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硕士学位论文瓜环与苯并昧唑衍生物相互作用的研究 摘要 近年来，超分子化学或者主客体化学作为化学研究的一个热点，受到了越来越广 泛的关注。超分子化学是研究有关两个或者两个以上化学物种通过分子间作用力缔合 而形成具有更高复杂性的有组织实体，是研究超分子或者超分子结构的形成、性质及 应用的化学。在主客体化学中，人们对冠醚、环糊精、杯芳烃作了大量的研究，而随 着一类新型笼状化合物一瓜环及其同系物的出现，因其具有良好的刚性和疏水空腔， 使瓜环成为能装载各种大小和性质各异的分子容器，或是使客体分子覆于瓜环端口自 组装形成分子胶囊或分子胶囊壳，以不同瓜环为主体的主客体化学、超分子化学的研 究报道逐年增多。 基于以上研究背景，本论文选择了三种苯并咪唑衍生物，即2 一苯并咪唑甲醇( 记 为g e l ) 、2 - 苯并眯唑丙酸( 记为g e 2 ) 、2 - 胺基苯并咪唑( 记为g e 3 ) ，利用1 hn m r 技术，紫外吸收光谱法和荧光光谱法三种现代分析方法，考察了瓜环 ( c u c u r b i t n u r i l sn = 6 8 ) 与这三种化合物相互作用的情况，并计算出平衡常数。 研究结果表明：六元瓜环( q 6 ) 能与g e l 、g e 2 及g e 3 的盐酸盐相互作用形成包 结比为1 ：1 的主客体配合物：八元瓜环( q 8 ) 与g e l 、g e 2 及g e 3 的盐酸盐相互 作用形成l ：2 的包结配合物；而七元瓜环( q 7 ) 与g e l 、g e 2 及g e 3 的盐酸盐的 相互作用比较复杂，且1 hn m r 技术与紫外吸收光谱法和荧光光谱法测试的包结比不 一致，其原因还有待于进一步的考察研究。 此外，本文还考察了溶液的酸碱度对瓜环与g e l 、g e 2 及g e 3 的盐酸盐相互作 用的影响情况。实验结果表明：在p h 约为o 7 的范围内，q 6 、q 7 、q 8 与2 一 苯并咪唑甲醇、2 一苯并眯唑丙酸、2 一胺基苯并咪唑作用明显，而p h 7 时，用紫外吸 收光谱法和荧光光谱法未检测到它们的相互作用。 最后，本论文还利用紫外吸收光谱法测定了六、七、八元瓜环对2 一苯并咪唑甲 醇、2 一苯并咪唑丙酸、2 一胺基苯并咪唑的回收率和检出限。实验结果表明：q 6 、q 7 、 q 8 对g e l 、g e 2 及g e 3 回收率均在9 8 1 0 5 之间，结果理想。 关键词：瓜环苯并咪唑衍生物核磁共振技术紫外吸收光谱法荧光光谱法 包结配合物稳定常数回收率 2 硕士学位论文瓜环与苯并咪唑衍生物相互作用的研究 a b s t r a c t s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r yr e s e a r c ho b j e c t i sak i n d o fa g g r e g a t et h a ti s c o m p l i c a t e d ，o r d e r l y , a n da l s oh a sas p e c i a lf u n c t i o nu n d e r t h ec o n d i t i o no fn o n c o r a lb o n d w e a kn u t u a le f f o r tj o i n t i n g ，i t sak i n d o fc h e m i s t r yr e s e a r c h s u p r a m o l e c u l a r o r s u p r a m o l c c u l a rc h e m i s t r y sp r o p e r t i e s a n d a p p l i c a t i o n n o w a d a y ss u p r a m o l e c u l a r c h e m i s t r yo rh o s t g u e s tc h e m i s t r yh a sb e c o m eo n eo ft h eh o tf i e l d so fc h e m i c a lr e s e a r c h d u et ot l l e i rs p e c i a ls t r u c t u r e ，c u c u r b i l 【n 】u r i l sa r eb e c o m i n gas e r i e sn e wh o s t sa f t e rc r o w n e t h e r , c y c l o d e x t r i na n dc a l i x a r e n e ，a n da r eo n eo ft h ei m p o r t a n ti n v e s t i g a t i o no ft h e s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y