（应用化学专业论文）基于PET和分子间氢键机理的阴离子探针.pdf

大迮理：人学硕十学位论文 摘要 无机阴离子和有机阴离子在许多化学和生物过程中起到极其重要的作用。在无机阴 离子方面，关于阴离子变色探针的研究很多，尤其包含极化n h 基团的阴离子受体被广 泛应用于阴离子探针的设计中，但是有关探针对阴离子识别的构效关系及氢键机理的研 究还很少。对于阴离子识别机理也只有氢键机理，路易斯酸配位机理等几种，很少有新 的识别机理见报道。有机阴离子及其相关分子，特别是手性糖酸类在许多生物过程中的 重要性，已引起了很多研究者的关注。目前也丌发了一些有对映选择性的手性探针。但 是，手性糖酸的识别依然存在对映选择性和络合常数低的问题，而且要用于生物分析， 一定要在水溶液中进行识别，但是目前多数探针只能在有机溶剂中使用。 在前人工作的基础上，为了选择性识别无机阴离子和手性糖酸、糖醇，本论文设计 合成了一系列阴离子探针，具体如下： 基于分子问氢键原理设计一系列缩氨基硫脲氟离子变色探针a 1 a 1 2 。探针a 1 对f 有很好的识别效果。通过不同结构的探针对阴离子的识别效果的研究，发现通过在探针 分子引入推拉电子基团，调控氢键供体的质子提供能力，能实现对阴离子的选择性识别。 另外发现羰基和硫羰基脲类的识别性质有很大差异。通过核磁滴定和单晶结构证实 c h f 氢键的形成。 合成了吩噻嗪类的氟离子变色探针b 4 ，并通过核磁，单晶衍射，紫外一可见吸收光 谱的滴定研究证明，b 4 中存在分子内氢键和烯醇式酮式互变异构。论述了一种全新的 氟离子识别机理。 基于p e t 和共价键识别机理设计合成了一系列糖类荧光探针，非手性探针c 5 和手 性探针d 5 ，e 2 。经过对糖酸、糖醇、单糖等底物的识别，发现c 5 对糖酸类有一定的识 别效果，d 5 对d 一山梨醇有一定的对映选择性，而e 2 对酒石酸对映选择性很好。 基于f r e t 机理设计合成了手性荧光探针9 8 ，初步观察到荧光共振能量转移现象， 对手性酒石酸识别的络合常数很高，有一定的对映选择性。 关键词：阴离子；变色探针；手性荧光探针；荧光共振能量转移 基于p e t 和分子间氢键机理的阴离子探针 a n i o ns e n s i n gb a s e do np e ta n dh y d r o g e nb o n d i n g a b s t r a c t i n o r g a n i ca n i o n sa n do r g a n i ca n i o n sp l a ya f u n d a m e n t a lr o l ei naw i d er a n g eo fc h e m i c a l a n db i o l o g i c a lp r o c e s s e s ag r e a td e a lo fa t t e n t i o nh a sb e e nf o c u s e do nt h es e l e c t i v es e n s i n go f i n o r g a n i ca n i o n sb ym e a n so fs y n t h e t i cc o l o r i m e t r i cr e c e p t o r s i np a r t i c u l a r ，m o l e c u l e s c o n t a i n i n gp o l a r i z e dn hf r a g m e n t sb e h a v ea sh b o n dd o n o r st o w a r da n i o n sa r ew i d e l yu s e d 髂r e c e p t o r sf o rr e c o g n i t i o na n ds e n s i n gp u r p o s e s h o w e v e r t h e r ea r eo n l yl i m i t e dn u m b e ro f b i n d i n ga n ds e n s i n gm e c h a n i s m se m p l o y e d ，s u c ha sh y d r o g e nb o n d i n g ，e t c m e a n w h i l e ，m u c h a t t e n t i o nh a sb e e np a i dt ot h ed e v e l o p m e n to fc h e m o s e n s o r sf o ro r g a n i ca n i o n ss u c ha sc h i r a l s u g a ra c i do rs u g a ra l c o h o l s b u tm o r ec h i r a lf l u o r e s c e n ts e n s o r sw h i c ha r ec h e m o s e l e c t i v e ， a n de n