（应用化学专业论文）荧光基因修饰的硫杂杯4芳烃氮杂衍生物的合成与表征.pdf

贵州大学硕士学位论文 摘要 摘要 硫杂杯芳烃是以硫原子取代杯芳烃中桥联亚甲基形成的一类新的大环分子 受体。同经典杯芳烃相比，对过渡金属等有更好的络合能力，有不同的空腔结构 和立体构型等。硫杂杯芳烃下缘的酚羟基、上缘的苯环对位及连接苯环单元的硫 原子都能进行各种选择性功能化，得到不同的衍生物。若在硫杂杯芳烃下缘酚羟 基上引入荧光基团罗丹明，可以利用其与客体分子形成包结物后荧光发射光谱 及荧光强度的改变来识别客体分子，因此荧光基团修饰的硫杂杯芳烃衍生物为基 础的荧光试剂有着广阔的应用前景。 本文丌展了荧光基团修饰的硫杂杯【4 】芳烃衍生物的研究，取得了一些有意 义的研究成果： 1 对叔丁基硫杂杯【4 】芳烃与溴乙酸乙酯进行烃基化反应，生成单取代的对叔丁 基硫杂杯 4 芳烃氧代乙酸乙酯，再与过量的罗丹明胺类衍生物反应，生成荧光 基团修饰的硫杂杯 4 芳烃酰胺类衍生物。 2 在对叔丁基硫杂杯 4 】芳烃的下缘l ，3 一位引入芳醛基，合成了硫杂杯【4 二醛衍 生物，再与罗丹明酰肼通过分子问缩合反应得到荧光基团修饰的硫杂杯 4 】芳烃 s c h i 删衍生物。 关键词：硫杂 4 】杯芳烃，荧光试剂，罗丹明b ，酰胺，s c h i 筒喊 刘长庚第1 页 6 3 2 0 0 8 贵州大学硕士学位论文 a bs trac t a b s t r a c t t h i a c a l i x a r e n ei so n ek i n do fc a l i x a r e n ei nw h i c hb r i d g e dm e t h y l e n er e p l a c e db y s u l f u rb o n d ，i ti san e wt y p eo fm a c r o c y c l i cm o l e c u l a rr e c e p t o r c o m p a r i n gw i t ht h e c l a s s i cc a l i x a r e n e s ，t h i a c a l i x a r e n eh a sb e t t e rc o m p l e xa b i l i t yt ot r a n s i t i o nm e t a l s ， d i f f e r e n tc o n f o r m a t i o n a lp r e f e r e n c e sa n dt h et h r e e - d i m e n s i o n a lc o n f i g u r a t i o n i ti s f e a s i b l ef o rt h i a c a l i x a r e n e st ou n d e r g oc h e m i c a lm o d i f i c a t i o n si n t r i n s i ct op h e n o l s ， t h a ti s ，m o d if i c a t i o n sa tt h ep h e n o l i ch y d r o x yg r o u pa n d o rt h ep p o s i t i o n m o r e o v e r , t h es u l f i d eb o n d sa l s ob r i n ga b o u tc h a r a c t e r i s t i cf e a t u r e st ot h i a c a l i x e sd u et ot h e s t e r i ca n de l e c t r o n i ce f f e c to fs u l f u r t h i a c a l i x a r e n ed e r i v a t e i v e sb e a r i n gf l u o r e s c e n c e g r o u pc a nr e c o g n i z eg u e s tm o l e c u l e s ，w h i c hu s ef l u o r e s c e n c ee m i s s i o ns p e c t r aa n d f l u o r e s c e n c e i n t e n s i t yc h a n g e a f t e r f o r m i n gh o s t g u e s tc o m p l e x e s w i t hg u e s t m o l e c u l e s t h e r e f o r e ，b a s e do n t h i a c a l i x a r e n ed e r i v a t i v e sc o n t a i n i n gf l u o r e s c e n t g r o u p s ，f l u o r e s c e n tr e a g e n t sh a v eb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s