氮基团的引入 使它兼有杯芳烃和偶氮化合物的优点，既能选择性地萃取金属离子又有明显的颜色 变化，既能键合阳离子又有明显的吸收光谱或荧光光谱的变化，这在传统的光分析 及现代的分子识别光学传感中都极为重要。d e l i g 眈等f 3 “1 1 合成了一系列新型偶氮杯 【4 ，6 】芳烃染料，并考察t p h 值和溶剂对这些偶氮杯芳烃吸收光谱的影响。钟志梅等 【4 2 】合成了两种新的对叔丁基杯【4 】芳烃磷酸酯类衍生物，以此化合物为载体制备了两 种铅离子选择性膜电极，并对电极的性能进行了研究。 除此之外，基于手性识别领域的需求，手性杯芳烃的制备成为杯芳烃化学研究 的一门重要课题。合成手性杯芳烃目前主要有两种方法：一是直接在杯芳烃母体上 引入手性基团1 4 3 - 6 7 j 。二是通过化学修饰，破坏杯芳烃的对称性，使其本身具有手性， 通常把这种杯芳烃叫做固有手性杯芳烃1 6 8 - 7 3 1 。 总之，杯芳烃作为第三代主体分子，比起环糊精和冠醚来说，更容易进行化学 修饰，能衍生出更多种的功能性杯芳烃衍生物，并且此类化合物的超分子作用方式 具有多种模式和机制，可广泛的应用于主客体化学的研究与应用领域，如应用到金 属配合物m 1 、分子识别1 7 5 , 7 日、传输化学1 7 7 ，7 8 1 、固相萃j r l 7 9 - s o l 、相转移催化剂鲥- s 3 1 、 离子选择性电极 s 4 - s 6 1 、模拟酶8 7 ，黯1 、化学传感器【8 9 - 9 1 1 和分析化学1 9 2 - 9 4 等各个领域。 可以预期，随着新种类杯芳烃衍生物的不断合成和研究，这种新型大环配体将具有 更广阔的应用前景。 3 色谱分离杯芳烃的进展 由于杯芳烃为多元大环分子，在反应的过程中往往会产生很多副产物并且反应 的重复性差，因此不但需要对反应条件进行严格控制，而且要对反应体系进行实时 4 郑州大学硕士学位论文 监控。但是由于杯芳烃及其衍生物大多性质相似，而且环体多带有羟基、氨基等极 性基团，薄层色谱就不能满足实时监控的要求了。高效液相色谱等仪器手段大多具 有高效、快速、高选择性和高分离度等特性，所以在一定程度上弥补了其它监控手 段的不足。 自上世纪8 0 年代以来已发展了多种方法用于杯芳烃类物质的分离测定和制备。 l u d w i q - 等e 9 5 悃硅胶色谱柱分离了环状酚醛树脂( 即杯芳烃) 和链状酚醛树脂，随后在 低压半制各色谱柱( r p 1 8 ) 上分离了杯芳烃和对应的链状酚醛树脂t 9 6 ；z a r z y c k i g r l 用 正相和反相薄层色谱法( t l c ) 分离了杯芳烃和芘，并对其色谱行为进行了研究。 j i n t g g l 、b o e h m e r 、s h i n k a i l i o o 1 0 1 1 、g 1 0 e d e 【1 0 2 1 、c a c c a m e s e 1 0 3 - 1 0 r l 、m o m h a s h i o s l 等采用手性柱对自合成的固有手性杯芳烃进行了分离。国内冯钰铸教授的 1 0 9 a l 川课题 组和国外的s a i t o y 【1 1 1 1 、j i n n o 1 1 2 1 等应用c 6 0 键合硅胶固定相液相色谱法分离了杯芳烃 及其衍生物，但其峰形展宽比较严重；k a l c h e n k o 1 3 】以反相高效液相色谱( r p h p l c ) 研究了一些下缘含磷酰酯的杯芳烃衍生物，但其保留时间过长( 最后出峰物质的保留 时间为1 0 1 6 7 m i n ) ：后在流动相中加入l ( - ) a 苯乙胺添加剂使分离得到改善【1 1 4 】； t h i b o d e a u x t l l5 】等优化y r p h p l c 的色谱条件，用来鉴别和分离手性氯酰化杯【4 】芳烃 氨基酸衍生物，可以达到基线分离，成功地用于此类产品的纯化；g r a h a m 等f 1 1 6 ”7 】 先用r p h p l c 分离了杯芳烃，然后又比较了超临界流体色谱法( s f c ) 与h p l c 法分离 杯芳烃的优劣，结果表明s f c 在分离对叔丁基杯芳烃方面明显优于h p l c 。然而h p l c 比较通用，是鉴定合成产物、探讨反应机理、优化最佳反应条件的一种常用手段。 