a n t i o s e l e c t i v et os u g a ra c i d sa r en e e d e d i no r d e rt ob eu s e di nb i o l o g i c a la n a l y s i s ，t h e b i n d i n ga n ds e n s i n g p r o c e s ss h o u l db ec a r r i e do u ti na q u e o u ss o l u t i o n ，b u tm o s to ft h ep r e s e n t c h e m o s e n s o r sf a i l e dt om e e tt h i sr e q u i r e m e n t i no r d e rt os e l e c t i v e l ys e n s i n gt h ei n o r g a n i ca n i o n so ro r g a n i ca n i o n s ，s u c ha sf 。a n d s u g a ra c i d ，t h ef o l l o w i n gw o r kh a v eb e e nd o n ei nt h i st h e s i s ： as e r i e so ft h i o c a r b o n o h y d r a z o n ec o m p o u n d sa l a 1 2w a sd e v e l o p e da ss e n s i t i v e ， s e l e c t i v e ，c o l o r i m e t r i cf s e n s o r s t h er e c o g n i t i o np e r f o r m a n c eo ft h es e n s o r sw a sf o u n dt ob e s t r o n g l yd e p e n d e n to nt h es e n s o rs t r u c t u r e ，s u c ha st h ee l e c t r o np u s h p u l ls u b s t i t u t i o n i tw a s p o s t u l a t e dt h a tac hf i n t e r a c t i o ne x i s t si nt h es e n s o r - a n i o ns y s t e m e v i d e n c ei ns u p p o r to f t h i sc o n j e c t u r ec o m e sf r o mt h e 。hn m rt i t r a t i o nd a t a , a n ds i n g l ec r y s t a ls t r u c t u r ea n a l y s i s n o v e lc o l o r i m e t r i cs e n s o rb 4f o rf l u o r i d ea n i o nc o n t a i n i n gp h e n o t h i a z i n ea s c h r o m o g e n i cs u b u n i th a sb e e nr e p o r t e d e n 0 1 k e t ot a u t o m e r i z a t i o nw a su s e df o rs e l e c t i v e f l u o r i d ea n i o ns e n s i n g u v - v i sa b s o r p t i o n ，1 hn m r s i n g l ec r y s t a lx r a ys t r u c t u r e sa n a l y s i s w a su s e dt oc h a r a c t e r i z et h er e c o g n i t i o no f a n i o n sw i t ht h es e n s o r s as e r i e so fc h i r a lb o r o n i ca c i dm o l e c u l a rr e c e p t o r s ( c 5 d 5a n de 2 ) f o rc h i r a ls u g a ra c i da r e s y n t h e s i z e d s e n s o re 2i sf o u n dt ob es e n s i t i v e ，c h e m o s e l e c t i v e ，a n de n a n t i o s e l e c t i v et os u g a r a c i d s s u c h t a r t a r i ca c i da n dg l u c o n i ca c i d n e wf