i nt h i sw o r k ，w es t u d i e dt h es y n t h e s i so fs o m et h i a c a l i x 4 a m e sd e r i v a t i v e sb e a r i n g f l u o r e s c e n c eg r o u pa n dh a v em a k e nas e r i e so fs i g n i f i c a n ta n dc r e a t i v er e s u l t s t h em a i nr e s u l t sa r es h o w e da sf o , l l o w s ： 1 t h i a c a l i x 4 a m e sw e r ef i r s ta l k y l a t e dw i t he t h y lb r o m o a c e t a t et og i v et h em o n o s u - b s f i t u t e dt h i a c a l i x 4 a r e n ed e r i v a t i v e ，w h i c hw e r et r e a t e dw i t he x c e s sr h o d a m i n eba - m i n ed e r i v a t i v e st oy i e l dt h ec o r r e s p o n d i n ga m i d ed e r i v a t i v e sw i t hf l u o r e s c e n tg r o u p 2 t h i a c a l i x 4 a r e n ed e r i v a t i v ew a ss y n t h e s i z e db yi n t r o d u c i n gb e n z a l d e h y d eg r o u p s o n1 ，3 - p o s i t i o no fp - t e r t - b u t y l t h i a c a l i x 4 a r e n e ，t h e yw i t he x c e s sr h o d a m i n ebh y d r o a z i d eg a v et w on o v e lt h i a c a l i x 4 a r e n es c h i f f - b a s ed e r i v a t i v e sb yc o n d e n s a t i o nw i t h f l u o r e s c e n tg r o u p s t h es t r u c t u r e so fn e wc o m p o u n d sw e r ec h a r a c t e r i z e db yi r ，1h n m r ，m ss p e c t r a l a n a l y s i sa n ds i n g l e - - c r y s t a lx - - r a yd i f f r a c t i o n k e y w o r d s ：t h i a c a l i x 4 a r e n e , f l u o r e s c e n c er e a g e n t , r h o d a m i n eb ，a m i d e ，s c h i f f - b a s e 刘长庚 第一2 页 6 3 2 0 0 8 贵州人学硕 ：学位论文原创性声l p j 附：学位论文原创性声明和关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究曾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责任由本人承担。 论文作薯签名- 幽基筮 e 1 期： 2 q q 生堑旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州1 大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权贵州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，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 一， 论文作者签名：翻基蕴导师签名：! 歪! 晕 日期： ! 窆生妥旦 刘长庚第5 3 页6 3 2 0 0 8 贵州大学硕士学位论丈 前言 第一章前言弟一早刖百 杯芳烃是由苯酚单元通过亚甲基在酚羟基邻位连接形成的一类环状低聚物。 它的发现可追溯到18 7 2 年b a e y e r 等( b a e y e ra ，e ta l ，18 7 2 ) 对苯酚和甲醛水溶液加 热反应的研究，但直到2 0 世纪7 0 年代g u t s c h e 等( g u s c h ecd ，e ta l ，1 9 7 5 ) 找到了合 适的反应方法和反应条件，j 使这类化合物的合成及研究有了重大突破。