（有机化学专业论文）阴离子识别主体的合成、固相组装与液相识别.pdf

2 0 0 4 年南开大学博士毕业论文摘要 中文摘要 阴离子在很多化学、生物过程中都起到了很重要的作用。在过去的2 0 多年 里，阴离子识别一直是一个非常活跃的研究领域。大量的非生物的阴离子识别主 体被设计、合成出来。其中一类非常重要的识别主体是含吡咯单元的化合物，它 们包括杯吡略、扩展卟啉、二毗咯喹喔啉、多聚吡咯等。在生命体内，蛋白质对 阴离子的识别主要是通过肽链中酰胺n h 与阴离子间的氢键来实现的。吡咯与酰 胺n i l 这两种识别位点的组合诞生了一种新的识别结构一毗咯酰胺。本文以 吡咯酰胺为研究对象，合成了十多种吡咯酰胺化台物，研究了它们的晶体结构及 对常见无机阴离子的识别。 本文共分四部分，第一部分为前言。在该部分中，我们详细地阐述了阴离予 识别的发展、识别的主要驱动力、应用等。介绍了基于吡咯类识别主体的研究现 状。 在第二部分我们合成了1 0 种吡咯酰胺化合物，分别是1 h - l l 咯一2 羰基 一n 2 一( 1 一萘胺基) 一乙基酰胺( 1 ) 1 ，, v - l l 咯一2 一羰基7 , - - 酰胺( 2 ) ，i - h - e 咯一2 羰基 一n ，n 一乙二胺基二酰胺( 3 ) ，1 目吡咯- 2 羰基一间苄二酰胺( 4 ) ，1 - h - g 比咯2 一羰基 一n ，n ，n - 三乙基胺基三酰胺( s ) ，1 一搏吡咯一2 一羰基( 2 ，3 二胺甲基喹喔啉) 二酰胺 ( 6 ) ，1 - h - l l 咯- 2 一羰基一2 ，6 - 吡啶二酰胺( 1 5 ) ，l - h - , l t 咯一2 一羰基一( 6 一胺基) - 吡啶一2 酰 胺( 1 6 ) 1 胁吡咯一2 一羰基间苯二酰胺( 1 7 ) 和1 - h - , t t 咯一2 一羰基一邻苯二酰胺( 1 8 ) ， 它们分别含有一个、两个或三个吡咯酰胺基团。通过1 hn m r ，m s ，元素分析， 单晶衍射确定了这些化合物的结构。 通过对上述吡咯酰胺化合物的晶体结构分析，我们系统地研究了吡咯酰胺化 合物在固相的组装规律及组装过程中可能涉及到的分子间弱相互作用力。首次在 毗咯酰胺化合物的单晶结构中发现了该类化合物的一种新的氢键组装模式，为更 合理地利用毗咯酰胺化合物去设计组装体打下了理论基础。 我们还得到了许多吡咯酰胺化合物与溶剂分子络合的晶体结构，这说明毗咯 酰胺化合物可以作为一种分子识别主体。用紫外和荧光技术研究了化合物6 对氟 离子的识别。通过核磁技术研究了化合物4 、5 、1 8 对阴离子的识别。实验结果 2 0 0 4 年南开大学博士毕业论文 摘要 表明三种化合物对常见的阴离子都有中等程度的识别。通过计算优化了化台物 1 8 与f 一和h 2 p 0 4 - 的络合物的结构，发现该化合物对阴离子的络合可能存在着热 力学与动力学的络合过程。与单毗咯单元化合物的阴离子识别能力相比上述四 种双吡咯酰胺化合物的阴离子识别能力都得到了增加。 在第三部分中，我们设计合成了两种基于吡咯酰胺和硝基苯单元的比色 ( c o l o r i m e t r i c ) 阴离子识别主体。两种化合物在强极性溶剂d m s o 中可以对r 、 h 2 p o ，和p h c o o - 可以产生比色反应，体系的颜色从无色变为黄色。 研究表明，吡咯酰胺化合物不仅具有良好的氢键自组装能力，还是一类新的 中性阴离子识别主体，在超分子化学方面将会有很好的应用前景。 为了实现在水中的阴离子识别，我们还合成了一种水溶性的含咪唑和喹喔琳 基团的识别主体。研究了该主体在固态时与b i _ 、n o l 3 - 、p f 6 _ 、b f c 和c 1 0 4 - 的 络合。晶体结构中，该主体对两个b r - 和p f 6 一的络合是有差别的，但对两个n 0 3 一、b f 一一、0 0 4 一的络合是等同的。分析发现，阴离子喹喔啉环弱相互作用在该 主体化合物对阴离子的络合中也起到了稳定作用。 关键词：阴离子识别，毗咯酰胺，合成，晶体结构，阴离子n 作用 2 0 0 4 年南开大学博士毕业论文 摘要 a b s t r a c t d u r i n gt h el a s t2 0y e a r s ，c o n s i d e r a b l ea t t e n t i o nh a sb e e nf o c u s e do na n i o nr e c o g n i t i o n i nt h ef i e l do f s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r yb e c a u s ea n i o n sp l a yaf u n d a m e n t a l sr o l ei na w i d er a n g eo fc h e m i c a la n db i o l o g i c a l p r o c e s s e s ，a n dn u m e r o u se f f o r t s h a v eb e e n d e v o t e dt ot h e d e v e l o p m e n to fa b i o t i cr e c e p t o r s f o ra n i o n i c s p e c i e s o n e k i n d i m p o r t a n tr e c e p t o ri st h ep y r r o l eb a s e dc o m p o u n d s ，i n c l u d i n