l u o r e s c e n tc h e m o s e n s o r s9 8b a s e do nf l u o r e s c e n c er e s o n a n c ee n e r g yt r a n s f e r ( f r e t ) h a v ete e nd e v e l o p e d p r e l i m i n a r ye x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t e dt h ef r e tp r o c e s s s e n s o r9 8i s f o a n dt ob es e n s i t i v ea n de n a n t i o s e l e c t i v et ot a r t a r i ca c i d k e yw o r d s ：a n i o n ；c o l o r i m e t r i cs e n s o r ：f l u o r e s c e n c es e n s o r ：f r e t 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 瓠盈日期：型 ：i ：2 墨 人连理1 ：大学硕+ 研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：盎凰 导师虢趣违章 3 0 0 7 年6 月2 7r 大连理r _ 人学硕十学位论文 1 文献综述 1 1 阴离子识别的重要性 识别阴离子的化学传感器，在生物学研究上具有重要意义，如氨基酸、多肽、核苷 酸盐等均为有代表性的有机阴离子化合物，许多无机阴离子如硝酸根、碳酸根以及氯离 子等在生物体系中也大量存在。但有关阴离子传感器的研究，不像阳离子那样已有多年 的研究历史，而只是在近年来才受到人们的注意。 阴离子作为与阳离子相对应的离子，它在自然界和生物体内无处不在。比如氯离子 富集于海洋中，硝酸根及硫酸根离子存在于酸雨中，而羧酸根离子是生物质转化及生物 体组成的重要离子。对于人类在工农业生产过程产生的阴离子，如核废料中释放出的高 锝酸阴离子、肥料中的磷酸根阴离子以及上面提到的酸雨中的阴离子，这些离子的大量 存在都会对环境造成污染i l 】。阴离子普遍存在于生物体系中，它们能传送遗传信息( d n a 是聚阴离子) ，同时，酶和底物、酶和辅酶以及蛋白质、r n a 或d n a 与a t p 、磷酸肌 酸等生物大分子问的相互作用涉及大量的有机阴离子聚集、识别过程，这些作用过程对 生物质合成、能量转化等生物过程的正常进行起着十分重要的作用。因此对阴离子识别 和检测的研究就显得尤为重要。 1 2 阴离子识别遇到的挑战 阴离子识别如此重要，但是阴离子探针的设计却有一定的难度。阴离子与受体相互 作用会受到很多因素的干扰，因此设计、合成受体分子以及阴离子识别过程存在如下几 个方面的问题1 2 j ： 就与阳离子识别比较而言，设计与合成具有特异性专一识别能力的阴离子受体就显 得要比较困难。这是因为不同阴离子的空间构型差别比较大，要设计优异的阴离子受体， 必须考虑受体本身和待识别阴离子的空间互补关系，这就增加了分子设计及合成难度。 如图1 1 所示，阴离子具有多种空间构型，这就使得阴离子与受体相互作用的空间多样性 成为可能，但是也增加了阴离子识别的复杂性。 另外，在阳离子识别中，阳离子与受体一般具有很强的静电作用。然而与等电荷的 阳离子比较，阴离子具有更大的原子半径( 表1 1 ) ，进而导致阴离子拥有小的电荷与原 子半径的比值，相应的增加了核外电子的流动性。这种电子流动性使得阴离子与受体的 静电相互作用要比阳离子与受体的静电作用小的多。结果阴离子与受体的作用力要比阳 基，p e t 和分子间氢键机理的阴离子探针 离子与受体的作用力小。要解决阴离子识别过程的作用力弱的问题就必须增加阴离子与 受体分子作用位点的个数，这是设计阴离子识别受体中遇到的另外的一个难题。 o “删 r c b r r 也盯 蜒，谢。s 铺o h “口 删 p 0 4 v o 一，s o 产。 m o 铲s e 0 4 i t m 0 4 - a c 自n “ f = e ( c n i 产f c c n ) e 产 哪f 脚” 鼬m m c 哦町 飞热热瓜瓜风 o m 由一k * 图i i备种阴离子的空间构型 f i g 1 i t h es t r u c t u r a lv a r i e t yo f a n i o n s 表i i 几种等电子阴日i 离子的原子核卜径及其筹值比较 t a b 1 1 t h ed i f f e r e n c ei nr a d i if o rt y p i c a li s o e l e c t r o n i cc a t i o n sa n da n i o n s 同时阴离子识别对p h 变化也很敏感，因为无论是阴离子本身还是受体分子都有可 能随p h 变化有一个络合质子或脱去质子的过程，这样离子识别过程会受到p h 变化的 影响，所以一般阴离子识别只能在特定的p h 范围内有效。