从结构 上看，在杯芳烃分子中，下沿的羟基紧密而有规律地排列着，能够鳌合和输送阳 离子，由苯环组成的富电子憎水空腔，能包合中性小分子或芳香基团。这种独 特的结构使杯芳烃即可作为离子载体又可作为分子受体，与冠醚和环糊精相比具 有明显的优越性。此外，杯芳烃的空腔大小可通过控制合成条件进行调节，其杯 腔上沿和下沿的酚羟基，及连接苯酚单元的亚甲基均能进行各种选择性化学修饰 而进一步功能化，并且通过控制不同的反应条件，引入合适的取代基可以得到不 同的构象，由此得到多种具有高度选择性的受体分子。为其丰富多采的超分子化 学内容奠定了宽广的物质基础。随着杯芳烃化学的研究逐渐深入，杯芳烃在有机 化学、无机化学、分析化学、生物化学、物理化学和材料化学以及这些学科的交 叉领域都显示了其作为超分子中一类优良受体化合物的特殊价值( 郑炎松等，19 9 9 ) 。 为研制结构独特眭能更优异的杯芳烃，杯芳烃研究领域中一个新的方向是 对杯芳烃的骨架实施改变，包括用某些杂坏化合物代替苯环而形成的杯杂芳烃 ( 如杯吡咯，杯呋喃等) 或用杂原子s 、o 、n 、p 或含杂原子的基团代替桥联亚甲 基而形成的杂杯芳烃( 如硫杂杯芳烃) 。 1 1 硫杂杯芳烃研究进展 从1 9 9 7 年开始，一种新型的杯芳烃硫杂杯芳烃( t h i a c a l i x a r e n e ) 崭露头角，硫杂 杯芳烃是由硫原子取代经典杯芳烃中桥联亚甲基，使芳香大环结构的刚性、极性 都发生了较大的变化，产生了许多不同于非硫杂杯芳烃的特性，成为一类新型的 受体分子化合物。与经典杯芳烃相比，硫杂杯芳烃具有一些优异的特征，例如对 过渡金属更好的络合能力，不同的空腔结构和立体构型等。在近十年中硫杂杯芳 烃的化学研究取得了非常丰富的研究成果( l h o t a kp ，2 0 0 4 ) 。 刘长庚第3 页 6 3 2 0 0 8 贵州大学硕士学位论丈 前言 k 1 1 = 4 , s ，k8 ；r ：i t ，t b u f i g1 1 t h i a c a l i x a r e n e 1 1 1 硫杂杯芳烃的命名、构象 经典杯芳烃的命名法可用于硫杂杯芳烃的命名。如最常见的硫杂杯芳烃，可 认为是在2 ，8 ，1 4 ，2 0 四个位置上被4 个硫原子取代后的杯芳烃，命名为2 ，8 ，1 4 ， 2 0 四硫杂杯芳烃2 5 ，2 6 ，2 7 ，2 8 四醇，简称硫杂杯芳烃。 2 3 6 s f i g1 2t h i a c a l i x 4 a r e n e 经典杯芳烃中具有由亚甲基相连的苯酚单元，通过苯酚单元与相邻亚甲基桥 之间。键的旋转j 苯酚单元产生两种可能旋转的模型：酚氧原子绕环旋转和对位 取代基绕环旋转，因此，杯芳烃具有多种构象。对叔丁基硫杯 4 】芳烃与经典杯 芳烃相似，都足有四种构象：分别是锥式( c o n e ) ，部分锥式( p a r t i a lc o n e ) ，1 ，2 一交 替式( 1 ，2 - a l t e r n a t e ) 或1 ，3 交替式( 1 ，3 - a l t e m a t e ) ( l a n gj ，e ta l ，1 9 9 9 ) ，构象与其化 学性质和功能是密切相关的。更大环的硫杂杯 6 】芳烃和硫杂杯 8 芳烃目前还较 少报道。 刘长庚 c o n e p - 惩翻c o 1 2 喃鳓嘲粕1 3 - a 咖a t g f i g1 - 3t h ef o r m a t i o no ft h i a c a l i x l 4 】a r 明e 第4 页 6 3 2 0 0 8 贵州大学硕士学位论文前言 1 1 2 硫杂杯芳烃的合成 硫杂杯芳烃的合成主要有两种方法，即一步合成方法和分步合成方法。 硫杂杯芳烃最早是s o n e 等( o h b ay ，e ta l ，1 9 9 1 ) 通过复杂的分步方法合成的， 收率很低( 4 ) ，限制了硫杂杯芳烃的广泛研究。在此后的几年罩，经过研究者 的不懈努力，硫杂杯芳烃在合成方法、产率、杯芳烃种类等方面均有了长足的发 展。1 9 9 7 年m i y a n o ( k u m a g a ih ，e ta l ，1 9 9 7 ) 报道了对叔丁基硫杂杯 4 芳烃的一步 合成方法。该方法是在氢氧化钠存在下，将对叔丁基苯酚与单质硫在二苯醚中加 热至u 2 3 0 。c 反应4 h ，得到了产率为5 4 的硫杂 4 杯芳烃。该方法简单快捷，后处 理方便，收率较高，实现了对叔丁基硫杂杯【4 】芳烃的大量合成，为硫杂杯芳烃 的研究提供了物质基础。采用相同方法，用其它对位取代的苯酚反应，可以合成 其它的对位取代硫杂杯芳烃，如m i y a n o ( i k in ，e ta l ，2 0 0 0 ) 还合成了对叔辛基硫杂 杯【4 】芳烃，k o v a l e v ( s h o k o v ae ，e ta l ，2 0 0 3 ) 合成了金刚烷基硫杂杯 4 】芳烃( 2 8 ) ， l h o t a k ( l h o t a kp ，e ta l ，2 0 0 3 ) 合成了苯基硫杂杯 4 芳烃( 2 2 ) 。 