（应用化学专业论文）新型硫脲类受体分子的设计合成及阴离子识别.pdf

独创性声明 i t li ti iv lirt ii t t iiiil y 18 9 5 215 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：椒 川j 年多月7 日 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许论文被查阅和借阅， 同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数据库并向社会提 供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论 文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密 学位论文作者签名：粗莛 驯年石月7 日 指导教师签名：功夕乒纱 训年占月7 日 江苏大学硕士学位论文 摘要 分子识别是超分子化学研究的核心内容之一。由于阴离子在生物、化学、 环境等方面起着重要的作用，所以阴离子识别与传感的研究引起了相关领域 科研工作者的高度重视。本文合成了两种新型的受体分子并研究了其阴离子 识别性能，具体内容包括以下几部分： 1 简要介绍了分子识别的研究进展。评述了阴离子受体的发展近况，着 重论述受体设计时面临的挑战和当前的应对策略。以此为基础提出本论文的 研究设想。 2 合成了对苯二甲醛缩二氨基硫脲的钆基配合物，对其进行了表征。考 察了其与f 、c 1 、b r 、i 。、a c 。、h 2 p 0 4 。、h s 0 4 - 和n 0 3 - 等阴离子的识别性能。 加入f - 和h 2 p 0 4 时，溶液颜色立刻由无色转变为深黄色，而加入其它阴离子 则无显著变化，从而可以实现对这两种阴离子的裸眼检测。紫外光谱滴定的 结果经非线性曲线拟合，表明主客体间形成1 ：l 络合物，并计算出受体与阴离 子结合的稳定常数。在受体分子具有阴离子识别作用的基础上，采用紫外可 见法构建了以受体的二甲基亚砜溶液为起始状态，以f - 和h 2 p 0 4 - 为两个化学 输入的o r ( “或 ) 分子逻辑门。 3 将希夫碱对苯二甲醛缩二氨基硫脲还原后，与钆离子配位合成了金属 配合物( l h g d 1 ) 后，对其进行了表征。利用紫外可见吸收光谱( u v - v i s ， d m s o 为溶剂) 考察了其对阴离子客体的作用。结果表明，受体对氟离子有 较好的识别作用。j o b 工作曲线和等温滴定量热实验( i t c ) 均表明该类受体分 子与阴离子形成配位比为1 ：1 的氢键配合物。基于实验结果，对主客体之间的 作用机理及识别模式作了初步探讨。 i 新型硫脲类受体分子的设计合成及阴离子识别 4 采用核磁共振成像( m r j ) 法研究了受体l h g d 的阴离子识别作用。 在受体的d m s o 溶液中加入c 1 、a c 。、n 0 3 。、c 1 0 4 、h s 0 4 和h 2 p 0 4 - 等阴离 子后，受体分子的弛豫时间基本没有变化。但受体与f + 结合后，弛豫时间显 著增加，说明该受体对f - 的选择性较强。l h g d l n _ f 。的弛豫率厂1 ( 0 0 3m m - 1 s 。1 ) 明显小于l h g d 1 的弛豫率( o 2 5m m l s 以) ，说明f 的引入使受体的弛豫率减 小。 加入c 1 一、a c 、n 0 3 、c 1 0 4 。、h s 0 4 、h 2 p 0 4 等阴离子前后，受体的核磁 共振单管成像信号没有明显变化。但加入f 后，受体的成像信号变的非常弱， 说明受体对f - 有明显的识别作用。这与不同阴离子对l h g d u l 的吸收光谱影 响结果相符。通过研究l h g d u l 和l h g d m - f 。的a s 与浓度的线性关系，表 明l h g d m - f 配合物的成像对比度( 2 3 1 9 ) 较l h g d 1 的成像对比度( 3 1 9 ) 小， 进一步说明受体与f 形成了稳定的配合物。结果表明u v - v i s 与磁共振的弛豫 效率和成像信号有着对应的线性关系，即利用核磁共振成像法也可表征受体 的阴离子识别与结合强度的性能。 5 将希夫碱间苯二甲醛缩二氨基硫脲还原后，与f e ( i i i ) 、m n ( i i ) 、n i ( i i ) 离子配位合成了金属配合物后，对其进行了表征。采用核磁共振成像( m r i ) 法研究了这类受体的阴离子识别作用。在此基础上，构建了三个以受体的二 甲基亚砜溶液为起始状态，以c l 。