i n t h i s p a p e l t h es t r u c t u r e s a n d o p t i c a lp r o p e r t i e s o f h o s t - g u e s t o f c u c u r b i t n = 6 8 j u r i e sw i t hs o m eb e n z i m i d a z o l ed e r i v a t i v e s ( 2 - b e n z i m i d a z o l e m e t h a n o l ( g e l ) ， 2 - b e n z i m i d a z o l e p r o p i o n i c ( g e 2 ) a n d2 - a m i n o b e n z i m i d a z o l e ( g e 3 ) ) h a v eb e e ni n v e s t i g a t e d b y hn m rs p e c t r o s c o p y ，e l e c t r o n i ca b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y a n df l u o r e s c e n c e s p e c t r o s c o p y 1 1 l ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sr e v e a lt h a ta - n q n 以d a t aa n di f - n q 种t d a t af o r t h es a m es y s t e mc a nb ew e l lf i t t e dt ot h es a m eb i n d i n gm o d e l p a r t i c u l a r l y , t h e a - n q i n n g u md a t aa n di f - n q 【n 】n p 日d a t aa n d 1 hn m rd e t e r m i n a f i o nf o rt h r e eq 6 1 一g e ( t 一3 ) s y s t e m sa n dt h r e eq 【8 】- g e ( 1 3 ) s y s t e m sa r ea l lf i r e dt oa1 ：1a n d1 ：2b i n d i n gm o d e l r e s p e c t i v e l y m o r e o v e r ，t h ee f f e c to fp hf o rr e c i t ) r o c i t yb e t w e e nc u c u r b i t n = 6 - 8 u d l sa n ds o m e b e n z i m i d a z o l ed e r i v a t i v e sh a sb e e ni n v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sr e v e a lt h a tt h e r e c i p r o c i t yo fc u c u r b i t n = 6 8 u r i l sw i t hs o m eb e n z i m i d a z o l ed e r i v a t i v e si sr e m a r k a b l ei n t h ec o n d i t i o no f0 p h 7 w h i l et h ep hi s h i g h e rt h a n7 t h er e c i p r o c i t yo f c u c u r b i t i n = 6 8 u r i l sw i t hs o m eb e n z i m i d a z o l ed e r i v a t i v e sh a sn o tb e e no b s e r v e db y e l e c t r o n i ca b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p ya n df l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p y i n t h el a s t ，t h er e c o v e r yr a t i oo fc u c u r b i t n = 6 8 】u r i l sa n ds o m eb e n z i m i d a z o l e d e r i v a t i v e s ( 2 - b e n z i m i d a z o l e m e t h a n o l ，2 - b e n z i m i d a z o l e p r o p i o n i ca c i da n d2 - a m i n o