f i g1 4s y n t h e s i so ft h i a c a l i x a r e n eb yo n es t e p 作为一种分步合成方法，采用预先制备的硫原子桥联的对叔丁基苯酚二聚体 作原料，与单质硫和氢氧化钠在二苯醚中反应，对叔丁基硫杂杯【4 芳烃的产率 可以提高至1 j 8 3 ( k o nn ，e ta l ，2 0 0 2 ) 。改变反应条件也可以使硫杂杯【6 】芳烃和硫 杂杯 8 芳烃的产率提高到5 3 和4 3 ，这是目前合成硫杂杯 6 】芳烃和硫杂杯【8 】 芳烃的最好方法。由于对叔丁基硫杂杯 4 】芳烃比对叔丁基硫杂杯 6 】和对叔丁基 硫杂杯 8 】芳烃在热力学上更稳定，因此经过长时间反应后，最终产物主要是对 叔丁基硫杂杯 4 】芳烃，若要得到对叔丁基硫杂杯 6 】和杯 8 】芳烃，就必须适当控 制反应条件，然后从反应产物中分离得到对叔丁基硫杂杯 6 和杯 8 】芳烃( k o nn ， e ta l ，2 0 0 2 ) 。如果用甲醛参加缩合反应，还可以合成硫原子和亚甲基混合桥联的 硫杂杯【4 】芳烃和相应的硫杂杯【6 】芳烃、硫杂杯 8 】芳烃，这是分步合成方法的一 大优点。 刘长庚第5 页 6 3 2 0 0 8 贵州大学硕士学位论文 前言 镰警 n = 4 ，6 ，8 f i g1 5s y n t h e s i so ft h i a c a l i x a r e n ef r o ms u l f u r - b r i d g e dp h e n o ld i m e r 1 1 3 硫杂杯芳烃的化学修饰 通过硫杂杯芳烃的化学结构修饰可以合成具有特定功能的杯芳烃主体分子， 主要有上沿修饰、下沿修饰和桥联硫原子的结构修饰等三种途径。其中，上下沿 的修饰较多地参考了碳桥联的传统杯芳烃的合成方法，桥联硫原子的结构修饰则 是硫杂杯芳烃特有的一种途径。 1 1 3 1 下沿修饰 下沿酚羟基的烃基化是形成以硫杂杯芳烃为骨架的衍生物的最常用方法，采 用合适的烃基化试剂可以得到多种多样的硫杂杯芳烃衍生物。反应有着复杂的模 板效应，烃基化后的硫杂杯芳烃的构象不再发生变化，因此反应条件决定了不同 构象的生成比例。l h o t h k ( l h o t a kp ，e ta l ，2 0 0 2 ) 研究了对叔丁基硫杂杯 4 芳烃1 和 脱叔丁基硫杂杯 4 芳烃4 烃基化反应的条件和生成产物构象体的分布规律。 t a b l e1 - 1t h ed a t ao fa l k y l a t i o no ft h i a c a l i x a r e n e s 。甜v k ，c o h 内嬲纠维：b ：i m m q d m p , 寮曩：c ：m k h d m f , 奄曩 硫杂杯芳烃与溴乙酸乙酯的烃基化，生成氧代乙酸乙酯衍生物( i k in ，e ta l ， 1 9 9 8 ) ，发现这个反应也有着复杂的模板效应，使用不同的碳酸盐b m 2 c 0 3 ( m = n a ，k 和c s ) 所得到醚酯的构象以及产率都不同，分别是锥式1 0 c 、部分锥式l o p c 并1 1 1 ，3 一 交替式1 0 。工a ，构象异构体的分布与模板试剂、反应条件有着很大关系。这三种 不同构象的硫杂杯芳烃醚酯是合成功能化硫杂杯芳烃衍生物的重要原料。 刘长庚第6 页6 3 2 0 0 8 责州大学硕士学位论文 前言 t a b l e1 - 2c o n f o r m e rd i s t r i b u t i o nf o rt h er e a c t i o no ft h i a c a l i x 4 l a r e n et o1 0 蕊蕊腿。 刚爨h h h h 麓急等酣鑫二a8 u u f f i g1 7s y n t h e s i so f t h i a c a l i x c r o w n sf r o mt h i a c a k x l 4 】a r e n e 更为复杂的硫杂杯芳烃管状化合物简称为硫杂杯管( t h i a c a l i x t u b e ) 的合成也 是采用硫杂杯芳烃氧代四对甲苯磺酸乙酯为烃基化试剂，对硫杂杯芳烃的烃基化 反应完成的( a k d a sh ，e ta l ，1 9 9 8 ) 。 刘长庚 第7 页6 3 2 0 0 8 责州大学硕士学位论文前言 浅黼磁t s oo t s 黥馘。 为了增加硫杂杯芳烃结构的络合性能，r a o 把下沿的酚羟基转化为毓基，得到 四毓基硫杂杯 4 芳烃( r a op ，e ta l ，1 9 9 9 ) 。合成方法是以k 2 c 0 3 做碱，用硫杂杯 4 】 芳烃为原料，与n ，n 一二甲基氨基硫代甲酰氯( c 1 c s n m e 2 ) 在丙酮中回流，反应产 物在3 0 0 c 和减压条件下迸行n e w m a n k w a r t 重排，然后用水合肼在1 0 0 t 下脱保 护，产率可达8 0 。 