和h s 0 4 为两个化学输入的o r 分子逻辑门。 关键词：硫脲，钆配合物，阴离子识别，逻辑f - j ，u v - v i s 吸收光谱，核磁共 振成像 m o l e c u l a rr e c o g n i t i o ni sa ni m p o r t a n ta r e ao fs u p r a m o c u l a rc h e m i s t r y t h e r e c o g n i t i o na n ds e n s i n go fa n i o n sh a v er e c e i v e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o nf o rt h e i r i m p o r t a n tr o l e si nb i o l o g i c a l ，c h e m i s t r y , a n de n v i r o n m e n t a lp r o c e s s i nt h i st h e s i s ， w eh a v es y n t h e s i z e dt w on o v e lr e c e p t o r sa n ds t u d i e do nt h e i ra n i o nr e c o g n i t i o n p r o p e r t i e s t h em a j o rc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s 1 r e s e a r c h e si nt h ed e v e l o p m e n to fa n i o nr e c o g n i t i o nw e r eb r i e f l yr e v i e w e d r e c e n td e v e l o p m e n t si na n i o nr e c e p t o r sw e r ec o m m e n t e d a n dt h ec h a l l e n g e s f a c i n gt h er e c e p t o rd e s i g na n dc u r r e n tc o p i n gs t r a t e g i e sw e r ef o c u s e d o nt h s i s b a s i s ，t h er e s e a r c hp r o p o s a lo f t h i sd i s s e r t a t i o nw a sp r e s e n t e d 2 g a d o l i n i u mc o m p l e xo ft e r e p h t h a l i ca l d e h y d eb i s t h i o s e m i c a r b a z i d eh a d b e e np r e p a r e da n dc h a r a c t e r i z e d t h eb i n d i n gp r o p e r t i e so ft h er e c e p t o rw i t h a n i o n ss u c ha sf 。，c 1 ，b r ，i 。，a c 。，h 2 p 0 4 。，h s 0 4 o rn 0 3 。w e r ee x a m i n e d t h e r e s u l ts h o w e dt h a tt h er e c e p t o rh a dn oe v i d e n tb i n d i n gw i t hc i 。，b r ，i 。，a c ，h 2 p 0 4 ， h s 0 4 。a n dn 0 3 。，b u tab e t t e rs e l e c t i v i t yf o rf 。a n dh 2 p 0 4 。