b e n - z i m i d a z o l e 分h a v eb e e ni n v e s t i g a t e db ye l e c t r o n i ca b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sr e v e a lt h a tt h er e c o v e r yr a t i oi sb e t w e e n9 8 a n d1 0 5 t h er e s u l ti s i d e a l k e y w o r d s ： c u c u r b i t ( n = 6 7 8 ) u r i l s ， b e n z i m i d a z o l ed e r i v a t i v e s ， 1 hn m rt e c h n i q u e s ，u v 二 a b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y , f l u o r e s c e n c e s p e c t r o s c o p y ， i n c l u s i o n c o m p l e x e s ， s t a b i l i z a t i o nc o n s t a n t ，r e c o v e r yr a t i o 3 硕士学位论文瓜环与苯并眯唑衍生物相互作用的研究 第一章综述 大环超分子化学是处于近代化学，材料科学和生命科学交融的前沿学科“1 ，其研 究对象是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 、体嘲。超分子化学是共价键化学的一次升华、一次质的超越，被称为是“超越分子概 念的化学”，它不仅在材料科学和信息科学中有重要的研究意义，而且在生命科学中 也具有重要的理论意义和潜在的广阔的应用前景。在主体化合物中，人们对冠醚 ( c r o w ne t h e r ) 、环糊精( c y c l o d e x t r i n ) 、杯芳烃( c a l i x a r e n e ) 做了大量的研究， 发现由于它们具有特定的空穴内腔，可以和多种客体形成主客体自组装结构。而瓜环 ( c u c u r b i t u r i l s ) 及其同系物的发现，又为超分子化学和主客体化学提供了一个重 要的研究领域。近年来，一系列改性瓜环不断出现，如十甲基取代瓜环“、二苯基取 代瓜环、五及六环己基取代瓜环“1 等，各种有可能合成改性瓜环的改性甘脲也有所 报道旷”1 。最近，我们研究组利用自己合成得到的甘脲二聚体“”，合成得到了对称四 甲基六元瓜环，对称六甲基六元瓜环、二甲基取代五元瓜环等一系列新型瓜环“”。这 使瓜环成为继冠醚、环糊精、杯芳烃后的又一主体化合物，成为超分子化学的又一重 要研究领域。 1 1 瓜环的合成与命名 瓜环( c u c u r b i n t u r i l r 7 = 5 - 1 2 ) 是一类由n 个苷脲单元和2 n 个亚甲基桥 联起来的大环笼状化合物，最早是在1 9 0 5 年由德国化学家b e h r e n d 等首次合成，但 直到1 9 8 1 年f r e e m a n 等学者重新研究这个反应后，才首先确定了其中力= 6 的大环 化合物的结构，表明其与金属盐的晶状加合物实为包结配合物。谱学数据( i r 、1 h n m r ) 以及元素分析表明其化学计量式为( c 。h 扎0 ：) n 。从硫酸溶液中得到了其酸式硫酸钙 配合物，x 射线单晶衍射分析其组成为( c 。h 批0 。) 。c a s 仉h ：s n ( h ：0 ) 。，其有机部 分是一种二甲桥甘脲的环状六聚体，所有的环通过胺链连接在一起“3 、”。由于该类化 合物的系统命名特别复杂，f r e e m a n 建议用c u c u r b i t u r i l ( 中文译作葫芦脲或瓜环) 来命名该种化合物，因为其外部特征与葫芦或南瓜的形状( 葫芦目葫芦科的果实) 很 类似，为表明环中的结构单元数，可采用类似于杯芳烃的命名规则，称为葫芦 6 脲 或六元瓜环，这个英文俗名已被广泛接受，中文名目前还没有统一的名称。在遵循上 述原则的基础上，为简单起见，根据c u c u r b i t u r i 第一个字母的发音，结合结构单 元数，我们记之为q n ，如把六元瓜环记为q 6 等等。 4 硕士学位论文瓜环与苯并昧唑衍生物相互作用的研究 q 6 【1 5 1 是在酸性条件下，由甘脲和过量甲醛发生缩合而制得，b u s c h m a n n o 。在 f r e e m a n 的合成基础上，对合成步骤进行了优化，用下列方法( 反应式卜1 ) 可以安 全经济地制各。 h z 9 0 _ + 眦舯帘 。 反应式卜1六元瓜环的合成方法 在1 9 9 8 1 9 9 9 年度的研究中，南韩的k i m “”和澳大利亚的a n t h o n y 同时发现了瓜 环的同系物c u c u r b i h i t u r i l ( 疗= 5 1 0 ) ，并分离得到了c u c u r b i h i t u r i l ( 刀= 5 “8 ) ( 如图卜1 ) 。