o 一 璺岭8 上一赊b u - ts 上絮幺 o y n ( c h 3 ) 2y n i c h 3 ) = 1 2 3 2 上沿修饰 在过量a 1 c 1 3 存在下，脱去叔丁基得到无取代基的硫杂杯芳烃，如在8 0 c ，用 1 0 5 倍于对叔丁基硫杂杯【4 】芳烃量的a 1 c 1 3 与对叔丁基硫杂杯 4 】芳烃反应，可得 到脱去四个叔丁基的硫杂杯 4 】芳烃( a k d a sh ，e ta l ，1 9 9 8 ) 。若减d x a l c l 3 的剂量，则 可以得到脱去不同数目叔丁基的对叔丁基硫杂杯【4 芳烃，如用7 4 倍的a 1 c 1 3 反应， 可得到脱去一、二和三个叔丁基的硫杂杯 4 】芳烃，其产率分别为6 5 、2 0 和 2 1 ；当加入的a 1 c 1 3 的量小于对叔丁基硫杂杯 4 】芳烃的6 倍，将不能发生脱叔丁 基反应( h i g u c h iy ，e ta l ，2 0 0 0 ；k a b u t oc ，e ta l ，2 0 0 2 ) 。温度对脱叔丁基反应也有影 响，低于6 0 时也无相应产物生成。脱去叔丁基为硫杂杯芳烃上沿修饰提供了合 适的途径，通过芳香化合物的亲电取代等反应，可制备各种对位取代衍生物如对 溴、对硝基等。k o v a l e v ( s h o k o v ae ，e ta l ，2 0 0 2 ) 通过硫杂杯 4 芳烃和金刚烷基醇 的直接偶联反应得到了对金刚烷基硫杂 4 杯芳烃。 o h 。z a d a r n a n t a n o i 。t f a l i c l 0 4 f i g1 - 1 0 s y n t h e s i so fp - ( 1 - a d a m a n t h y l ) t h i a c a l i x l 4 l a r e n a s 刘长庚第8 页6 3 2 0 0 8 贵州大学硕士学位论文 前言 k a s y a n 等( k a s y a n0 ，e ta l ，2 0 0 3 ) 把硫杂杯【4 芳烃与n b s 在丙酮中于室温就可 得到产率9 0 的四溴代产物，接入的溴原子成为新的反应活性点，可被不同的亲 核基团取代，如用n 甲酰基吡啶反应，可得到甲酰基衍生物( d e s r o c h e sc ，e ta l ， 2 0 0 4 ) 。如用过量氯甲醚与四氯化锡在氯仿中室温下就可将氯甲基引入杯芳烃的 上沿，在杯芳烃上沿引入的氯甲基能使杯芳烃与许多亲核试剂反应( o l e gk e ta l ， 2 0 0 3 ) ，通过原位磺化反应，可以直接得到水溶性硫杂杯芳烃四磺酸盐( i k in ，e ta l ， 1 9 9 8 ) 。 l h o t a k 还发现硫杂杯 4 】芳烃上沿还可以与重氮盐发生偶联反应。在吡啶催化 下，硫杂杯 4 】芳烃与重氮盐在t h f 中室温下反应，就可得到上沿为四偶氮基的杯 芳烃衍生物( l h o t a kp ，e ta l ，2 0 0 2 ) ，核磁共振波谱分析表明这些化合物都具有高度 对称的结构，仅存在锥式和1 ，3 一交替两种构型。将偶氮基团进一步还原可得到上 沿为胺基的杯芳烃衍生物，众多还原方法中最为有效的方法是使用n a 2 s 2 0 4 和 n a o h 的水溶液。胺基衍生物不稳定，在空气中立刻变黑，为了解决这个问题， 可以通过与芳醛形成稳定的s c h i f 碱衍生物。硫杂杯芳烃的直接硝化会导致桥联 硫原子的氧化，仅适用于合成砜和亚砜桥联产物( l h o t a kp ，2 0 0 1 ；l h o t a kp ，e ta l ， 2 0 0 2 ) ，但也有报道称使用k n 0 3 a i c l 3 作硝化试剂，可以得到硫原子不被氧化的 四硝基产物( d e s r o c h e sc ，e ta l ，2 0 0 2 ) 。 n 步n 玲s i = 等 f i gi - i is y n t h e s i so fs h i f t - b a s et h i a c a l i x 【4 l a r e n a s 1 1 3 3 桥联基团修饰 硫杂杯芳烃骨架上硫原子的出现为分子的衍生提供了另一种途径一桥基团 的修饰，将桥联硫原子氧化至不同氧化态，使其表现出对不同金属离子的分子识 别能力，这一反应在经典杯芳烃中很少，但硫的衍生相对更容易些。硫杂杯 4 】 芳烃与h 2 0 2 c f 3 c o o h 或过量n a b 0 3 的醋酸溶液氧化可高产率得到完全酰化的 砜衍生物，但使用稍微过量的氧化剂( n a b 0 3 ) 可得到亚砜衍生物( m i s l i ng ，e ta l ， 1 9 98 ；i k in ，e ta l ，1 9 9 8 ) 。由于苯酚单元可自由旋转，亚砜衍生物具有四种立体异 刘长庚第9 页 6 3 2 0 0 8 书傩 一 啪 b 一h扩东 _ 1 o ，七 飞 h审洲 贵州大学硕士学位论文 前言 构体( f i g1 1 2 ) 。x - 衍射分析表明硫杂杯芳烃亚砜衍生物是l ，3 - 交替构象，亚砜基 团是r t c t 结构。砜类衍生物同样也是1 ，3 交替结构。 