a g e n a 等t 1 1 即使用r p h p l c 制备色谱方法分离成功制备了多种固有手性雷索杯【4 】芳 烃对映体。d i a m o n d 1 1 9 , 1 2 0 、j a n k o w s k i 1 2 1 l 等采用液质联用( l c m s ) 的方法鉴定杯芳烃 衍生化产物，以优化反应条件。z h a n g 等1 2 2 1 使用毛细管区带电泳紫外检测( c z e u v ) 分离水溶性p 磺酸基杯【n 】芳烃( n = 4 、6 、8 ) 和4 磺酸基苯酚，经过优化条件，使其在 1 4 m i n i 勾达到基线分离；韩珀【1 2 3 1 用非水毛细管电泳( n a c e ) 分离了对苯甲酯杯【4 】芳 烃、对叔丁基杯【4 】芳烃和对叔丁基杯【6 】芳烃；f u 等【饼】建立了样品堆积毛细管电泳 法分离磺酸基杯芳烃。优化了实验条件在p h 8 7 、缓冲溶液浓度为1 0 r a m 、分离电压 为1 5 k v 条件下三种磺酸基杯 4 ，6 ，8 】芳烃6 m i n 内在3 7 e m 长的毛细管中实现了分离，为 杯芳烃分离领域的发展注入了新的活力。 郑州大学硕士学位论文 4 量子化学在色谱分离中的应用 4 1 超分子化学与超分子作用力 1 9 8 7 年，p e r t e r s o n , l e h n 和g r a m 因他们对发展和应用具有特殊结构的高分子的 巨大贡献而获得诺贝尔化学奖，从此超分子化学以一门新兴的学科开始了它的蓬勃 发展。超分子化学是指基于分子间的非共价键相互作用而形成的分子聚集体的化学 【1 2 5 1 ，它主要研究超分子或分子超结构的形成、性质及应用的化学，包括分子识别原 理、受体化学、分子自组装、超分子光化学、超分子电化学、超分子催化化学、超 分子工程学、超分子生命科学等等。上世纪8 0 年代以来，它迅速地与无机配位化学、 分析化学、有机化学、物理化学、生物化学以及材料科学结合起来为生命科学的研 究和新技术、新材料的开发开拓了一个崭新的领域1 1 2 6 n 7 1 。 超分子体系是指由主体分子和客体分子之间通过非价键的弱相互作用缔合形成 的复杂而有组织的化学体系“2 8 。超分子体系中主客体之间的结合不是靠经典的化学 键，而是靠除离子键、共价键和金属键之外的其它弱相互作用力，这些作用力由非 键态和配键态组成，既有部分共价键的性质，又有部分范德华力的性质。在非键态 占主要地位的超分子体系中，电荷迁移较少，而配键态占主要地位的超分子体系中， 电荷迁移较大。 2 0 世纪8 0 年代，随着对冠醚化学研究的深入，化学家发现分子之间的多种作 用力具有协同作用特性，通过协同作用，分子之间能克服弱相互作用的不足，通过 一定形式的相互匹配( 这些匹配可以是配体与受体的匹配、分子与电子互补、尺寸与 形态的兼容或剐性与柔性的调节) 【1 2 9 ，形成有一定方向性和选择性的强作用力0 3 0 ， 成为超分子形成分子识别和分子组织的主要作用力，其强度不次于化学键【1 3 ”。例如， 冠醚是通过多个氧原子与碱金属阳离子之间的电子效应、互补与尺寸匹配而结合在 一起。分子间的这种弱相互作用通常表现为范德华力1 1 3 2 以3 6 j ( 诱导力、色散力和取向 力等，4 - 4 0 k j m 0 1 ) 、堆砌作用力【1 3 7 o t - 兀堆积、l i - g 堆积、阳离子呵作用和疏水作用 等) 、包结作用力【”7 1 、氢剐1 3 3 ，1 3 5 ，1 3 7 郴卅( 静电力、极化力、交换作用、电荷迁移作用、 偶合作用等，4 2 2 9 4 k j m 0 1 ) 和疏水作用f 1 4 0 “1 】等。这些弱作用力与共价键的对比见 表1 1 t 1 3 9 】。b u c k i n g h a m 在分子识别原理一书中系统阐述了主客体间非共价键力 的性质( 如表1 2 ) 。 6 郑州大学硕士学位论文 表1 i 共价键与非价键区别 表1 2 分子间弱相互作用力的分类 注：长程力主要指范德华力，相应的理论为经典的长程相互作用力理论( l i f t ) 。短程力主要是由 电子云重叠产生的交换作用，有多种理论模型，常用的方法是基于“自洽场”理论的“超分子”技术 估算作用能。