u p o na d d i t i o no ft h e t w oa n i o n st ot h er e c e p t o ri nd m s o ，t h es o l u t i o na c q u i r e dac o l o rc h a n g ef r o m c o l o r l e s st od a r ky e l l o wt h a tc a nb ed e t e c t e db yt h en a k e d - e y e s t h eu v - v i s s p e c t r o s c o p yt i t r a t i o ne x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h ef o r m a t i o no fa1 ：1s t o i c h i o m e t r y c o m p l e xb e t w e e n t h er e c e p t o ra n da n i o n sb yn o n l i n e a rc u r v ef i t t i n g ，a sar e s u l t ，t h e a s s o c i a t i o nc o n s t a n t sw e r ee v a l u a t e d h e r e b y , s t a r t i n gw i t ht h i sr e c e p t o rs y s t e m ，a n o r l o g i cg a t ew a s f a b r i c a t e dw i t hf 。a n dh 2 p 0 4 a st w oc h e m i c a li n p u t sb yu v - v i s i i i 新型硫脲类受体分子的设计合成及阴离子识别 s p e c t r o s c o p ym e t h o d 3 t h es c h i f fb a s et e r e p h t h a l i ca l d e h y d eb i s t h i o s e m i c a r b a z i d ew a sr e s o r e d ， a n di t sc o m p l e xw i t hg a d o l i n i u mw a sd e s i g n e da n dc h a r a c t e r i z e d t h eb i n d i n g p r o p e r t i e so ft h er e c e p t o r sw i t ha n i o n sw e r ee x a m i n e db yu v - v i ss p e c t r o s c o p y m e t h o d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h et h er e c e p t o rh a dab e t t e rs e l e c t i v i t yf o rf 。j o b p l o t sa n di s o t h e r m a lt i t r a t i o nc a l o r i m e t r y ( i t c ) s h o w e dt h a ta1 ：1s t o i c h i o m e t r y c o m p l e xw a sf o r m e db e t w e e nt h er e c e p t o ra n df 。b a s e do nt h ea b o v er e s u l t s ，t h e r e c o g n i t i o nm e c h a n i s ma n db i n d i n gm o d ew e r ed i s c u s s e d 4 t h er e c o g n i t i o nb e h a v i o u ro ft h er e c e p t o rl h g d l l lt o w a r d sa n i o n sw a sa l s o i n v e s t i g a t e db ym r im e t h o d si nd m s o n or e l a x a t i o nt i m ec h a n g eo fl h g d l l l w a so b s e r v e di nt h ep r e s e n c eo f c l 。、a c 。、n 0 3 。、c 1 0 4 。、h s 0 4 。o rh 2 p 0 4 。w h e r e a s b o u n dt of 。，t h er e l a x a t i o nt i m eo fl h g d l ui n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y i ta l s o i l l u s t r a t e dt h a tt h ea f f i n i t yo fl h g d l ut of 。