h 0 h 靠 88e q u h ，n a b 0 3 5 04 c 一日一o x i d a t i o n s 一厶s b u t 上 f i gl 一1 2o x i d a t i o no f 1 h i a c a k x 【4 】a r e n e st os u l f i n y l - a n ds u l f o n y l c a l i x 4 a r e n a s 烃基化的硫杂杯芳烃通过桥联硫原子的氧化也可以方便地得到亚砜和砜衍 生物。如乙酸乙酯化的硫杂杯芳烃用h 2 0 2 c h 3 c o o h 氧化高产率地生成亚砜衍生 物，由于烃基化的硫杂杯芳烃构象已经固定，因此可以得到希望构象的亚砜和砜 衍生物( m o r o h a s h in ，e ta l ，2 0 0 1 ) 。 1 2 4 硫杂杯芳烃的应用 1 2 4 1 离子的识别作用 对叔丁基杯 4 芳烃，对碱金属离子有特殊的分子识别能力。酚羟基上的氧 原子是杯芳烃识别碱金属离子的主要位点。而在对叔丁基硫杂杯 4 芳烃中，硫 是软碱原子，有一孤对电子，能较好得结合软酸类金属离子，因此硫杂杯 4 芳 烃对过渡金属离子，特别足其中属于软酸类的重金属离子有很好的识别能力；而 氧足典型的硬碱，与硬酸类金属离子结合较好，所以完全硫酰化的硫杂杯 4 芳 烃能较好地识别碱土金属离子，而对软酸类金属离子的识别能力则较差。亚硫酰 化后的硫杂杯 4 芳烃衍生物既能结合软酸类金属离子，也能结合硬酸类金属离 子( 瞄n ，e ta l ，1 9 9 8 ；m o r o h a s h in ，e ta l ，2 0 0 1 ) 。 刘长庚第1 0 页6 3 2 0 0 8 牵洲氛蛘。电洲 一 一 守卜广 s j 0 一吕 o = i ，一 。：芝 s 憾o 骥 。豳斌 o i s ， 。：芗髓 oj8， 一吣 ， o s 。o = 1 8 硷o，h x缸气x醇， x令oh 0 贵州大学硕士学位论文前言 n d 等( i k in ，c ta l ，1 9 9 8 ) 分别对下沿四个乙酸乙酯基取代的硫杂杯 4 】芳烃衍生 物的锥式，部分锥式和l ，3 交替三种构象异构体对l i + ，n a + ，k + ，r b + 和c s + 五种碱 金属离子的萃取能力进行了研究。发现它们萃取选择性与衍生物下沿腔口大小有 关，腔口尺寸最小的锥式构象体对n a + 萃取能力最强，腔口j t 寸较大的部分锥式 构象体对k + 离子萃取效果最好，而腔口最大的1 ，3 交替构象体则倾向于萃取半径 较大的k + ，r b + 和c s + ，这也f p i 正t 各种碱金属盐催化剂对硫杂杯【4 】芳烃乙酸乙酯 衍生物不同构象体的合成反应的催化选择性( a k d a sh e ta l ，1 9 9 9 ) 。下沿四个羧酸基 团取代的对叔丁基硫杂杯 4 】芳烃衍生物对f e ”离子有很强的萃取能力，而只有两 个羧酸基团取代的衍生物则对f e 3 + 的萃取能力很差，而对c u 2 + 和n i 2 + 有较强的萃 取能力，这可能是羧酸含有氧原子作为对金属离子的识别位点，对硬酸型底物 f e 3 + 有较强的识别能力，而对于c u 2 + ，n i 2 + 等软酸型底物而言，羧酸氧原子对它 们的识别作用很弱，而桥联硫原子对它们的识别作用很强，成了识别的关键因素。 在四个羧酸基团取代的硫杂杯 4 】芳烃中，由于羧酸基团的屏蔽，使得硫原子难 于参加识别作用，而二取代的硫杂杯 4 】芳烃中，羧酸基团对桥联硫原子的屏蔽 阻挡作用相对较弱，硫原子对c u 2 + ，n i 2 + 的识别作用显示出来了 ( m o r o h a s h in e t a l ，2 0 0 1 ) 。 r 本左贺大学的y a m a t o 等研究了双功能化的硫杂杯 4 芳烃对金属的络合研 究。在硫杂杯 4 】芳烃上同时引入冠醚和酯基得到1 ，3 一交替构象的双功能化的硫杂 杯芳烃，能同时和l i + ，k + 形成双核配合物( c a r o lp e7 r e z c a s a s ，e ta l ，2 0 0 7 ) ；在硫杂杯 【4 】芳烃上同时引入酰胺和溴代烷基化得到1 ，3 一交替构象的双功能化的硫杂杯芳 烃衍生物，可以按照1 ：2 的方式与a 矿发生络合( c a r o lp e r e z c a s a s ，e ta l ，2 0 0 7 ) ；在硫 杂杯【4 】芳烃上同时引入冠醚和吡啶环得到l ，3 交替构象的双功能化的硫杂杯芳 烃可以先与l i + 络合，然后吡啶环再与a 矿络合的过程中会使l i + 脱离硫杂杯芳烃衍 生物( c a r o lp e r e z c a s a s ，e ta l ，2 0 0 7 ) 。这些双功能化的硫杂杯 4 】芳烃衍生物一方面 可以有选择性识别更多的金属离子，更重要的是为同一母体可以识别不同的盒属 离子的研究提供了一个新的空间。同一母体识别不同的金属离子，而且识别的顺 序有别，使之将来可能用于金属控制的仿生系统、以及和生物、化学相关的分子、 离子识别。 刘长庚第11 页 6 3 2 0 0 8 贵州太学硕士学位论文前言 爨翌熬 f 垭1 - 1 4 目前关于硫杂杯芳烃衍生物对阴离子识别的研究较少。