在稀硫酸溶液中，较低温度( 7 5 “1 0 0 。c ) 下反应得到瓜环的混合物， 经分离除得到q 6 外，还得到了q 5 、q 7 和q 8 。 图卜1 5 、6 、7 、8 元瓜环的结构示意图 由于瓜环的溶解性差，制约了瓜环的研究与应用，因此试图改善瓜环溶解性的 一系列的改性瓜环不断出现，如十甲基取代瓜环、二苯基取代瓜环、五及六环己基取 代瓜环等( 如图1 - 2 ) 。 s t o d d a r t “8 1 等用二甲基甘脲和3 7 的甲醛溶液在盐酸溶液中加热反应回流2 h ， 将得到的暗红色溶液再回流1 h ，然后慢慢冷却，经过滤水洗得到白色沉淀。由此制 得的单晶经x 一射线单晶衍射分析确定为十甲基五元瓜环( 反应式1 - 2 ) 。 5 辱。 硕士学位论文瓜环与苯并咪唑衍生物相互作用的研究 十甲基五元瓜环 对称四甲基六元瓜环二苯基取代六元瓜环 五及六环己基取代瓜环羟基取代瓜环 图1 - 2 一些改性瓜环的结构示意图 鼍火声。i 。：= 。主。 ?*。-4-：-|i-icltoi-inl q l f i 、豢 ： 一 - 、r 。：j ! ! ；= ：董0 o ：。；：。- 一一_ = ：曩董：。= ! _ = = 9 反应式1 - 2十甲基五元瓜环的制备方法 k i m ”1 则用环己烷并甘脲与甲醛在盐酸一硫酸中8 0 下反应，提纯得到全取代环 己基五元瓜环和全取代环己基六元瓜环( 反应式i - 3 ) 。通过谱图研究和x 射线单晶 衍射分析证实为五环己烷五元瓜环和六环己烷六元瓜环。令人欣喜的是，这种新的瓜 环衍生物与五、六、七、八元瓜环及十甲基取代五元瓜环相比，它们在通常的溶剂如 水、甲醇、d m s o 中有比较高的溶解性，在乙醇、d m f 、丙腈中也有比较合理的溶解度。 出人意料的是，尽管由于在其腰上有环己烷的存在，它们在水中的溶解度比在有机溶 剂的要大，六环己烷并瓜环在水中的溶解度和a 一环糊精相当。 6 硕士学位论文瓜环与苯并咪唑衍生物相互作用的研究 0q 窜一吾氍 李毒+ 臌l o 寺： 手车一一- 一- 、j 黼丫潮t c 划= ： 贵州大学应用化学研究所在合成改性瓜环方面也有所突破，赵云洁锄3 等用甲基苷 脲和苷脲二聚体反应，合成并分离出对称四甲基六元瓜环，反应式如下： + q 一彳 = q 廿 2一x j ! ! 。啦 h ，c _ 删，h h h 一曲、k c h =悄y n q y n = l ，2 ，3 ，4 ，5 反应式卜4 部分甲基取代瓜环的合成 郑利梅成功合成并分离出了部分取代的环己基取代瓜环哪3 。 反应式卜5 部分环己基取代瓜环的合成 c u c u r b i t s ，u 】u r i l 总之，由于瓜环同系物及系列改性瓜环的出现，拓宽了瓜环类主客体化学的研究 领域及应用范围。 1 2 瓜环的结构特征及性质 瓜环( oc n ) 是具有类似于南瓜外形的环状化合物，具有两端开口的空腔，其两 端口尺寸相同，空腔直径大于端口直径，每个端口各有与单元结构数相同的氧原子，同 时笼壁上有大量的氮原子，其数目四倍于单元结构数目。环绕在端口极性较强的羰基 形成了阳离子健和位点，可以通过离子一偶极相互作用和与脲羰基的氢键作用来键和 硕士学位论文瓜环与苯并昧唑衍生物相互作用的研究 金属离子或有机分子的带电部分。而其有机部分二甲桥甘脲的环状1 7 ( 力= 5 “1 0 ) 聚 体，通过所有的胺链连接成环，构成瓜环的非极性内腔，可以通过疏水基相互作用包 结有机分子，几种瓜环的结构参数列于表卜1 。从表中可以看出c u c u r b i i n t u r i l s ( 力 = 6 、7 、8 ) 空腔尺寸与0 【一、p 一、r 环糊精的相当哑“。与环糊精相同，瓜环的疏水空 腔，不仅可以包括有机分子，还可以根据其空腔的大小选择性的容纳尺寸、形状匹配 的客体分子。 瓜环的另一特征是其结构的刚性。由冠醚、杯芳烃、环糊精到瓜环，分子结构的 刚性依次增强。普通瓜环不能改变形状以适合客体分子，所以可以预期配位作用必 会伴随着极强的专一性，和极高的缔和常数。结构决定性质，在充分了解了瓜环的结 构特征之后，可以针对性的对其键合位点加以很好的利用。 从化学稳定性来看，环糊精为多聚醣类，因此在酸性或碱性环境下是不稳定的， 而瓜环在强酸性或强碱性介质中都具有良好的稳定性。 表1 - 1 瓜环的结构参数 念 q 5 】q 6 q 【7 q 【8 结构参数 端口直径m 0 2 40 3 90 5 4o 6 9 空腔直径m 0 “ 0 5 8 0 7 2 0 8 8 空腔体积n m 3 0 0 8 20 1 6 40 2 7 90 4 7 9 外径n m 1 3 11 _ 4 41 6 01 7 5 高度m 0 9 l0 9 l0 9 1o 9 1 1 _ 3 瓜环的应用 根据瓜环的结构特性可知，瓜环在分子识别。