a ：有加和性，是指满足u 1 2 f u l 2 + u 2 寸u 3 l ( u 为作用能) ：n a ：无加和性 早在1 8 7 3 年，范德华在研究气体分子间及晶体质点间作用力时，认为气体分子 能液化并能凝结成固体的原因是由于分子间存在很好的作用力，这种作用力就称为 范德华力o s g l 。它包括诱导力、色散力、取向力和交换力四种作用力【1 9 8 】，诱导力指 永久多极矩和诱导多极矩之问的相互作用；色散力指瞬间多极矩之间的相互作用； 取向力是指使原本处于杂乱无章的极性分子作定向排列的作用力，这种力也叫做偶 极间的静电力；交换力即电子交换能，是一种源于p a u l i 原理的排斥效应1 1 9 9 ，当自旋 平行的两个单电子成对且自旋方向相反时所引起的交换能损失。堆砌作用主要是指 芳环之间的重叠作用，给超分子化合物带来相当大的额外稳定性，其影响因素较为 复杂，如，芳环的大小、芳环匹配性、金属离子、温度、溶剂等。氢键本质上来说 是一种静电力，经常被看作是一种强范德华力，有分子内和分子问氢键之分，具有 方向性和饱和性，对它的研究已相当广泛。疏水作用是指为了减少有序水分子的数 量，非极性分子有聚集在一起形成最小疏水面积的趋势，保持这些非极性分子聚集 在一起的力1 1 4 0 。目前大家对于疏水作用的公认有两点1 1 4 1 】：( i ) 在2 5 c 非极性溶质的 水合作用是受水分子有序化产生的熵效应阻止的；( 2 ) 疏水分子或疏水基团在水中是 7 郑州大学硕士学位论文 相互吸引的。对疏水效应的物理起因近年来也逐渐趋向达成一致认识：水中的氢键 重排补偿了疏水效应中少量的焓变和较大量的熵变，因而使疏水溶质也能在水中有 少量的溶解度，而对于疏水作用则普遍认为是通过打破疏水溶质周围水分子的有序 结构导致熵的增加而获得热力学稳定性的，即疏水作用在2 5 时是熵驱动的1 1 4 4 1 。 疏水作用能增加超分子的稳定性，但其强度比芳环堆积弱，稳定性有下列顺序：芳 环芳环堆积( 堆积) ) 芳环- 且旨肪链( 疏水) ) 脂肪链脂肪链( 疏水) 【1 4 5 1 。影响疏水作用 的因素主要有配体分子、金属离子和溶剂效应。分子间的疏水作用作为研究自然界 生物体内疏水作用的一种特殊模型，对于理解金属离子存在下的生命分子的结构， 生物识别过程和自然界发生的选择性过程是非常重要的。其它形式的作用力也相当 普遍的存在于物质之中，并影响着物质的性质，尤其是生物大分子的相互作用，可 以影响生命过程，因此，近年来，对分子间作用力的不断研究，促进了新学科及高 新技术的发展。 4 2 超分子作用力的量子化学研究进展 随着超分子化学研究的深入，对其分子间弱相互作用本质的研究也引起科学界 各方面越来越多的关注。目前对于超分子体系的弱相互作用的研究大致可分为实验 和理论两种途径，实验方法主要包括光谱法1 妊15 5 1 、电化学法f 1 络1 蜘、核磁法f 1 蚓、 差热热重x 射线晶体衍射法f l 例、色谱法【1 6 0 j 6 1 】等仪器实验方法，但这些方法仅能给 出某一方面或某一种作用力的解释，研究的深度受条件的限制比较大。超分子体系 分子间弱相互作用力的理论研究目前常用的方法有统计热力学和量子化学两种f 1 6 2 1 ， 统计热力学方法主要是对主、客体分子结合成超分子的过程中的a g s u p 、a h s u p 、 s s u p 和平衡常数k s u p 进行测定1 1 4 5 l 或通过量子化学方法计算得到，从而在宏观层面 对超分子作用力进行辨认。而量子化学方法，尤其是商精度量子化学法，可以在电 子结构的水平上定量地研究分子间的相互作用，因而可以期望能从深层次的理论水 平上来揭示主体与客体之间的特殊相互作用。下面着重介绍量子化学方法。 量子化学方法用于超分子化学的研究应该说是一种最确切、最直观但也是最复 杂的定量化描述方法，高精度的量子化学方法可以在电子结构水平上准确地研究分 子间弱相互作用力，对其深入的研究可望在深层次的理论水平上揭示生命现象的本 质，为超分子化学的发展提供了强有力的理论基础。用于超分子体系弱相互作用力 研究的量子化学方法主要有a bi n i t i oh f 、m p 、a m l 和d f t 等方法。这些方法在处理 8 郑州大学硕士学位论文 具体问题上都有一个共同的原则，就是把超分子作为一个整体，认为电子在超分子 轨道中运动，寻找势能面上的极小点。