p h 对离子识别的影响尤其对 包含有脂肪胺的受体影响尤为突出。 溶剂性质对调控阴离子识别过程的选择性和络合强度也有很重要的影响。就中性受 体分子而言，由于它和阴离子间的相互作用方式主要是氢键作用，这样极性质子型溶剂 比如醇类就会对离子识别产生强烈的干扰，因为阴离子会优先与具有强氢键供体能力的 溶剂分子作用进而抵消了受体和待识别离子问的相互作用，不过基于氢键作用识别体 系的离子识别过程可以在非质子溶剂中进行。相反，对于带有正电荷的受体而言，受体 分子与阴离子之间存在较强的静电作用，这种强的静电作用使受体分子有能力竞争过阴 一2 一 o 大连理r 大学硕七学t i 7 ：论文 。念x 瞳一咎嘲 m e 喇劳8 、“与醋嘲， 如图1 2 所示，化合物1 口j 及2 【4 j 是大环季铵盐型受体，在水中它们可以与很多种阴 离子络合。例如，化合物1 内径为4 6 a ，所以它能够与直径为4 1 2 a 的碘离子通过静电 引力作用形成很强的络合物，而化合物2 可以络合体积更大阴离子如对硝基苯甲酸根离 子。l 和2 本身带有正电荷，所以它们可以通过静电引力与阴离子络合。不过由于化合 物本身所带的反离子会和待识别阴离子竞争带j 下电的季铵熊络合位点，进而导致阴离子 与受体之间的络合常数较小，不过经过改进的具有两性离子受体3 就避免了受体所带的 反离子对离子识别影响的问题，所以与1 比较，化合物3 i s 与氯、溴、碘等离子之间的 络合常数要大的多。 1 3 2 氢键作用 氢键是一种有方向的分子间作用力，所以就有可能利用这一特性，设计出特定结构 的受体分子来识别不同空间构型及氢键接受能力的阴离子。如图1 3 所示化合物4 - 9 6 1 基丁p e t 和分子间氢键机理的阴离子探针 是一系列三足阴离子受体分子，其中酰胺部分作为氢键供体具有c 3 对称结构的受体 分子可以络合四面体结构的阴离子。侧链的不同取代基可以调节受体分子络合阴离子的 能力。 吣，r h 母戈 h- s 4 - - h n ) r 、七= o r 4 ：r = c h 2 c l 5 ：r = ( c h 2 h c h 3 6 ：r = c 6 h s 7 ：r = 4 - m e o c 6 h 耵鼙 幽1 3c 对称结构的受体分子 f i g 1 3 a n i o nr e c e p t o r sw i t hc 3s y m m e t r i cs t r u c t u r e 1 3 3 静电引力与氢键共同作用 静电引力和氢键可以同时用到阴离子受体的设计中，这样设计出的受体对阴离子的 络合能力更强。如图1 4 所示，对于化合物1 0 及1l 【7 】，氯离子既可以同质子化叔胺上的 氢形成氢键作用，也与质子化叔胺间存在静电引力。同理对于化合物1 2 悼j 及1 3 1 9 j ，当大 环脂肪胺受体质子化后，可以识别不同碳链长度的二羧酸根离子，1 2 可以和m 为2 或 3 的二羧酸根离子形成较强的络合作用，然而1 3 与i n 为5 或6 的二羧酸根离子络合作 用较强。这里静电引力和氢键在共同起作用。 匡萝+ 夏蛩 1 3 4 金属或路易斯酸配位作用 路易斯酸的缺电子酸性中心可以和富电子阴离子电子轨道重叠形成配位作用。基于 此，可以设计出很多包含硼、汞、硅、锗和锡等原子的阴离子受体。如图i 5 所示，化 大连理r 大学硕十学何论文 合物1 4 及1 5 t 1 0 】可以与氟离子或氢氧根离子形成强的配位作用。由于1 4 具有额外的路 易斯酸配位中心，所以1 4 比1 5 有更强的氟离子络合作用，一个氟离子可以络合到两个 硼原子之间。而化合物1 6 1 。】是基于汞原子路易斯酸性中心的阴离子受体，汞原子与碳 硼烷上的碳原子通过共价键相连。晶体结构表明氯离子与受体络合形成平面结构的络合 物，氯离子与四个汞原子路易斯酸性中心等距( 2 9 4 a ) 。 硒2 笛2 1 41 5 咄向 1 6 图1 5 基丁路易斯酸配位作川的受体 f i g 1 5r e c e p t o r sb a s e do nm e t a lo rl e w i sa c i dc o o r d i n a t i o n 1 4 阴离子探针的种类 探针包括如下几个部分：( 1 ) 对待测底物的识别部分，( 2 ) 连接部分，( 3 ) 光学信号输 出部分。探针即是指能与识别物质相互作用，并把结果以电化学或光学等方式表达出来 的这类分子。根据探针分子与阴离子作用后发出的信号不同，阴离子探针主要被划分为 下面两类。 1 4 1 电化学探针 电化学探针分子与阴离子作用后，探针分子会产生氧化还原电位的变化，这类分子 经过适当的化学修饰后，它们能够用到电化学传感器上。如图1 6 ，当卟啉环上引入二 茂钴离子以后得到化合物1 7 i i ”，这种探针是属于上述提到的利用“受体一信号偶合”原理 设计的探针，阴离子既可以与探针分子上的酰胺键形成氢键作用，也与二茂钴离子之间 存在静电引力作用。