、化合物的捕集与分离、旋光性 物质的拆分、各种化学药物的吸附或缓释剂、催化剂乃至于功能纳米材料1 、自 组装结构啪1 以及超分子实体删等领域都将有广阔而巨大的应用前景和发展潜力。 在分子识别、超分子组装与自组装等领域，世界各国的科学家进行了卓有成效的探 索并取得了许多成就。 1 3 1 分子识别 硕士学位论文瓜环与苯并昧唑衍生物相互作用的研究 超分子形成过程是分子识别过程，是通过给定的受体( 主体) 分子结合和选择底 物( 客体) 过程。根据研究发现，瓜环能对某些金属离子和脂肪胺离子进行分子识别。 b u s h m a n n 等。”3 1 的研究表明q 6 厶与c d 2 + 形成稳定配合物：b r a d s h a w 等发现五环己 烷并q 5 对p b 2 + 具有很高的选择性，可用作离子选择性膜电极。d a y 等m 3 制得了 c i s s n c l 。( h 。0 ) ： q ，的包结物单晶。 f r e e m a n 和m o c k 等1 较详细地研究了q 6 与有机铵离子的相互作用，发现有机 铵客体分子能被包结进入瓜环内腔，形成较稳定的包结配合物。b u s h m a n n 等研究表 明，大小合适的众多染料分子可以与q 6 形成稳定的包结配合物。b a r t i k 等“3 应用 ”x en m r ，1 hn m r 谱图研究证实，在水溶液中氙可以可逆地进、出q 6 的空腔而形成 1 ：1 的主- 客体配合物。k i m 等发现2 ，6 - - - - - ( 4 ，5 - - - 氢- 1 h - 2 - 基) 萘分子太大，不能与 q 6 形成主一客体配合物，但可与q 7 形成1 ：1 包结配合物，与q 8 形成1 ：2 包结配 合物。 1 3 2 超分子组装与自组装 生物的奥秘和神奇不是由于特殊的结合力和特殊的分子与其体系，而是在于特殊 的组装体之中，这种通过组装所形成的稳定结构具有一些个别组件的特征无法预测的 新特性。作为超分子化学中非常重要的一类主体化合物，瓜环在组装与自组装方面有 着广泛的应用。 m o c k 等。7 1 基于h 翔( c h 2 ) 6 n h 3 + ( k f ：2 8 8 x 1 0 6 d m 3 m o l 。1 ) 和h 。+ n ( c h 2 ) n h ；( k f = 2 7 1 0 5 d m 3 m o l l ) 与q 6 包结常数的不同，设计得n t 反应式卜6 的分子开关。该开关响 应于溶液的酸度( 转换点) 。在此基础上，k i m 等发展了带有荧光信号的 反应式卜6 己二铵盐与六元瓜环形成的分子开关 轮烷分子开关。由六元瓜环穿在芴基三胺上形成的准轮烷是有荧光特性的可逆分子开 关。p h 值的变化可使分子珠( 六元瓜环) 由一个位置转换到另一位置，该过程将伴随 着颜色和荧光的变化，可供观察( 参见反应式1 - 7 ) 。 9 。奠隗咿越 曼卵一一们 = 一警一一一 -!哆 蔓o冯吣 扩 。rvh 硕士学位论文瓜环与苯并咪唑衙生物相互作用的研究 卜遍导茴固 反应式1 - 7 带有荧光信号的轮烷分子开关 由于瓜环具有中空的特殊结构，可作为链状化合物的受体，在合适的条件下，这 些链状化合物客体可穿过瓜环形成所谓的类轮烷，选择合适的化合物作为塞子以防链 状化合物从环中脱出，则形成轮烷。k i m 等啪1 将六元瓜环与1 ，4 一丁二铵盐溶于水中一 段时间后，向溶液中加入2 ，6 一二甲基吡啶，将p h 值调至8 ，再加入2 ，4 一二硝基氟苯， 则可得到如图1 - 3 所示的轮烷，中心轮轴两端体积大，阻止轮烷的瓜环脱离。 黼警掺 蛹枣冷并罐案铲蕊 图卜3六元瓜环与1 ，4 - 丁二铵盐、2 ，6 - 二甲基吡啶形成的轮烷 b u s c h m a n n 等1 用联胺和六元瓜环形成类轮烷，以不同的甲酰氯( 苯甲酰氯、1 一 萘甲酰氯、2 一萘甲酰氯、3 一苯基丙酰氯、联苯一4 一酰氯、环己基甲酰氯和3 ，4 ，5 一三 甲氧基苯甲酰氯) 封端，以1 0 一9 0 的产率制得轮烷( 如图卜4 ) 。 鼬圆醚彗圆鲻： 图卜4六元瓜环与联胺、不同的甲酰氯形成的 2 轮烷 1 3 3 分子催化 基于瓜环对铵离子的特殊的专一性，m o c k 删等进行了炔烃和烷基叠氮的1 ，2 一 偶极环加成反应，其中所使用的炔烃和烷基叠氮均带有一个末端胺基以使它们与q 6 形成稳定的配合物。这一环加成反应在稀甲酸溶液中缓慢进行时生成三唑和一个区域 异构体，但当加入催化剂量的q 6 则使反应大大加速( 5 5 x1 0 倍) ，且生成区域专 一的产物。这应归因于瓜环与两反应物之间形成了过渡态的三元配合物。这两种底物 的铵离子分别与羰基端口配位，非极性部分穿入瓜环的空腔，从而促进了环加成反应 ( 反应式1 - 8 ) 。 1 0 硕士学位论文瓜环与苯并昧唑衍生物相互作用的研究 坞n 一鼬- c 三c l t +n = n 甜l c i 卜a 毛- n 融 南咖喻一( c 蛐 反应式卜8 炔烃和烷基叠氮的1 ，2 一偶极环加成反应( q 6 为催化剂) s t e i n k e 等m 1 由2 ，6 一二氯甲基一3 ，5 一二甲苯分别制各相应的炔烃和叠氮，然后借 助在q 6 中发生环加成反应，形成聚轮烷组装体。