w a sm u c hb e t t e rt h a nt ot h eo t h e r a n i o n s t h el o n g i t u d i n a lr e l a x i v i t y ( ，1 ) f o rl h g d i i i _ f ( 0 3m m - 1 s 。1 ) w a sa tl e a s t e i g h tt i m e sl o w e rt h a nt h a tf o rt h ep a r e n tl h g d l nc o m p l e x ( 2 5m m - 1 s 。1 ) t h i s s t u d ys u g g e s t e da f t e ri n t r o d u c e df t ot h er e c e p t o rl h g d l h ，t h er e l a x a t i o nr a t e d e c r e a s e d t h es i g n a li n t e n s i t yi nm r io fl h g d l l ld i dn o th a v eo b s e r v a b l ec h a n g ei n b i n d i n gw i t hc 1 。、a c 。、n 0 3 。、c 1 0 4 。、h s 0 4 o rh 2 p 0 4 。b u ti ti sw o r t hn o t i n gt h a t t h e i n t e n s i t yd i dd e c r e a s ea f t e rm i x i n gw i t hf 。o n ec a ns a f e l yc o n c l u d et h a t r e c o g n i t i o no ft h er e c e p t o rt of l u o r i d ei o n sw a se v i d e n tb yt h ea b o v ec l e a rc o n t r a s t d i f f e r e n c e s t h e s er e s u l t sm a t c h e dr e a s o n a b l yw e l lt h o s ef r o mu v - v i ss p e c t r a l i v e x p e r i m e n t s a x i a l 乃一w e i g h t e dm ri m a g e ss h o w e dg r a d u a li n t e n s i t yi n c r e a s e s w i t hi n c r e a s i n gc o n c e n t r a t i o n so fl h g d l a n dl h g d l i i _ f i ts h o w e dt h a tt h e c o n s e r v a t i v ec o n t r a s t ( a s ) i nv i t r oi m a g i n go fl h g d i i i _ f ( 2 3 19 ) i sm u c hl o w e r t h a nt h a to fl h g d l n ( 3 19 ) i ti si m p o r t a n tt on o t et h a tt h er e s u l t so fm o l e c u l a r i m a g i n ga r eb a s i c a l l yc o n s i s t e n tw i t hu v - v i ss p e c t r a lr e s p o n s e s t h eb i n d i n g p r o p e r t i e so f t h er e c e p t o r sw i t ha n i o n sc a na l s oe x a m i n e db ym i um e t h o d 5 t h es c h i f fb a s ei s o p h t h a l a l d e h y d eb i s t h i o s e m i c a r b a z i d ew a sr e s o r e d ，a n d i t sc o m p l e xw i t hf e ( i i i ) ，m n ( i i ) ，n i ( i i ) w e r ed e s i g n e da n dc h a r a c t e r i z e d t h e r e c o g n i t i o nb e h a v i o u ro ft h er e c e p t o r st o w a r d sa n i o n sw a sa l s oi n v e s t i g a t e db y m r im e t h o d s i nt h o s ec a s e s ，t h e r eo r l o g i cg a t e sw e r ef a b r i c a t e dw i t hc i 。