核磁滴定表明1 7 与离子之间的作用力顺序是：氯离子 溴离子 基丁p e t 和分子间氢键机理的阴离子探针 硝酸根离子。阴离子的加入会导致该化合物电化学氧化一还原峰的变化，氯或溴等离子 可以引起可逆氧化还原峰向阴极移动3 5 7 5m v 左右，而磷酸二氢根离子能导致可逆 峰向阴极移动2 2 5m v 。另外需要值锝指出的是当过渡金属如钌、铼与二联吡啶等配体 引入阴离子受体时，由于这些金属配合物本身能发有荧光，所以阴离子识别过程既能通 过电化学变化表现出来也能通过光谱变化表现出来，所以离子的检测可以通过两个或多 个方式来表现，所以一般称这类探针分子为多通道探针分子。 l7 图1 6 电化学探针分子 f i g 1 6 e l e c t r o c h e m i c a la n i o ns c n o r 1 4 2 光学探针 对光学探针分子而吉，阴离子与其作用会引起探针分子比如荧光或颜色的变化，同 样经过适当的化学修饰后，这类分子能用到光学传感器上。基于不同的光谱变化，这类 探针还能再进一步细分，凡是与阴离子作用后，仅有颜色变化而没有荧光变化的探针称 为颜色探针，丽凡是作用前后有荧光变化的探针称为荧光探针f b j 。 本论文的主要研究内容是分为两大部分：1 基于氢键机理的氟离子颜色探针的设计 与合成，并对阴离子识别过程中的氢键形成，分子白j 质子转移机理进行较为深入的研究： 2 基于p e t 机理的荧光探针，设计与合成新型的阴离子探针分子，研究了对广义的阴离 子一手性糖酸糖醇类的识别。下面就对这两方面的作用机理，近几年的研究进展等方面 进行概述。 一6 一 大连理t i 人学硕十学位论文 1 5 基于氢键机理的阴离子探针 1 5 1 氢键作用及分子间质子转移机理 氢键是大约在1 0 0 年前发现的，不过目前对它的研究仍然很活跃。氢键的方向性决 定了它是分子间作用力中最重要的一种。氢键的作用可以决定分子的构型、聚集方式。 氢键作用无论是从无机界还是到生物体内都大量存在，具体涉及氢键的研究领域包括矿 物学、材料学、无机化学、有机化学、超分子化学、生物化学、分子药物学及药理学等， 所有这些领域的研究都促进了氢键研究向i ；i 发展i l 。 为了了解和运用氢键，首先看一下氢键的传统定义：假如对于x h a 的作用，如 果同时满足下面两个条件就叫“氢键”，一是x h 和a 之间形成局域的键：二是x - h 是 a 的氢键供体。第二个条件的形成与x h 和a 的酸碱性质有关，从化学反应的角度来 说，氢键过程可以看做从x h 到a 的初始化质子转移反应。除了上述经典定义以外， 还有氢键的一些特殊定义，这些定义一般是基于仅仅用某些特殊技术才能检测到的一些 性质，比如一些氢键也可以通过一些晶体结构相互作用的构型来定义，或者是通过红外 光谱中的某些效应来定义【”1 6 1 。不过本论文所涉及的都是传统的氢键体系。 d ) ( 一h a a d 1 ，a x _ 一h ：7 。 分a b d 2 ，a x _ 一h 三堕a 啦a c 图i 7 氢键的不同作h j 类型 f i g i 7 d i f f e r e n tt y p e so fh y d r o g e nb a n d 在氢键x h a 里，x h 叫质子供体或氢键供体，a 叫质子受体或氢键受体。最简 单的氢键是一个质子供体和一个质子受体作用，由于氢键的作用距离比较长，一个氢键 供体有可能同几个受体同时作用( 图1 7 ) ，虽然从原理上讲，一个供体可以和多于三个 受体同时作用，不过在具体情况中很难遇到，因为这时受体很拥挤。同样，一个氢键受 体也可以和一个或多个供体作用，由于氢键供体体积较小，有时一个氢键受体甚至会与 多于五个供体同时作用。 氢键是一种复杂的包含几种不同性质的作用力，整体氢键能( e 。是由经典静电引 力能( & 1 ) ，极化能( e p o i ) ，电荷转移能( c 1 ) ，弥散能( e d i 。p ) ，交换排斥能( 三e f ) 等 组成。这些能与距离或角度阳j 的性质关系各不相同。静电能是一种有方向的长程作用能， 然而极化能随着距离的增加迅速降低，而电荷转移能随距离增加下降更快，弥散能是随 基于p e t 和分子间氢键机理的阴离子探针 距离变化各向异性的一种能，交换排斥能是随距离增加下降最快的能。上述仅仅考虑能 与作用距离间的关系，此外从角度的关系上考虑，情况要更为复杂一些。随着质子给体 和受体之倒距离增加，静电引力作为一种长程作用力会起圭导作用。由于氢键强弱受众 多因素的影响，所以化学上修饰质子供体或受体的结构，或者外界环境改变，都可以影 响氢键的主导作用力从一个变为另外一个。 x h a x - h a + ( 1 1 ) 对氢键过程的重要理解是可以把氢键过程看为初始化的质子转移过程。整个过程可 以用式i t 表示。从这个角度而言一个稳定存在的氢键x - h a ，可以把它看作是一个 被“冻结”的质子转移反应，这就意味着h a 键已经部分形成，相应的x - h 之间的键合 能力减弱。可想而知，在强的氢键作用中，有可能发生从氢键供体到受体的质子转移反 应。