方法如下：假设超分子体系中各个分子间的 弱相互作用能为a e m ，则有a e i n t = e t - x ；e i ，e t 为超分子体系的总能量，e i 为各个分子体 系的能量。 a bi n i t i o 理论在计算分子内和分子间相互作用能方面具有广泛的应用。早期由于 受计算条件的限制，关于弱相互作用的的研究主要集中在小分子的二聚体和三聚体 如：( h 2 0 ) 2 、( h 2 0 ) 3 、( n h 3 ) 2 、( t - i f ) 2 、( h f ) 3 等和无机小分子间如：h 2 0 ”n h 3 、h 2 0 ”h f 、 n h 3 h f 等的弱相互作用，研究内容包括超分子的构型优化、弱相互作用的强度和 振动光谱等。a bi n i t i o 理论可以分为两个级别：h a r t r e , e f o c k ( h f ) 水平( 轨道近似) 和 p o s t - h a r t r e e f o c k 水平( 考虑电子相关) ，前者没有考虑电子相关能，使计算结果与实 际情况产生较大的误差，后者考虑了电子相关能、基函数误差和大小一致性误差， 计算结果较准确。因此，p o s t - h a r t r e e - f o c k 水平的a bi n i t i o 理论更适合超分子体系的计 算。计算的基本方法：a e i m = a e h f + a e o o r ，a e i m 为超分子体系间的相互作用能，a e h f 为h a r t r e e - f o c k 相互作用能，a e c o r 为相关相互作用能。原则上来讲，对a bi n i t i o 理论 而言只要合适地选择基函数，自洽迭代的次数足够多，就一定能够得到接近自洽极 限的任意精确的解，因此也被认为是迄今为止理论上最严格的量子化学计算方法， 但由于目前需要研究的超分子往往体系较大，若要得到可靠的结果就要考虑电子相 关能，而考虑了电子相关能又会大大增加机时且对计算机的要求也比较高。 由于a bi n i f i o 存在方法自身难以克服的缺点，使得人们转而寻找其它的方法来研 究分子间的弱相互作用。9 0 年代开始，随着计算机硬件和软件技术的发展，越来越 多的研究者开始运用m p 方法来解决这个问题。m p 方法【饰那，亦称对称性匹配的微扰 方法，所谓对称性匹配是指在微扰展开中要考虑波函数的反对称化，也就是考虑了 p a u l i 原理( 或者说包含了交换能) 。如果充分考虑电子相关能用包含单、双、三、四 激发的m p 4 方法，可得到较为准确的弱相互作用能，但大大增加了计算机的机时和 存储空间，仅能处理一些较小的体系。 总的来说，上述两种方法在计算大的超分子体系时，都比较困难。近年来将 d f t ( 密度泛函理论) 用于超分子体系间的相互作用能的研究，克服了上述两种方法的 缺点，为较大体系的量子化学计算提供了可能的途径【1 6 4 t 。由于d f t 计算方法的精 度与m p 2 相当，计算速度却比m p 2 快近一个数量级，特别是对于大分子，这种差别 9 郑州大学硕士学位论文 更大。因此，近年来越来越多的研究者开始运用密度泛函方法来研究化学和生物化 学问题，内容涉及无机和有机小分子及它们的复合物。d f t 还被广泛应用于化学和 生物化学反应机理的研究，但至今还未见有研究生物大分子的报道。 目前中外学者对于量子化学在超分子作用力方面的研究已有很多报道。朱维良 等0 6 4 , 1 6 5 曾运用d f t - b 3 ly p 方法对药物分子石杉碱甲及青蒿素等进行构型、能量及 光谱等性质研究，与实验结果相吻合；对无机分子复合物和生物体系中扮演非常重 要角色的氢键等弱相互作用的d f t 计算结果也能很好地解释实验事实；对生物体系 中广泛存在的阳离子- 兀相互作用的机理和能量参数的计算结果也与实验结果相一致 【1 6 6 1 ；运用密度泛函b l y p 6 3 1 g * 方法对铵离子二苯复合物体系的可能构型进行了结 构优化，得到了复合物的能量最低构型为铵离子位于两个苯环平面之间分别以两个 氢原子和苯环作用，频率计算的结构表明该构型为稳定结构。复合物的键长、原子 静电荷、分子轨道系数、前沿轨道能量、m u l l i c k e n 键级等都表明，铵氢原子和与之 接近的苯环碳原子之间通过s 叽相互作用而实现铵与两个苯环的结合，结合时电子从 苯环向铵转移，形成电荷转移复合物，它们之间的结合方式和铵离子苯复合物及典 型氢键的结合方式相似，计算得到的热力学参数证明了这一点1 明。 