gc a l i x p y r r o l e s ，e x p a n d e d p o r p h 蜘n s ，d i p y r r o l q u i n o x a l i n e sa n do l i g o p y r r o l e se t a 1 i th a db e e nf o u n dt h a tt h e p r o t e i nc o u l db i n da n i o n i cs u b s t r a t ev i at h eh y d r o g e nb o n d sb e t w e e na m i d en ha n d a n i o n s c o m b i n a t i o no fp y r r o l eb i n d i n gs i t ea n da m i d en h g e n e r a t e dan e wk i n d a n i o n sb i n d i n g s i t e ，p y r r o l i ca m i d e t h en e w a n i o n sb i n d i n gs i t ew a ss e l e c t e da ss t u d y o b j e c t f r o mt h e p o i n t d i f f e r e n tf r o mt h el i t e r a t u r e m o r et h a nt e n p y r r o l i ca m i d e c o m p o u n d sh a v eb e e ns y n t h e s i z e d ，t h e i rc r y s t a ls t r u c t u r ea n da n i o n sr e c o g n i t i o na r e a l s os t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ed i s s e r t a t i o ni sd i v i d e di n t of o u rp a r t s t 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 n ， i n v o l v e dw e a k i n t e r a c t i o n ，a p p l i c a t i o n ，a sw e l la st h er e c o g n i t i o na n ds e l f - a s s e m b l y o f p y r r o l eb a s e da n i o nr e c e p t o r sh a v eb e e n d e t a i l e di n t r o d u c e di nt h ef i r s tp a r t 10 p y r r o l i c a m i d e c o m p o u n d s ，1 一h - p y r r o l e - 2 - c a r b o x y l i c a c i d 2 - ( n a p h t h a l e n - 1 一y l a m i n o )一e t h y l 一a m i d e( 1 ) ，1 - h - p y r r o l e 一2 - c a r b o x y l i c a c i d e t h y l e n e d i a m i d e ( 2 ) ，n ，n d i ( 1 一h - p y r r o l e - 2 - c a r b o x y l i ca c i d ) d i e t h y ll e n e t r i a m i n e ( 3 ) ， 1 - h - p y r r o l e 一2 一c a r b o x y l i c a c i d m x y l y e n e d i a m i d e( 4 ) ，t r i - ( 2 - ( 1 - h - p y r r o l e - 2 一 c a r b o x a m i d e ) ) e t h y l a m i n e( 5 ) ，2 , 3 一d i ( 1 一h - p y r r o l e - 2 - c a r b o x m i d e )a m i d o m e t h y l q u i n o x a l i n e ( 6 ) ，1 - h - p y r r o l e 一2 c a r b o x y l i ca c i d2 , 6 一p y r i d i n e d i a m i d e ( 1 5 ) ，1 - h - p y r r o l e 一2 - c a r b o x y l i c a c i d 6 - a m i n o 一2 - p y r i d i n e a m i d e ( 1 6 ) ，m - d i 一( p y r r o l e 一2 - c a r b o x a m i d e s ) 一 p h e n y l e n e ( 1 7 ) o - d i 一( p y r r o l e 一2 一c a r b o x a m i d e s ) - p h e n y l e n e ( is ) ，h a v eb e e ns y n t h e s i z e d i nt h es e c o n dp a r t t h e s ec o m p o