他们还使用小的双功能化炔烃和 叠氮，通过q 6 的催化作用，同样可以得到线状低聚三唑聚轮烷组装体。调节p h 值， 可以把其从q 6 空腔中抽出1 。 1 3 4 分子容器 六元瓜环与n a 、k + 等金属离子可形成t h f 、苯、环戊酮和呋喃等的分子容器组装 体，可以包结、释放客体分子，通过调节溶液的p h 值端口金属离子的键合与解离来 控制“”。六元瓜环也可与c s + 形成l ：2 的配合物，加入t h f 后则形成一种新型的金属 离子作底的分子碗，该分子碗可以可逆地包结客体，可逆性受介质的酸性控制。 1 3 5 分子包结 由于瓜环的特殊空腔，故可以形成分子包结物。b l a n c h 等1 制备并表征了七元 瓜环与邻碳硼烷形成的稳定包结配合物( 如图卜5 a ) 。k i m 等将大环( 1 ，4 ，7 ，1 0 - 四 氮杂十二烷或l ，4 ，8 ，l l 一四氮杂十四烷) 先包结入八元瓜环中，形成大环中的大环， 然后加入一个过渡金属离子又可以与内大环键合( 卜5 b ，卜5 c ) 。a n t h o n y 等h 9 3 分离得 到了五元瓜环十元瓜环，即五元瓜环包结在十元瓜环中，形成很稳定的配合物，其 结构经x 射线晶体分析确证( 图1 - 5 d ) 。 黛囝 獭； 图卜5客体与瓜环形成的包结物( 依次为a ，b ，c ，d ) 总之，六元瓜环及其家族新成员为我们提供了一个全新的研究课题，由于瓜环具 有的各种性质，使它们在诸多的研究领域如在环境治理、金属离子的选择性吸附和捕 集、纳米新材料、生物医学等都有比较广阔的前景。 硕士学位论文瓜环与苯并昧唑衍生物相互作用的研究 1 4 本文工作 如前所述，瓜环可以和多种客体物质相互作用形成主客体包结配合物，尺寸效 应是主客体相互作用的主要机理之一，对于苯并咪唑类衍生物与瓜环相互作用的研究 未见报道。苯并咪唑衍生物及其金属配合物一直都是研究热点。1 ，之所以引起人们极 大的研究兴趣，主要是由于这类化合物具有良好的生物活性，许多药物是苯并咪唑衍 生物或其配合物。“1 ，其中最重要的两类是抗寄生虫药和质子泵抑制剂。在自然界， 苯并咪唑衍生物作为许多酶的活性中心功能基，参与了重要的生物化学反应，对生命 活动起着十分重要的作用嘲1 。随着苯并咪唑及其衍生物的广泛应用，对这类物质的相 关研究也具有重要的学术价值和使用价值。由于苯并咪唑类衍生物是具有共轭n 键的 平面分子，所以具有良好的光化学性质。本文利用核磁共振技术、紫外吸收光谱法、 荧光光谱法等现代分析技术，考察了瓜环与三种苯并咪唑类衍生物( 即2 一苯并咪唑 甲醇、2 一苯并咪唑丙酸、2 一胺基苯并咪唑) 的相互作用情况，并对瓜环与这类客体相 互作用模式、作用机理进行了更深入的研究。 此外，本文还考察了溶液的酸碱度对瓜环与这三种苯并咪唑类衍生物相互作用的 影响情况。同时还利用紫外吸收光谱法测定了六、七、八元瓜环对三种苯并眯唑类衍 生物的回收率和检出限初步建立了瓜环对三种苯并咪唑类衍生物的紫外测定方法。 硕士学位论文瓜环与苯并咪唑衍生物相互作用的研究 第二章瓜环与苯并咪唑衍生物相互作用及作用模式的测试 如前所述，瓜环在继冠醚、环糊精和杯芳烃之后，成为了另一类新兴的主体化合 物。瓜环是一类具有独特空腔的刚性大分子，随着瓜环聚合度的增大，其端口直径从 最小0 2 4 n m ( q 5 ) 增大到最大1 3 1n m ( q 1 0 ) 。近年来，对于主体和客体分子自组 装相互作用的研究正受到越来越多的关注。 利用紫外吸收光谱法、荧光光谱法研究冠醚、环糊精的主客体化学已有很多报道， 而用于研究瓜环与客体的作用还不多见，由于这类光谱分析方法有较高的灵敏度，特 别适用于瓜环以及一些在水介质中溶解性差的主客体分子相互作用的研究，这不仅能 研究以瓜环作为受体分子的识别特性、自组装结构特征的考察，而且用发光基团修饰 来构造发光超分子体系，对发光超分子体系的光敏和识别性质进行研究具有重要的意 义和广泛的应用前景。本文利用紫外吸收光谱法、荧光光谱法对六元、七元、八元瓜 环与2 一苯并咪唑甲醇( g e l ) 、2 - 苯并咪唑丙酸( g e 2 ) 、2 - 胺基苯并咪唑( g e 3 ) 问的 相互作用进行了考察，并通过1 hn m r 技术协同研究其光谱性质及结构特征。结果是 三种方法相互佐证，并由此推测出瓜环与这些客体的相互作用模式及作用机理。 2 1 实验部分 2 1 1 实验仪器及主要试剂 实验仪器：s a r t e o r i u s b s i1 0 s 电子天平，v a r i a ni n o v a 一4 0 0m 核磁共振仪， u n i c o t mu v - 2 1 0 2 p c 型紫外一可见分光光度计，r f - 5 4 0 荧光光度计( 日本岛津) ，p h s - 3 c 型p h 计，容量瓶若干。 实验试剂：q n ( n = 6 、7 、8 ) 为本项目组自制。”