这样氢键形成过程就必须考虑质子供体和受体的酸碱性，质子的亲和性。上述理解 可以把氢键和质子转移区分开来，只有把那些“冻结”的质子转移反应才可以叫为氢键作 用。 设想如果在这个被“冻结”的质子转移反应中，质子供体x h 的酸性继续增强而质 子受体的给电子能力也增强，即受体的碱性增强，式1 1 的“冻结”反应就有可能被“解冻”， 向真正分子问质子转移的方向发展，这样氢键供体x h 的共价键断裂，形成去质子化合 物x 一和质子化的化合物h a ，如下式： x - 4 - a x 一+ h a + ( 1 2 ) 从上面的讨论可以看出，如果质子供体的酸性和供体的碱性足够强，就有可能发生 从质子供体到受体的分子间质子转移反应，而阴离子是一种非常强的质子受体，这样在 阴离子氢键识别中，就有可能发生质子转移反应，这就使得发展一系列基于分子间质子 转移机理的阴离子探针成为可能。奇怪的是，从1 9 9 6 至u 2 0 0 4 年这段阴离子探针分子设计 的高蜂里，虽然文献中有大量关于基于氢键作用的阴离子探针的报道，但是大家忽略了 这种氢键识别过程发生质子转移的可能性，不过这种现状在2 0 0 4 年底被意大利著名教授 f a b b r i z z i 的研究组改变【l7 1 ，他们首次系统讨论了氢键阴离子识别过程中的质子转移问 题。 他们研究的是如图1 8 所示的简单硝苯基脲化合物1 8 ，在乙腈溶液中，化合物1 8 加入 醋酸根离子以后，溶液颜色从无色变为黄色；不过当加入氟离子以后，溶液颜色呈分步 变化，当加入1 摩尔当量的氟离子以后，颜色从无色变到黄色，继续加入氟离子到2 摩尔 当量，溶液变为红色，经过单晶结构及吸收滴定分析得知。醋酸根离子诱导的颜色变化 是因为生成了1 8 - 醋酸根的氢键络合物所致；而氟离子诱导的第一步颜色变化是由于形 大连理t 大学硕士学位论文 成了1 8 氟离子的氢键络合物，第二步颜色变化是由于氟离子诱导化合物去质子化，去 质子产物发生电荷转移的缘故。 图1 8 硝苯基脲化合物1 8 与氟离子及醋酸根离子作用后颜色变化 f i g 1 8 t h ec o l o r c l l a n g o f l 3 b i s ( 4 - n i l z o p h e n y l ) - u r e a a f t e r t h ea d d i t i o no f n r i d e a n da c e t a 把i o n s 他们研究组接下来的工作是寻找类似的体系，更为系统的研究阴离子识别过程的氢 键及质子转移过程，比如他们研究了基于萘酰亚胺培1 、苯并嗯二唑1 1 9 】、硫脲1 2 0 1 和三足 阴离子受体2 ”。 1 5 2 基于氢键作用的阴离子探针研究进展 m州 n h ，州 渤渤 1 9 r = - h2 1 2 0 i p c f 3 r r = h n 乜：，- - r h n 氐 t g u n n l a u g s s o n 等人合成并应用荧光光谱研究了葸基硫脲受体1 9 2 1 【2 2 l 。f 结合 受体分子时，发光基团葸的荧光被猝灭。其作用机理是阴离子与受体分子结合后，增大 了与蒽相连的n 原子的电荷密度，激发态发生p e t 过程，导致葸的荧光猝灭。例如，对 手受体2 0 ，加入3 2 当量的f ，9 0 的荧光被淬灭。利用荧光法测得结合常数l g k ( m o l “ l ) 分别为3 3 4 ( f - ) , 2 5 5 ( a c o ) 和2 0 5 ( h 2 p 0 4 _ ) 。同时文中还提出了取代基对阴离子识别作 用灵敏度的影响，强拉电子取代基( - c f 3 ) 因增强受体分子n h 质子的酸性，可增强受体 与阴离子间的结合能力。以此为基础，最近他们又报道了蒽环既为连接基团又为发光基 团的伸展双臂式硫脲受体2 2 田j ，利用其双臂结构特点识别二元羧酸根离子。取代基的 不同可调节受体对阴离子识别作用的选择性和灵敏度。2 2 与f - ，a c o 或h e p 0 4 等形成 。审 基于p e t 和分子间氢键机理的阴离子探针 l ：2 型配合物，受体荧光被猝灭。与其它阴离子比较，f 离子因其半径小、电荷密度高 可形成更为稳定的配合物，荧光猝灭最为显著，而i 。和b r 的作用极弱。 化合物2 3 是基于萘荧光母体的阴离子荧光探针，有两个研究组争相报道其阴离子 识别性质。t a r t 等人口】发现在d m s o 与乙腈体积比为2 ：3 的极性混合溶液中，氟离子可 以引起探针荧光的增强，然而其它卤素离子能使得探针荧光淬灭，核磁滴定表明氟离子 可以和探针分子形成l ：l 的氢键络合物，量化计算可以看出，氟离子络合可以导致络合 物具有更大的刚性，其它离子不能与探针形成刚性络合物。l e e 等人弘刈同时也研究了该 化合物，不过是在极性稍小的d m s o 与乙腈体积比为1 ：9 的混合溶剂中进行的，奇怪的 是，在这种溶剂中，阴离子荧光响应有所改变，氟离子的加入不仅可以使3 7 9 衄处的 荧光得到增强，同时还可以形成位于4 4 5 姗的新的发射峰。 