a n d h s 0 4 。a st w oc h e m i c a li n p u t sb yu v - v i ss p e c t r o s c o p ym e t h o d k e yw o r d s ：t h i o u r e a ，g a d o l i n i u mc o m p l e x ，a n i o nr e c o g n i t i o n ，l o g i cg a t e ， a b s o r p t i o ns p e c t r a ，m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g v 新型硫脲类受体分子的设计合成及阴离子识别 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 基于氢键作用的阴离子受体2 1 2 1 酰胺类阴离子受体3 1 2 2 脲、硫脲类阴离子受体5 1 2 3 吡咯类阴离子受体7 1 2 4 胍盐类阴离子受体。8 1 2 5 环状多胺类阴离子受体l o 1 3 基于金属配位作用的阴离子受体1 1 1 4 基于静电作用的阴离子受体1 3 1 5 基于疏水作用的阴离子受体13 1 6 基于协同作用的阴离子受体1 4 1 7 分子逻辑门15 1 8 分子开关1 6 1 9 本课题研究的主要内容1 7 第二章对苯二甲醛缩二氨基硫脲钆配合物的合成及阴离子识别研究1 9 2 1 实验部分1 9 2 1 1 实验主要试剂一2 0 2 1 2 性能测试2 0 2 1 3 受体分子的制备2 0 2 2 结果与讨论2 1 2 2 1l 与g d l 的结构表征2 1 2 2 2g d l 对阴离子的识别研究2 2 2 2 2 1 实验方法2 2 2 2 2 2 阴离子对g d l 吸收光谱的影响2 3 2 2 2 3 结合模式2 6 2 2 3 受体分子的紫外逻辑识别2 7 2 3 本章小结2 8 v i 学位论文 第三章经还原的对苯二甲醛缩二氨基硫脲钆配合物对氟离子的选择性识别研究2 9 3 1 实验部分2 9 3 1 1 实验主要试剂2 9 3 1 2 性能测试3 0 3 1 3 受体分子l h g d l l l 的合成与表征3 0 3 1 3 1l h 的合成3 0 3 1 3 2l h g d l 的合成与表征3 0 3 2l h g d l l l 的光谱性质31 3 2 1 基本方法3l 3 2 2 阴离子对l h g d 吸收光谱的影响3 2 3 2 3 受体分子阴离子配合物的结合模式3 4 3 2 4i t c ( 等温滴定量热) 研究3 5 3 2 4 1 实验方法3 5 3 2 4 2 结论3 5 3 2 5 醇效应实验3 6 3 3 本章小结3 6 第四章核磁共振成像法研究受体的阴离子识别作用3 7 4 1 实验部分3 7 4 1 1 实验主要试剂3 7 4 1 2 性能测试3 8 4 1 3 驰豫时间的测定3 8 4 1 4 体外核磁共振成像研究3 8 4 1 5 分子开关的构建3 8 4 2 结果与讨论3 9 4 2 1 阴离子对受体驰豫时间( 乃) 的影响3 9 4 2 2 阴离子对受体成像信号的影响4 0 4 2 3 双控紫外分子开关4 l 4 2 4m 开关4 2 4 3 本章小结4 3 第五章基于被还原的间苯二甲醛缩氨基硫脲的金属配合物的阴离子识别研究及其逻辑门 v i i 新型硫脲类受体分子的设计合成及阴离子识别 的构建4 4 5 1 实验部分4 4 5 1 1 实验主要试剂4 4 5 1 2 性能测试。