l h o t a k 等( l h o t a k p ，e t 出，2 0 0 s ) 将脲基引入硫杂杯 4 】芳烃的上沿，与阴离子通过氢键作用，模型如( f i g 1 - 1 5 l 。离子识别研究发现，它可以与多种阴离子发生作用，不论该离子的形状 如何。相比而言。它们对球形离子( 如c i 。，b r 。，i 。) 有更好的键合作用，这种作用还 随着离子尺寸的增加而逐渐减弱。 f i 9 1 - 1 5 12 4 2 多核金属配合物 近年来人们对硫杂杯芳烃多核金属配台物和自组装行为的研究取得了重要 成果，得到了一大批结构新颖的多核金属配合物和超分子结构。砜桥联杯【4 】芳 烃和硫杂杯 4 芳烃磺酸盐是两个最常用超分子配体。 d c s r o c h e s 等( d e s r o c h e sc ，e ta l ，2 0 0 s ) m 硫杂杯【4 芳烃和砜桥联杯【4 】芳烃与 m n , f 岛c o ，州等金属离子配位，均形成四核配合物，如伊睡1 - 1 6 ) 两个杯【4 】芳烃 将四个m m 夹于中间。其中每个m n 与四个p h - o 及两个s 或s o z 中的两个氧形成六配 位，四个m n 之间相互作用致使它们表现出一定的抗磁性。k a j i w a r a f k a j i w a r a t ， 刘长庚 酬3 尼8 前言 e ta l ，2 0 0 2 ) 1 t j 矾桥联杯 4 芳烃和稀上余属离子形成r l a r l 4 犁金属轮配合物如 ( f i g1 1 7 ) 。 k 由i w a r a ( k 旬i w a r at ，e ta l ，2 0 0 2 ) f _ q 空腔更人的硫杂杯 6 】芳烃前c u ( o a c ) 2 膨 成r 台卜卜c r 的簇合物蜘( f 追l - l 砷。m 分了结构吖阻霸峨疏杂杯【6 】芳烃采 取p i n c h e d e o b c 构象，族台物山两个c 2 对称的c u s 单儿组成的袋，唑簇台物。 澍 f i g1 - 1 6f i g1 - 1 7f i g1 - 1 8 1243 对中性分子的包合作用 硫杂杯 4 芳烃还町1 ，许多叶 性小分子如氯l 叫烷、氯仿、甲醇、1 ，2 - 二氯乙 烷形成包合物，分别将甲醇溶液注 硫杂杯【4 片烃的c h 2 c 12 c h c i 和对叫苯 溶液中，可得到卡客体1 ：1 的包台物恤晶。通过肾晶结构，h c s s e i n i 等( i k i n 、e tu l ， 2 0 0 0 ) 发现具有包合性能的硫杂杯 4 芳烃为锥式结构，且c h 2 c 12 ，c h c i3 和叔丁 基的排列是无序的。与此小同的是，硫杂杯4 1 芳烃与1 ，2 一二氯乙烷形成2 ：1 的包 合物，该包台物具有笼状结构。由r 硫杂杯f 4 1 芳烃空腔内包合1 ，2 - 二氯乙烷分子， 导致硫杂丰f 4 1 芳烃分子结构发生畸变，这种分f 结构发生形变来包台客体分子 的现象，就是超分子化学中所说的诱导匹配。 水溶性的硫杂杯f 4 1 芳烃磺酸赫的包台作h j 有大量的报道，显现出比传统杯 芳烃更加优越的包含性能，可以存水中t h 别卤代烃和芳烃，形成分了胶囊。洪 茂椿( y u a ndq ，e ta l ，2 0 0 5 ) 用2 ，2 - 联吡啶和硫杂杯 4 芳烃磺酸盐作用形成链状 超分了结构，其中硫杂杯 4 芳烃通过钠离子锉联，这此超分了链再通过氧键作 用形成3 d 超分子结构。 i k l 等将水溶性的磺化硫杂杯 4 】芳烃与胺娄阴离子变换树脂结合，用于除去 污水中的痕星肯卣有机小分子。即先把磺化硫杂杯4 1 片烃溶于污水中，让含卤 有机小分子与之充分结合进入其憎水空腔中，然后流经胺类阴离子交换树脂， 由于磺酸根与交换树脂上的胺类分于结合，使硫杂杯f 4 1 芳烃与含卤有机小分了 刘长庚 鬻 贵州大学硕士学位论文前言 形成包合物黏附在树脂上，从而达到除去污水中痕量含卤有机小分子的效果。实 验表明此方法的去除率可达9 9 9 9 以上( i k in ，e ta l ，2 0 0 2 ) 。 刘育研究组利用硫杂杯 4 】芳烃磺酸盐或砜代杯【4 芳烃磺酸盐与有机分子作 得到了一系列超分子组装结构，取得了引人注目的成果。该研究组不仅深入探讨 了硫杂杯 4 】芳烃构象在组装过程中的调控作用，而且对包合作用的热力学起源 做了大量的研究。如砜代杯 4 芳烃磺酸盐与b e n z y lv i o l o g e nd i c a t i o n ( b v 2 + ) 形成了 1 ：2 的层状结构，其中砜代杯 4 】芳烃磺酸盐上下交替排列，微量热方法证明络合 物的形成受焓控制的( l i uy ，e ta l ，2 0 0 5 ) 。 1 2 4 4 树状大分子的合成 硫杂杯【4 】芳烃具有的较大空腔，结构易修饰等特点，使其成为树状大分子 的理想内核( s t a s m yv ，e ta l ，2 0 0 6 ) 合成。l h o t a k ( s t a s t n yv ，e ta l ，2 0 0 4 ) 以1 ，3 一交替 构象的硫杂杯 4 芳烃氧代乙酸乙酯为内核，采用简单的酰胺化反应，合成了外 围也是杯芳烃的树状硫杂杯【4 芳烃大分子。