玉内曲：卑趣 叫茎鞋掣啦参吣叶参 扩p 扩b b & l 2 5 2 62 7 化合物2 4 i 驯是最早研究的二茂铁一萘偶合探针，在d m f 溶液中可以检测到微弱的 萘荧光母体发出的荧光，当加入氟离子以后，荧光增强1 2 倍，而磷酸二氢根离子仅仅 引起不超过2 倍的增强，其它卤素阴离子如氯离子、溴离子以及硫酸氢根离子均不能引 起荧光的增强，核磁滴定表明化合物2 4 能与氟离子能够形成l ：2 的氢键络合物，而与磷 酸二氢根离子形成1 ：l 的氢键络合物。之所以化合物2 4 络合阴离子以后荧光得到增强是 因为阴离子氢键络合阻止了前面提到的从激发态的萘到二茂铁的氧化型p e t 电子转移 反应，进而探针荧光得到增强。最近m o l i n a 等人研究结构上与化合物2 4 类似的二茂铁 一萘偶合化合物2 5 ，2 6 1 2 7 j 及2 7 2 s ，对化合物2 5 及2 6 而言，氟离子、，醋酸根及磷酸二 氢根等离子虽然可以与探针分子形成较强的氢键络合物，但是它们并不能象对2 4 一样， 8 h ，卜 卜、h o = ”qo u 叫3 a l a 2 is h 小一 i ，一0 1 人幻 。 a 3 j a 4 m 、 州心：叫、一n n 。： 。：仪。且卜卜 慨 hh a 7 。：n 打q a 9 。：o ”、n 岭。： a 1 1 a 1 2 o 屺 、心酊凡公 h n 一 刚 心 人连理r 人学硕+ 学f 论文 2 2 实验部分 2 2 1 实验仪器与试剂 h p l1 0 0h p l c m s 质谱仪( 美国h p 公司) ，v a r i a ni n o v a 4 0 0 ( 4 0 0 m h z ) 核磁共振仪( 美 国v a r i a n 公司，t m s 为内标) ，h p 一8 4 5 3 紫外一可见分光光度计，9 7 0 c r t 荧光分光光度 计，b s 一2 1 0 s 万分之一电子天平( 德国s a t o r i u s 公司) ，p b 2 0 标准型p h 计( 德国s a r t o s i u s 公司) 。 光谱测试所用乙腈和甲醇为色谱纯试剂，其余所用试剂药品均为市售分析纯药品。其中 部分试剂经过除水处理。 2 2 2 缩氨基硫脲类氟离子探针的合成 氨基硫脲的合成 在2 5 0m l 的单口烧瓶中加入5 8 8g 水合肼( 8 5 的溶液，lm 0 1 ) 以及3 0m 1 的水作为溶 剂，然后分液漏斗加入c s 2 ( 1 5 2g , 0 2m 0 1 ) 约1 2 0 6m l ，搅拌下加热回流4h 。反应物在 室温下冷却后，再用冰水浴冷却3 0m i n 后，减压过滤后用乙醇，乙醚沈涤滤饼，真空干 燥得到黄色粉术。水中滴加盐酸后，用稀酸液重结晶得到白色晶体中间体，称量得1 0g ， 产率4 7 2 。熔点1 6 8 1 7 2 。 卡巴肼的合成 称取碳酸二甲酯( 3 0g , 0 3 7 5 m 0 1 ) 和2 l m l 水合肼( 8 0 ) 在1 0 0 m l 单口烧瓶中混合后。 在5 0 ( 2 下搅拌反应3 0m i n ，冷却至室温，析出白色针状晶体，减压过滤得到5 5g 粗品的 单肼取代的碳酸二甲酯；根据第一步反应制得的粗产物约( 5 5g ，0 0 6 9m 0 1 ) 按摩尔比1 ： 2 加入8 0 的水合肼8m l ，5 0 c 下反应3 0m i n ，真空蒸出未反应物和水分，烧瓶内剩余部 分用冰水浴冷却，析出白色晶体3 6 5 5g ，产率1 2 1 ，熔点：1 4 7 1 4 9 。a p i e sm a s s ：m z ( p o s i t i v e i o n m o d e ) 9 1 o ( 【m + h 】十，l o ) ，1 1 3 0 ( m + n a 】+ ，1 0 0 ) 化合物a 1 的合成 氨基硫脲( 1 0 6g ，t 0 0m m 0 1 ) 溶于5 0m l 水中，搅拌下往混合物中加入对硝基苯甲醛 ( 3 7 8g ，2 5 0m m 0 1 ) 在1 0m l l 醇中的溶液。混合物在搅拌下回流5h 。室温冷却，减压 抽滤得到固体产物。粗产物用无水乙醇重结晶，产物为黄色粉末，产率5 5 ，9 ，熔点 2 3 4 2 3 7 。h n m r ( d m s o - d 6 ，4 0 0 m h z ) ：占1 2 3 8 ( s ，1 h ，n h ) ，1 2 0 3 ( s ，i h ；n h ) ，8 7 2 ( s ，l h ，c h = n ) ，8 0 2 8 3 3 ( m ，9 h ) ；”c - n m rj1 7 5 5 ，1 4 7 9 ，1 4 6 7 ，1 4 1 3 ，1 4 0 4 ，1 2 8 5 ， 1 2 8 1 ，1 2 4 1 ；e s i m a s s - m z ( n e g a t i v e i o n m o d e ) 3 7 1 0 ( 【m h i ，1 0 0 ) 化合物a 2 的合成 基丁p e t 和分子间氢键机理的阴离子探针 称取氨基硫脲( 1 0 6 9 ，l o ，o m m 0 1 ) 溶于5 0 m l 水中，置于1 0 0 m l 单口烧瓶内。