c o s e n t i n o 等1 1 6 8 】在r h f 、d f t 、m p 2 水平上使用多种基组( 加赝势) 对【g d ( h 2 0 ) 9 3 + 进行了考察，优化得到三种稳定构型( 一个最低能量点，两个鞍点) ，超分子晶体能够 稳定存在主要归因于配位水分子的相互作用，这种作用包括晶体堆积作用和氢键力。 计算的结果还显示对金属离予考虑赝势后能够得到更可靠的结果。s a l a z a r 等“舡1 7 0 1 于1 9 9 9 年先后采用a bi n i t i o 理论考察了n 2 一h 2 、n 2h e 和c oh e - - 种超分子的势能面 情况，用m p 4 微扰理论研究了取向力、诱导力和色散力的贡献。优化得至i j n 2 i - 1 2 超 分子的稳定构型为线型，n 2 h e 和c o h e 两种超分子稳定构型为个型。e n y a s h i n 等 f 1 7 l j 采用i 狂s t o 3 g 基组优化了两种t i 2 c s o 超分子异构体的分子结构，用d f t 方 法研究了超分子的电子结构和原子价态，并与空的c 8 0 结果相比较发现，t i 原子与c s o 空腔存在共价键，每个t i 原子表现为正的离子价态( + 1 9 ) 。r e n 等i m 】采用d f t 方法 考察了 c c 6 0 超分子的结构和电子特征，发现当c 原子处于c 6 0 空腔中心时的构型是 最为稳定的构型，计算所得的l u m o 和h o m o 轨道能量、电子亲和力、电离能等都 显示其动力学稳定性。 近年来杯芳烃超分子化合物的量子化学研究正在成为超分子作用考察的热点。 l o 郑州大学硕士学位论文 0 9 d e l l 等【1 7 3 1 首次报道了在a bi n i t i or h f 6 3 1 g * 基组上计算晶体形态下对叔丁基杯 4 】 芳烃包结物的构型，与实验结果吻合，发现形成晶体原因主要归因于晶体堆砌作用。 c h o e 等1 体1 7 6 1 从2 0 0 2 年至2 0 0 4 年采用a bi n i t i oh f 6 3 1 g 基组研究了烷基铵类客体分 子与主体分子杯芳烃衍生物形成的超分子的构型及能量，并对比了不同烷基铵客体 分子与主体分子的结合能力。同年他们又采用a b i n i t i o r h f 6 3 1 g * * 基组考察了四甲 氧基杯【4 】芳烃的四种构型及能量，发现它们的稳定性同对叔丁基杯 4 】芳烃类似，即 部分锥式) 锥式) l ，3 交替) 1 , 2 交割”7 1 。b o o n c h o o - 等t 1 7 8 1 使用a m l 方法对杯【4 】芳 烃冠醚衍生物和其锌配合物作了构型优化，使用a bi n i t i oh f 6 3 1 g 基组计算了二者单 点能，考察了超分子的结合能及其稳定性。 a bi n i f i o 方法精确计算分子间的弱相互作用，要么考虑电子相关性及使用大基 组，要么运用b s s e 和s c e 校正，这两种途径均较为费时和繁琐。m p 方法与a bi n i t i o 方法计算耗时长、占用资源多，不适合大分子体系的研究。相比之下，d f t 计算方 法既考虑了电子相关性，也不是太费时( 与m p 相比) ，计算精度与m p 2 相当，可能是 研究分子间弱相互作用，特别是大体系相互作用比较理想的理论工具。分子间的相 互作用的问题仍需深入探索，随着计算机硬件和软件技术的发展我们期望着有更多 更好的量子化学方法来对分子间的相互作用进行更深入的研究。 5 本论文的研究内容 合成并探讨了苯甲酰基杯 4 ，6 ，8 】芳烃的合成方法和条件，通过红外光谱、核磁共 振谱、质谱和液相色谱验证了其结构和纯度；分别在c 1 8 柱、c nr p 柱、n h 2 柱和 l c 3 1 8 柱上，对杯芳烃及其衍生物的色谱行为进行了比较研究；采用量子化学方法 从多个角度对多种物质在d b s 4 柱上的色谱行为进行了研究，探讨了删【作用、包 结作用、疏水作用、范德华力以及与溶质体积相关的阻力等对超分子作用力的贡献， 并研究了流动相对色谱分离的影响；通过超分子作用过程中的热力学变化研究了相 应超分子作用力的情况。 