，2 一苯并咪唑甲醇( 记为g e l ) 、 2 一苯并咪唑丙酸( 记为g e 2 ) 、2 - 胺基苯并咪唑( 记为g e 3 ) 购自深圳迈瑞尔化学技术 有限公司，均为分析纯( 如图2 1 ) ，由于在水中溶解度较小，使用前需将各苯并咪 唑衍生物制成相应的盐酸盐。 2 1 2 待测溶液的配制 分别称取一定量的g e l 、g e 2 、g e 3 配制成1 2 5 x1 0 。3m o l l - 1 的溶液，并配制1 1 0 m o l l - 1 的q 6 、q 8 溶液及1 x 1 0 。3m o l l - 1 的q 7 溶液，由于溶解度的关 系，配制q 6 溶液时，加入少量的n a c i 固体。 摩尔比法：量取0 8 m lg e l 、g e 2 、g e 3 溶液于2 5 m l 容量瓶中，加入不同量的瓜 环，配制一系列不同主客体物质的量比的试液，在室温下测定其紫外吸收光谱，量取 硕士学位论文瓜环与苯并咪唑衍生物相互作用的研究 0 4 m lg e l 、g e 2 、g e 3 溶液于2 5 m l 容量瓶，用上述同样的方法配制一系列试液，测 定其荧光光谱。 等摩尔连续变换法( j o b 法) ：这种方法的特点是主体、客体的浓度都发生改变 但体系的总浓度为一定值，具体的配制方法是固定加入的主客体即( n 0 + n 。) 总浓度 为4 o o xl o - 5 m o l l ( 荧光测定总浓度为2 o o xl o - 5 m o l l ) ，逐渐改变主客体的物质的 量之比，配制成( n o ( n 卅k ) = o 1 0 、0 2 0 、0 3 0 、0 4 0 、0 5 0 、0 6 0 、0 7 0 、0 8 0 、 0 9 0 、1 0 0 ) 一系列待测溶液，测定其紫外吸收光谱( 或荧光光谱) 。 睁c h 褥吗唧班隅 o n lg e lg e 2g e 3 图2 - 1 瓜环与相关客体的分子结构不意图 2 2 结果与讨论 2 2 1q 6 与g e l 、g e 2 、g e 3 相互作用的1 hn 腿谱图分析 通常，瓜环与客体分子发生相互作用时，由于产生笼体或端口作用，瓜环对客体 分子的屏蔽或去屏蔽作用使客体分子所处的化学环境发生变化，从而会引起相应核磁 共振谱图的变化，根据这些变化可以了解主客体相互作用的情况以及主客体包结物的 结构特征。 图2 2 展示了q 6 与g e l 、g e 2 、g e 3 相互作用共存体系的1 hn m r 谱图及可能的 作用模式。与游离客体比较，在q 6 卜g e l 、q 6 卜g e 2 和q 6 卜g e 3 作用体系中，客 体的两种苯基质子共振峰( h x 和h y ) 向高场移动了0 6 - - 0 8 p p m ，这表明苯环上的 质子进入q 6 空腔内，因而受到了瓜环的屏蔽作用。同时，还观察到g e l 和g e 2 另 一端的亚甲基质子峰向低场移动了0 1m 3 5p p m ，表明这些亚甲基质子位于q 6 端 口的外侧，受到q 6 端口的去屏蔽作用( 比较图中实线联结的质子峰，虚线联结的 质子峰为体系中过量游离客体的质子峰) 。客体g e 32 位上的氨基质子由于在氘代水 介质中存在 i + 一d + 交换而无法从谱图中观察到，但根据其苯环质子共振峰化学位 移与g e l ，g e 2 相当( 万0 6 ) ，可推测客体g e 3 的氨基也位于瓜环端口的外侧。 1 4 硕士学位论文瓜环与苯并昧唑衍生物相互作用的研究 由于瓜环具有高对称性，不同聚合度的瓜环均仅显示出如图2 - 1 所示的瓜环单 元结构中的三组质子共振峰，即瓜环腰上的质子t t l ( 单峰，艿 5 3 ) ，联结苷脲并彼 此 詈e l l hh y i q 1 6 l g e l ( 1 ：2 ) 。心 一 i l。i 州掣( 1 1 1 叭i i1 j 骶 q 阡g d ( 1 ：2 ) j i li i 睁r a 图2 - 2q 6 与客体g e l 、g e 2 、g e 3 相互作用的1 hn 躲谱图及作用模式 耦合的亚甲基质子h 2 及h 3 ( 二重峰，万4 1 及5 6 ) 。而图2 2 所示3 个作用体系 中q 6 的亚甲基质子峰均发生了不同程度的分裂，其中q 6 卜g e l 体系中伸向瓜环端 口的h 3 最为明显( 占 0 1 ) 。这是因为q 6 i 包结了客体g e l 形成的包结配合物，使 瓜环不再具有原来的对称性，两端口等同的h 2 及h 3 因而发生分裂，分别形成了完全 分离或部分重叠的两组二重峰。 以上分别从客体以及瓜环的角度分析了相关的主客体作用体系的作用情况，从这 些分析可归纳：客体都是以苯并咪唑的苯基部分进入瓜环内腔，而客体的另一端则留 在瓜环的一端外侧，形成了部分包结的主客体作用实体，因此，使原来对称的瓜环失 去了原有的对称性。而主客体包结是通过分子间的弱相互作用而达成的( 图2 2 作用 硕士学位论文瓜环与苯并咪唑衍生物相互作用的研究 模式a ) 。 在图2 2 所示q 6 卜g e 2 及q 6 卜g e 3 的1 hn m r 谱图中，还可观察到客体质子峰 化学位移变化与上述讨论恰好相反的情况，如客体g e 2 和g e 3 苯环质子分别向低场移 动了约艿0 1 和0 2 ，且客体g e 2 亚甲基质子分别向高场移动了约60 7 和1 2 ( 比 较图中箭头联结的质子峰) 。