u n db e a ro n e ，t w oo rt h r e ep y r r o l i ca m i d em o i e t i e s ， 2 0 0 4 年南开大学博士毕业论文 摘要 r e s p e c t i v e l y , a n d a l lc h a r a c t e r i z e db y hn m r ，m s ，e l e m e n t a la n a l y s i sa n dx r a y c r y s t a ls t r u c t u r e t h e s e l f - a s s e m b l yr u l ea n di n t e r m o l e c u l a rw e a k i n t e r a c t i o ni n v o l v e di ns e l f - a s s e m b l y o f p y r r o l i ca m i d e si ns o l i ds t a t ew e r es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e db yt h ea n a l y s i so f t h e i r c r y s t a ls t r u c t u r e an o v e lk i n do fh y d r o g e n m o t i fo f p y r r o l i ca m i d e w a sf i r s to b s e r v e d i nt h ec r y s t a ls t r u c t u r eo fp y r r o l i ca m i d ec o m p o u n d s t h ec r y s t a ls t r u c t u r e sp r o v e d t h a tp y r r o l i ca m i d em o i e t yc o u l db ea san e wk i n do fh y d r o g e nb o n d i n gb u i l d i n g b l o c ka n dh a s p o t e n t i a la p p l i c a t i o ni nt h ed e s i g no fs u p r a m o l e c u l a r s t r u c t u r e m a n yc o c r y s t a lo fp y r r o l i ea m i d ew i t h s o l v e n tm o l e c u l e sa r ea l s oo b t a i n e dw h i c h m e a n sp y r r o l i ca n a i d ei san e wr e c e p t o rf o rn e u r a lo ra n i o n i cs p e c i e s u v - v i sa n d f l u o r e s c e n c es p e c t r u ms h o w nt h a tc o m p o u n d6h a sh i 出f l u o r i d es e l e c t i v i t y t h e1 h n m rs t u d i e ss h o w nt h a t4 ，5a n d1 8a l lh a v ea n i o nm o d e r a t ea n i o n sb i n d i n ga b i l i t y t h ec o m p l e xs t r u c t u r e so f1 8 f a n d1 8 h 2 p 0 4 一h a v eb e e no p t i m i z e db y a b c a l c u l a t i o n i tw a sf o u n dt h a tt h e r ep r o b a b l ye x i s tt h e r m o d y n a m i ca n d k i n e t i cb i n d i n g p r o d u c t s c o m p a r e d w i t h m o n o p y r r o l i c a m i d eb a s e da n i o nr e c e p t o r s ，t h ea n i o n b i n d i n ga b i l i t y o f b i s p y r r o l i ca m i d er e c e p t o r sh a v ei m p r o v e d t w oc o l o r i m e t r i ca n i o n ss e n s o r sb a s e dp y r r o l i ca m i d ea n dn i t r op h e n y lh a v eb e e n s y n t h e s i z e di nt h et h i r dp a r t ，b o t ho ft h e mc a ns e n s ea n i o n s ，e s p e c i a l l yf o rf a n d h 2 p 0 4 - i n w h i c ht h es y s t e mc o l o rc h a n g e df r o mc o l o r l e s st oy e l l o w o u rs t u d yd e m o n s t