外围为多肽链的树状硫杂杯 4 芳烃 也用类似方法合成( a p p e l h a n sd ，e ta l ，2 0 0 4 ) 。 f i g1 - 1 9 1 2 4 5 催化作用 硫杂杯【4 】芳烃金属络合物的催化性质也有报道，如不同构象的硫杂杯 4 】芳 烃钛金属络合物催化苯乙炔三聚作用，生成1 ，2 ，4 三苯基苯和1 ，3 ，5 一三苯基苯的 比例与络合物的构型( f i g1 - 2 0 、1 - 2 1 ) 有很大关系( m o r o h a s h in ，e ta l ，2 0 0 6 ) 。 f i g1 - 2 0 f i g1 - 2 1 y a s u y u k i 等将硫杂杯 4 芳烃四磺酸镧系金属络合物用作对硝基苯磷酸二酯 的磷酸二酯键水解的催化剂，发现其q u c e 4 + 的络合物在p h = 9 的氨铵盐缓冲溶液 刘长庚第一1 4 页 6 3 2 0 0 8 贵州大学硕士学住论五 前言 中催化效果最好( i c h i k a w ay ，e ta l ，2 0 0 0 ) 。 1246 光化学传感器 m i y u k i n a n t a 把f 沿二、三月酰化的水溶性对叔r 萆硫杂杯r 4 1 芳烃衍生物用 作金届离子荧光榆测传感器，出十川酰基在杯芳烃空腔的微观憎水环境中能产 生荧光反应，当加入金属离子时，由于杯芳烽对余属离子的包合作用，使得川酰 基团被挤出空腔，荧光强度改变，从而可用于金属离子的检测( n a r i t am ，e ta l ， 川咖。卜：f 寸| 广 i 目嵫趣 f i 9 1 - 2 2s e n s i t i v i t y f a c t o r s o f l ( 1 x 1 0 4 m ：口) a n d2 ( 1 1 矿m ：刁) f o r ac o u p l e o f m e t a lc a t i o n s o x l 旷m ) y u t a k ah i g u c h i 用合成的卜种门酰化硫杂杯4 1 芳烃衍生物分别用于金属 l l + ，n a + ，k ，c o 斗，n i 2 干，z n 2 + - r c d 2 + 离子在d m f 的水溶液和s 0 r e n s e n 缓冲溶液的 荧光检测，发现在d m f 的水溶液中，随着待测离子的浓度升高，检测到的荧光 强度减弱，而在s o r e l l s e n 缓冲溶液中i f 好相反。若用下沿为三个丹酰基团修饰， 上沿为不同个数叔丁基的硫杂杯f 4 1 芳烃衍生物作荧光检测，实验表明完全脱叔 r 基的衍生物的荧光强度变化最明显，其中检测c d 抖离子时的荧光强度变化最 太。另外，下沿为两个丹酰基团修饰，上沿完全脱叔丁基的衍生物几乎不能检测 z n 2 + 离子，而对c d 2 + 离子有较好的检测效果，这也就为在有z n 2 + 离子干扰条件百 的c d 2 + 离子检测提供了好的方法( h i g u c h iy ，e ta t ，2 0 0 0 ) 。 刘长庚 瞳l k 乜l l l t h e p a r a m e t e r so f t r i - d a n s y l i m o d i f i e d 、- 1 。- 。 ”1 、d m f a q u e o u ss o l u t i o n 第i5 一面 昂。强 一 _ o 赫淹 责州大学硕士学位论支前言 暇帽售电喧昌 t h e p a r a m e t e r so f t r i _ i l a n s y l m o d i f i e dh o s t 7 _ “ i na1 0v 0 1 d l v l fa q u e o u ss o l u t i o n f i 9 1 - 2 3 由于硫杂杯芳烃将桥联基团由亚甲基变成了软碱原子硫。使它具有些经典 杯芳烃无法比拟的与金属离了配合的性能，其对软酸类金属离子有较好的分子识 别能力；其杯体骨架的相对刚性和桥联基团软硬性质的可互换性，使其能够通过 改变口身的受体识别性能来适应不同种类的底物物相。因此，硫杂杯芳烃柯望成 为类新型的潜力无限的分于受体，在冶金、环保、金属离子分离和问收、医药、 仿生等诸多领域具有广泛的应用前景。 12 罗丹明内酰胺的研究进展 罗丹明是一类氧杂葸为母体的染料。与其他常用的荧光染料相比，罗月明类 荧光染料具有光稳定性、较宽的波长范围和较高的荧光量子产率等优点，是分析 化学和生物医药科学等生物技术领域中最常用的荧光染料之一。特* q 值得注意的 是罗丹明类衍生物在小同的酸碱性条件下有螺环和丌环构象结构变化的平衡过 程，这两种构象可产牛不例的荧光件质。a d a m c z y k ( a d a m e z y km ，e ta l ，2 0 0 3 ) 的 研究证明罗卅明内酰胺化合物在不同酸碱度的溶液中存在如下平衡： 盘点& 蠡。沁了。，( 职k ： r h e d a m i 一：o f o r m 枷帅c l o d r o 邢 f i 9 1 - 2 4 如