4 4 5 1 3 受体分子u h m 的合成与表征4 5 5 1 3 1u h 的合成4 5 5 1 3 2l ，h m 的合成与表征4 5 5 1 4 驰豫时间的测定4 6 5 1 5 体外核磁共振成像研究4 7 5 2 结果与讨论4 7 5 2 1 阴离子对受体驰豫时间( 乃) 的影响4 7 5 2 1 1 阴离子对受体u h f e 驰豫时间( 乃) 的影响4 7 5 2 1 2 阴离子对受体l h m n 驰豫时间( 死) 的影响4 9 5 2 1 3 阴离子对受体u h n i 驰豫时间( 乃) 的影响5 0 5 2 2 阴离子对受体u h m 成像信号的影响5 1 5 2 2 1阴离子对受体l h f e 成像信号的影响5 1 5 2 2 2阴离子对受体l h m n 成像信号的影响5 2 5 2 2 - 3阴离子对受体l h n i 成像信号的影响5 4 5 2 3 分子逻辑门一5 6 5 - 3 本章小结5 8 第六章论文总结及前景展望5 9 参考文献6 0 致 射：6 7 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 8 v i l i 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 超分子化学是基于分子间非共价键相互作用而形成的分子聚集体。受体和客体分子在 满足几何和能量匹配的条件下，通过分子间非共价键的协同作用，形成具有某种特定功能 和性质的超分子体系。 分子识别是超分子化学中的重要组成部分，包括对中性分子和对离子客体的识别。“识 别 这一概念源于生物学领域，用以描述酶与底物间的专一性结合。因此，分子识别可表 述为受体对底物( 客体) 的选择性结合、并产生某种特定功能的过程。识别过程的基本条件 是分子间作用力的协同性和空间结构的互补性。分子间的作用力为非共价键力，包括静电 作用、氢键、范德华力、疏水作用等，属于弱作用力，是超分子作用的基础。这些弱作用 力在一定条件下的加合和协同作用，形成具有一定方向性和选择性的强作用力，其强度达 到或接近共价键力，得到稳定的超分子体系。 相对于发展较成熟的阳离子和中性分子识别，人们对阴离子识别的研究起步较晚且发 展缓慢。这是阴离子自身的结构特点所致。第一，阴离子的几何构型和形状各异，且离子 半径相对较大，电子云密度相对较低，造成其与受体间的成键能力较弱；第二，阴离子具 有较强的溶剂化趋势，使得主体必须与周围介质更为有效地竞争方可实现与阴离子的结 合，这一点在水溶液中体现得尤为明显，亦最难克服；第三，阴离子对溶液的p h 值非常 敏感，其存在形式取决于介质的酸度。例如水溶液中许多阴离子只能在一段相对较窄的p h 范围内存在，限制了某些受体如多铵盐类化合物的应用，因为在适当的p h 区域这些主体 不能被完全质子化。目前，阴离子受体的相关研究仍极具挑战性。 近年来阴离子识别与传感体系的研究越来越引起人们的重视，逐渐成为超分子化学研 究中重要而活跃的课题之一。阴离子广泛存在于生物体内，d n a 是多聚阴离子( 生物体系 中精胺和亚精胺与d n a 的结合，可使d n a 分子具有更大稳定性和柔韧性，是细胞培养液 中必要组分之一) 、氨基酸、多肽、核苷酸盐、大多数酶基体和辅酶等均为有机阴离子； 许多无机阴离子如磷酸根、c 0 3 。、c 1 。等在环境和生命体中的作用亦不容忽视。阴离子在生 物体的代谢过程中起着重要作用，生物体内阴离子的跨膜转移和传递是在相应结合蛋白的 控制和识别下完成的。受启示于生物体中精妙的阴离子识别和传输体系，化学家们认识到 经典配位化学与阴离子配位化学问的密切联系。阴离子受体主要包括两个部分，一是识别 1 新型硫脲类受体分子的设计合成及阴离子识别 结合基团，二是信号报告团( 发色团) 【1 。3 】。两者可由连接臂相连，也能直接相连。当阴离子 结合至识别基团时，引起信号报告基团的电学、光学性质以及构象等发生变化，通过监测 受体分子光学信号的改变、电位的变化以及核磁共振波谱中化学位移的变化等，以实现对 阴离子的传感。根据阴离子的不同几何构型( 图1 ) ，他们已成功设计合成出数以千计的人 工阴离子主体，并试图模拟生物过程考察其在位点识别、生物催化和膜传输等方面的应用 【4 。1 5 1 。目前主体分子在阴离子传感器、膜传输载体、及模拟酶催化合成等方面展现出了独 具特色的应用前景。 o s f p 。h c e i ，r i c b a l r ， o n 3 _ 1 i n e a c rn - i s cn - t 。h t e t r a h e d r a i p 0 4 3 - ，v 0 4 3 。，s 0 4 2 m 0 0 4 2 - ，s e 0 4 2 - ，m n 0 4 o c t a h e d r a i 【f e ( c n ) 6 】4 【f e ( c o ) 6 】3 ”哂雾i p l a n 甜 僦c 。o m p l e x 山s h a 删p e 。x s c o n 0 3 - 3 2 。