这表明客体还能以烷基部分进入瓜环内腔的方式与瓜环 作用，而将苯环部分留在瓜环端口外侧( 图2 2 作用模式b ) 。 从各体系主客体的积分强度来看，它们的作用比例均为1 ：l 。另外，从q 6 - g e 2 作用体系的1 hn m r 谱图，还可知道两种主客体作用模式的比例为2 ( a 模式) ：1 ( b 模式) ；而q 6 卜g e 3 作用体系两种主客体作用模式的比例为1 ( a 模式) ：1 ( b 模式) 。 2 2 2q 7 与g e l 、g e 2 、g e 3 相互作用的1 hn m r 谱图分析 g e l 。： 一 鼍r y 一 ：。 。i j l | j i 。- = ：警i漓10j|：1 。7 j 图2 - 3q 7 与客体g e l 相互作用的1 hn m r 谱图 图2 3 给出了q 7 与客体g e l 相互作用的1 nn m r 谱图，从图中可以看出，在客 体g e l 中加入q 7 后，客体g e l 的两组苯环质子共振峰的化学位移向高场移动且重 叠在一起，而亚甲基质子共振峰的化学位移则向低场移动。这表明g e l 的苯环部分进 入了瓜环的内腔，受到瓜环的屏蔽作用，而亚甲基留在瓜环端口的外侧，受到瓜环的 去屏蔽作用。 图2 4 展示了q 7 与客体g e 2 相互作用滴定实验的1 h n m r 谱图，在相应的h n m r 谱图上只观察到一组随体系组成变化而变化的客体质子峰，这说明由于q 7 具有较 大的端口口径和内腔空间，客体与q 7 相互作用以及离开q u 而脱离相互间作用的 1 6 硕士学位论文瓜环与苯并咪唑衍生物相互作用的研究 平衡交换频率大于仪器工作频率，以致于核磁共振谱仪仅能提供作用客体与游离客体 的平均结果。 q 【7 刚4 ：l 崦1 电阡g e 2 卜n 丁 一 i - 一 饿学掣 州j l ! f r r ”1 1 1 _ 1 ”1 ”1 1 ”t t t ”1 t 1 _ 1 ”1 1 ”1 1 ，”t ”1 ”7 7 t 1 1 09 8 76 5 4， 2 i o 图2 4q 7 与客体g e 2 相互作用的1 h r 谱图 从图中可以看出，随q 7 浓度的增加，客体g e 2 的两组苯环质子共振峰的化学 位移不断地向高场移动，而两组亚甲基质子共振峰的化学位移则不断地向低场移动 ( 图中自上而下的顺序) 。这表明qe 7 与客体g e 2 相互作用的情况主要也是以客体苯 环部分进入瓜环的内腔，而丙酸基部分仍然留在瓜环的一端端口外侧。与游离客体 g e 2 的两组苯环质子共振峰( h x 和h y ) 相比，当q 7 与g e 2 的比例增加到0 7 时， 包结物的两组苯环质子共振峰( h x 和h y ) 的化学位移值互相重叠，而继续滴加qe 7 ， h x 和h y 则互相交换化学位移值。同时，我们还观察到亚甲基质子共振峰的化学位移 向低场移动了0 2 5 0 3 5 p p m 。 图2 5 给出了q 7 与客体g e 3 相互作用滴定实验的1 hn m r 谱图，由于g e 32 位 上的氨基质子在氘代水介质中存在h + 一d + 交换而无法从谱图中观察到，因此只观 察到两组苯环质子共振峰( h x 和h y ) 的变化情况，从图中可以看出，随q 7 浓度的 增加( 图中自上而下的顺序) ，客体g e 3 的两组苯环质子共振峰的化学位移不断地向 高场移动，且当瓜环过量时，原来重合的苯环质子共振峰分裂成两组，这表明g e 3 的苯环部分进入q 7 空腔内，受到瓜环的屏蔽作用，因此可以得出q 7 与客体g e 3 相互作用的情况主要也是以客体苯环部分进入瓜环的内腔，而氨基部分留在瓜环的一 端端口外侧。图2 5 还给出了h x 的化学位移随n q 7 n 。的变化曲线，从曲线也可 1 7 硕士学位论文瓜环与苯并咪唑衍生物相互作用的研究 以得出q t t 与g e l 、g e 2 、g e 3 相互作用的包结比为1 ：l 。 ：二。jl 。二上j ! ! 二! 竺兰窆二一二l 二。三! l 上兰：l i 二二羔兰量兰兰：二三二 三羔兰。- ：二二一二l 二。三：j i j 兰：一i 二：二兰兰三三二三： 兰鐾鐾竺i | ! 兰t 董茎! | il 萎筮盏羔三兰；兰兰兰| ! ! ! ! 羔薹； 羔鐾三二：三l i 芷1 二三二兰兰兰兰兰：二：三二二三二：二：量硅。二爻二二三：兰兰：一二 矿百_ 了1 f ? _ r 虿_ 鼍_ 1 i i _ _ 图2 - 5q 7 与客体g e 3 相互作用的1 hn m r 谱图和6 u , - n q 【t 】n ：。曲线 1 8 硕士学位论文瓜环与苯并咪唑衍生物相互作用的研究 2 2 3q 8 与g e l 、g e 2 、g e 3 相互作用的1 hn m r 谱图分析 图2 6 分别给出了客体g e 2 及q 8 与客体g e 2 物质的量之比为1 ：2 时的1 hn m r 谱图，从图中可以看出，加入q 8 后，g e 2