郑州大学硕士学位论文 参考文献 【l 】a b a e y e r u e b e rd i ev e r b i n d u n g e nd e ra l d e h y d e m i td e np h e n o l e na n da r o m a t i s c h e n k o h l e n w a s - s e r s t o f f e n b e t 1 8 7 2 ，5 ：1 0 9 4 - i i 【2 】c d g u t s e b e ，r m u t h u k r i s h n a n c a l i x a r e n e s 1 a n a l y s i so f t h ep r o d u c tm i x t u r e sp r o d u c e db yt h e b a s e - c a t a l y z e dc o n d e n s a t i o no ff o r m a l d e h y d ew i t hp a r e s - s u b s t i t u t e dp h e n o l s j 。o 罄c h e m 。，1 9 7 8 ， 4 3 ：4 9 0 5 4 9 0 6 f 3 】凡s d o n a l d ，k m a r i u s z , p k r a m 。h w w i l l i a m , c d g u t s c h e c o n f o r m a t i o n a lc h a r a c t e f i s t i c s o f e t h e r sa n de s t e r so f p - t e r t b m y l c a l i x 5 a r e n e j a m c h e m s o c ，1 9 9 5 ，1 1 7 ( 2 ) ：5 8 6 - 6 0 1 f 4 】v b f h m e r , qf e r g u s o n , m f f i n g s 4 ，1 2 ，1 6 , 2 4 - t e w a h y d r o x yc a l i x 4 a 舢- m 酬h a n o l ( 1 ，2 ) a c t a c r y s ( a l l o g r a p h i c a , s e c t i o nc ：c r y s t a ls t r u c t u r ec o m m u n 1 9 9 7 c 5 3 ( 9 ) ：1 2 9 3 1 2 9 5 【5 】s n o a , eb s i l v i o p r o x i m a lr e g i o s e l e c t i v i t y o ft h e o ，o - a i a l k y l a t i o no ft e t r a h y d r o x y k e t o c a l i x 4 a r e n e ，j o r g c h e m ，2 0 0 5 ，7 0 ( 1 3 ) ：5 2 7 8 5 2 8 2 【6 】c d g u t s c h e ，b ，d h a w a n , kh n o ，& m u t h u k r i s h n a n c a l i x a r e n e s 4 t h es y n t h e s i s ， c h a r a c t e r i z a t i o n , a n dp r o p e r t i e so ft h ec a l i x a r e n e sf r o mp - t e r t - h u t y l p b e n 0 1 j a m c h c m s o c ， 1 9 8 1 ，1 0 3 ：3 7 8 2 3 7 9 2 【7 】b t h a y e s ，r eh u n t e r , p h e n o l - f o n ：n a l d e h y d ea n da l l i e dr e s i n sv i r a t i o n a ls y n t h e s i so fa c y c l i c t e t r a - n u c l e a rp c r e s o l n o v o l a k j