，奄f i 5 = 断面 d n ad o u i eh e x 图1 1 阴离子的几何形状 f i g 1 1t h eg e o m e t r yo fa n i o n s 下面将以受体与客体间的主要作用模式为主线就阴离子受体的研究进展作出概述。 1 2 基于氢键作用的阴离子受体 氢键作为一种主要的弱相互作用，存在于分子间或分子内的不同基团之间，并影响体 系的物理化学性质。氢键在超分子化学、凝聚态物理、生命科学、晶体工程和高分子科学 等领域中的作用日益突出，并己引起相关领域学者的极大兴趣和广泛关注。在超分子领域 中，氢键已经成为研究超分子聚集的普遍方法，是分子识别和分子组装的重要途径。 尽管氢键的发现迄今已超过百年，但关于氢键本质的讨论至今尚无统一的认识。一般 认为氢键主要起源于静电相互作用，但又不完全是由静电作用力产生，短程电荷相互作用 亦不容忽视。氢键具有方向性和一定的选择性，据此可设计具有一定几何构型的受体分子 以识别几何形状各异的阴离子。由于阴离子是氢键接受体，所以阴离子识别受体的结合位 点一般设计为氢键供体。常见的氢键供体官能团有：酰胺、吡咯、( 硫) 脲、胍等。 2 化学家们合成了许多基于酰胺n h 作用与阴离子配位键合的受体。近年来，阴离子配 位化学和阴离子主体分子的发展已开辟了在具有化学和生化意义的阴离子底物( 如三磷酸 腺苷) 上进行分子催化的可能性。由于a t p 在生命过程的重要作用，寻找适宜的化学传感 分子对其进行有效的识别一直是热点研究课题。水杨酰苯胺衍生物( 蛋白酪氨酸激酶抑制 剂) ，通过与a t p 竞争结合酪氨酸激酶的活性位点，可有效抑制酶的催化活性和酪氨酸的 自磷酸化过程，进而抑制肿瘤细胞的生长。郭琳应用荧光光谱法考察水杨酰苯胺衍生物与 多聚阴离子a t p 的相互作用【l6 1 ，并探讨了这种作用对水杨酰苯胺衍生物的抑制活性的影 响。在酰胺n 上引入吲哚基团形成了新的u 型受体l 、2 ，对h 2 p 0 4 等四面体型阴离子表 现出极强的结合能力。e c h e g o y e n 小组将多足受体3 固定在金属电极上，采用电化学阻抗 谱测量方法研究其与阴离子a c o 。的识别【1 7 】。这一技术高效、便捷，可以测定选择性强、灵 敏度高的阴离子受体。 0 1r = 娘 2 舡尿 舡了n h 3 超分子体系中大环效应在能量因素和熵因素上均有利于提高超分子体系的稳定性，阴 离子识别中充分利用“大环效应 。a n s l y n 等设计合成了具有刚性结构的三角形笼状酰胺 受体4 ，由于分子中的n h 按三角棱镜排列，它们能配位到平面三角形构型的阴离子( 如 r c o o 和n 0 3 。) 的p 电子体系中1 18 。1 9 】。研究表明乙酸根离子通过氢键结合在笼状受体分子 的腔体内，且其p k a 因n h - 兀键作用改变。随后他们又合成了1 与比色剂甲基红( 1 ) 、试卤 灵( 2 ) 的超分子体系【2 0 1 。u v 谱表明这种组装使( 1 ) 和( 2 ) 的吸收峰发生相应变化。向4 1 、 4 2 中引入硝酸盐阴离子后u v 吸收产生更大程度的变化。 3 新型硫脲类受体分子的设计合成及阴离子识别 o o c o 聂p n ( u e k 试卤灵 ( 2 ) k a n g 等合成了聚酰胺穴状配体5 t 2 n 。运用混合密度泛函理论探讨了该配体的不同几何 构型、i r 谱和识别主体的阴离子的分子轨道。计算表明六重n h 氢键与f 。聚集作用使空腔 内径缩小( r a = 3 8 6 4a ，r b = 1 9 2a ) ，显示了主体与f 较强的结合能( e a 且= 一1 4 2 9 k c a l m 0 1 ) 。而当c l 识别主体时，由于c l 。的p 轨道电子与吡啶环上n 原子的孤对电子互相 排斥，主体空腔增大( r a = 3 9 5a ，r b = 2 3 2 5a ) ，结合能相对较小( 助占= - - 6 1 4k e a l m 0 1 ) 。 k u b i k 等【2 2 】借鉴生物体内硫酸根结合蛋白( s b p ) 的作用原理设计合成了系列环肽类阴 离子主体6 。6 是由脯氨酸和6 氨基毗啶2 甲酸交替形成的六肽。水溶液中，非极性脯氨 酸基团间的范德华作用促使主体与阴离子形成2 ：1 的三明治式夹心结构。阴离子被包络于 两个环肽形成的空腔内，完全去溶剂化，从而通过六重氢键与主体结合。随后，k u b i k 等 尝试借助合适的连接臂将两个环肽基团连接，期望通过高度预组装实现主体与阴离子的更 强结合【2 3 “】。他们利用组合化学和分子模拟方法，筛选出不同长度和灵活性的连接臂，设 计合成了7 8 。