搅拌下往 混合物中加入1 0m l 苯甲醛( 2 6 5g ，2 5 0m m 0 1 ) l 拘乙醇溶液。混合物在搅拌下回流5h 。 室温冷却，减压抽虑得到固体产物。粗产物用无水乙醇重结晶，产物为白色粉末，产率： 7 3 3 ，熔点，2 0 0 2 0 1 1 h n m r ( d m s o 一, 6 , 4 0 0m l t z ) ：6 1 1 6 5 ( b ，2 h ，n t t ) ，8 2 6 8 5 9 ( b ，2 h ，c h = q ) ，8 7 8 2 ( b ，4 h ，a r r ) ，7 4 2 7 4 9 ( m ，6 h ，a r h ) ；”c n m r8 1 7 4 8 ，1 4 8 6 ，1 4 3 _ 3 ， 1 3 4 1 ，1 2 3 0 ，1 2 8 7 ，1 2 7 3 ；e s i m a s s ：m z ( p o s i t i v ei o nm o d e ) 3 0 5 1 ( 【m 坩q a 】，3 8 ) ，5 8 7 2 ( f 2 m + n a 】+ ，1 0 0 ) 化合物a 3 的合成 称取n ，n 二甲基氨基苯甲醛( 3 。2g , 2 1 。4 5r e t 0 0 1 ) 溶于4 0m l 的乙醇( 7 5 ) 中，加入研 磨的氨基硫脲( 1 0 3 5g 。9 7 5r n m 0 1 ) 。搅拌下回流3h ，反应结束后加入几滴冰醋酸， 室温下放置过夜，沉淀，过滤，得到黄色沉淀，橙黄色液体。粗产物用柱色谱分离提纯， 展开剂为c h 2 c 1 2 ：c h 3 0 h = i o ：i ( v v ) ，产物为黄色粉末。产率：6 3 3 ，熔点，2 4 5 2 4 7 1 h n m r ( d m s o 一, 6 ，4 0 0 m h z ) ：万1 1 5 0 ( b ，1 h ，n h ) ，占l l ，1 8 ( b ，i h ，n h ) ，8 4 3 ( b ，i h ， c h = _ n ) ，87 9 9 ( b ，i h ，c h = n ) ，7 5 5 7 6 7 ( b ，m ，4 h ，a r h ) ，6 7 6 ( b ，4 h ，a r h ) ，2 9 8 ( s ，1 2 h ， n c h 3 ) ；”c - n m r 艿1 7 3 8 ，1 5 2 1 ，1 4 9 7 ，1 4 4 5 ，1 2 9 6 ，1 2 9 1 ，1 2 2 3 ，1 2 1 9 ，1 1 2 4 ，4 0 4 ； e s i - m a s s ：m z ( p o s i t i v ei o nm o d e ) 3 6 9 1 ( 【m + h 】十，3 0 ) ，7 5 9 3 ( 2 m + n a + ，1 0 0 ) 化合物a 5 的合成 在带有电磁搅拌的5 0m l 单口烧瓶中加入( 2 1 2g ，2 0r e t 0 0 1 ) 氨基硫脲溶于适量水中，搅 拌下滴j 口( 5m m o l ，0 7 4 5g ) 4 - ( n ，n 二甲基氨基) 苯甲醛的乙醇溶液，搅拌回流3h 。室温冷 却，冷却减压过滤，粗产品用乙醇重结晶。产品为黄色粉末。产率：6 0 8 ，熔点，1 7 8 1 8 0 1 hn m r ( d m s o - 比，4 0 0m h z ) ：j1 1 1 9 ( s ，i h ，n h ) ，9 5 5 ( s ，1 h ，n h ) ，7 8 9 ( s ，l h ， c h = n ) ，7 6 l ( d ，= g 0h z ，2 h ，a 娜) ，6 6 8 ( d ，j = 8 0h z 2 h ，a r h ) ，4 8 0 ( s ，2 h , n i t 2 ) ， 2 9 6 ( s ，6 h ，c h 3 ) a p i e sm a 船：m l z ( p o s i t i v ei o nm o d e ) 2 3 8 1 ( 【m + h 】+ ，1 0 ) ，2 6 0 0 ( 【m + n a 】+ ，1 0 0 ) 。4 9 7 2 ( 2 m + n a l ，4 0 呦 化合物a 6 的合成 称取1 0 6g 氨基硫脲溶于适量水中，置于5 0m l 单口烧瓶内，搅拌加热下加入1 5 1g 对 硝基苯甲醛的乙醇溶液。搅拌下回流3h 。室温冷却，析出的固体后减压抽虑。固体用 乙醇重结晶，真空干燥。产物为黄色粉末。产率：8 8 0 ，熔点，2 0 3 9 2 0 5 8 1 2 。h n m r ( d m s o - a k ，4 0 0m h z ) ：万1 1 7 6 ( s ，1 h ，n i - t 、) ，10 1 7 ( s ，1 h ，n h ) ，8 2 2 ( d ，= 8 0h z 2 h ， a r h ) ，8 1 3 ( d ，d ；8 0h z , 2 h ，斛i ) ，8 0 9 ( s ，1 h ，c h - n ) ，