i t c 实验表明7 8 与阴离子结合比为l ：1 。在2 9 8 k ，乙腈一水( v v = 2 ：1 ) 混合 溶液中，7 与硫酸根的结合常数为2 o 1 0 5l m o l ，8 与硫酸根的结合常数高达1 0 6l m o l o 数量级。如表1 所示。 4 江苏大学硕士学位论文 6 7 如一科k 扯 8 a 净一卜人二 8 b 轴一a 一 表1 1k 2 s 0 4 与受体7 ，8 a ，8 b 作用的结合常数、自由能变、焓变和熵变值 1 2 2 脲、硫脲类阴离子受体 氢键的方向性使主体分子的结合位点很好地预组装，可据此设计具有特定构型的受体 分子以识别不同几何形状的阴离子。脲、硫脲衍生物作为比较重要的中性氢键受体化合物 之一，是识别r c o o 。等阴离子的最佳受体，通过双重氢键与阴离子形成稳定的配合物。 黎朝将具有分子内质子转移e s i p t 的荧光团邻羟基萘甲酰胺与阴离子配体硫脲耦合， 合成了3 羟基2 萘甲酰胺基苯基硫脲受体分子9 ，首次提出了阴离子诱导分子内质子转移 模型，并可望藉此建立不受受体浓度和激发光源波动影响的阴离子比率荧光传感体系【2 5 1 。 考察了它在乙腈中的吸收光谱和荧光光谱对阴离子的响应。由于9 与阴离子有较强的结合 5 新型硫脲类受体分子的设计合成及阴离子识别 能力以及受体分子阴离子结合物所形成的氢键网络结构使分子内氢键o h o - - c 增强，从 而诱导产生分子内质子转移荧光。继续增加阴离子的浓度，o h o - - c 遭到破坏，酚羟基 o h 将与阴离子之间产生分子间质子转移。 9 h o h n n 一一h i 彭人n h p a w e l 小组【2 6 1 、o t 6 n 小组【2 7 1 合成了系列钳形脲分子1 0 1 2 ，可在无水甲醇中与h 2 p 0 4 。 等阴离子结合，并首次报道了1 1 、1 2 与磷酸盐二聚体 h 3 p 0 4 p 0 4 】3 稳定结合。 o 1 0r - n b u l lr = p h 1 2r = w h 等合成了含萘基脲基团1 3 的三角架主体【2 8 j ，与1 3 相比，1 4 与阴离子配位结合并 能输出荧光信号以方便实时检测。f a n 小组报道了由于三足链的柔性使其可提供多重氢键 结合位点，1 4 对较大的羧酸类阴离子识别效果较好，但不识别较小的羧酸阴离子【2 9 1 。采用 三角架构象利用三足与间三羧酸类阴离子络合。吴世康等【3 0 】研究了1 5 易与h 2 p 0 4 和h s 0 4 。 形成稳定的氢键配合物，其结合常数分别为3 3 6 1 0 4 和9 4 8 1 0 3l m o l 一。w ub 报道的 主体1 6 亦是通过多重氢键作用实现与金属硫酸盐m s 0 4 ( m = m n ，z n ) 的结合【3 1 1 。 6 江苏大学硕士学位论文 o h n 人n 1 3 h ( c h 2 ) 4 c h 3 x 卜h n r 、芏三二器扒l i i hh 卜j ! 少z ：划 o 少a x = 电 1 2 3 吡咯类阴离子受体 1 7 吡咯n h 基团能与阴离子形成氢键，常采用杯 n 】吡咯为骨架，利用杯吡咯的大环效应 与阴离子形成稳定的超分子体系【3 4 】。制备杯吡咯技术同益成熟，合成产率大幅提高，可将 其应用于工业生产。近年来，人们已合成杯吡咯改性的大量受体【3 弼7 1 ，并应用与阴离子的 电化学传感器和光化学传感器等其他研究领域。固相结构表明大环构象随着阴离子配合物 的形成而剧烈变化：自由态的杯吡咯以1 ，3 一交替构象为优势构型，与其邻近环则处于不同 的方向。 7 新型硫脲类受体分子的设计合成及阴离子识别 1 8 r i = r 2 = c h 3 1 9 r i = 闫 2 = r v r 2 1 r 1 - 0l b r i f 。( 3 7 ) 和c 1 f 。 i 。 b r ( 3 8 ) 。用密度泛函理论，在b 3 l y p l a n l 2 d z 水平上，优化计算了目 标化合物与硫酸盐阴离子的几何结构，由于阴离子的形状与主体空腔结构的互补性，二者 有极好的结合。 1 0 3 7 基于尺寸和互补原理，l e h n 小组进行了开创性的研究【4 7 4 9 1 。他们设计合成的氮杂穴状 江苏大学硕士学位论文 主体3 9 4 1 ，在大环效应的支配下，对卤素离子、n 3 、n 0 3 表现出很强的结合。 r 弋 h 3 0r = n o n e 4 0 r = c h 2 4 1 r = c h 2 0 c h 2 b e n c i n i 等【5 0 1 合成了新型三环氮杂主体4 2 4