r a t e dt h a tp y r r o l i ca m i d e ，w h i c hn o to n l yh a ss e l h a s s e m b l ya b i l i t y v i ah y d r o g e nb o n d i n gb u ta l s oc a nr e c o g n i z ea n i o n i cs p e c i s ，i sav e r s a t i l em o l e c u l e a n dw o u l dh a sp o t e n t i a la p p l i c a t i o ni ns u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y i no r d e rt o r e c o g n i z e d a n i o n si nw a t e r , aw a t e rd i s s o l v a b l e c a t i o n i c r e c e p t o r , d i ( 3 一m e t h y l i m i d a z o l i u m 一1 - ) - m e t h e n e q u i n o x a l i n e ，w a ss y n t h e s i z e d t h es t r u c t u r eo f ! ! ! ! 兰堕茎盔堂堡：! 兰些丝兰! ! 墨 b r 、n 0 3 一、p f f 、b f 4 - a n dc 1 0 4 - c o m p l e x e si ns o l i d s t a t eh a v eb e e ns t u d i e d i tw a s f o u n dt h a tt h et w ob ra n dp f 6 一i o n sh a v ed i f f e r e n tb i n d i n ge n v i r o n m e n t ，b u tt h e t w on 0 3 一b f 4 一a n dc 1 0 4 一i o n sh a v et h ei d e n t i c a lb i n d i n gm o d e l an e w k i n do f a n i o n 耳i n t e r a c t i o n ，w h i c hc a l ls t a b i l i z e dt h ea n i o nc o m p l e x ，w a sd e t e c t e d i nt h e c r y s t a ls t r u c t u r e s k e y w o r d s ：a n i o nr e c o g n i t i o n ，p y r r o l i ca m i d e ，s y n t h e s i s ，c r y s t a ln r u c t u r e ，眦i o n i n t e r a c t i o n v6 3 3 5 2 9 南开大学学位论文电子版授权使用协议 ( 请将此协议书装订于论文首页) 论文嗣酗嘏爱j 沁毒9 台文，圊棚钮蒜液胡堪糊 系本人 在南开大学工作和学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系本作品的唯一作者( 第一作者) ，即著作权人。现本人同意将本作品 收录于“南开大学博硕士学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文 电子版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自 负。 本人完全了解塑珏太堂图盘焦差王惺在! 焦且堂焦监塞笪簋堡查擅牡同 意南开大学图书馆在下述范围内免费使用本人作品的电子版： 本作品呈交当年，在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及论文全文 部分浏览服务( 博士论文前2 4 页，硕士论文前1 6 页) 。公开级学位论文全文电 子版于提交1 年后，在校园网上允许读者浏览并下载全文。 注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系所名称：4 乜睹p 如 作者签名：啦明 学号：o tuf 1 日期：2 0 0 4 年j 月玎日 2 0 0 4 年南开人学博士毕业论文 第一章前言 一研究背景： 1 1 超分子化学简介 超分子的概念早在2 0 世纪3 0 年代就已经出现而作为一门学科的概念则是 在l e h n 诺贝尔奖演讲中得到了最系统的阐述【1 j 。对应于由原子与原子间通过共 价键连接起来而形成分子，超分子则是基于分子与分子之间通过非共价键相互作 用而形成的分子聚集体。因此，超分子代表了继基本粒子、原子核、原子和分子 之后的下一层次的物质的复杂性，超分子化学也许可以被称为“分子以外的化 学”。用普通语言来表述，化学术语中的原子、分子、超分子就相当于字母、单 词和句子。图1 概述了从分子到超分子的发展i “。 s 一储 j 、d 学心 分子oo 超分子 馨承雨r 磊幕蕊 f i g u r e1 f r o mm o l e c u l et os u p r a m o l e c u l e 超分子化学的发展形成了两个新的观念：一，弱的相互作用在一定的条件下 可以通过加和与协同作用转化为强的结合力，通过组装可使超分子体系具有新的 禀性；二，分子已不再是保持物性的最小单位3 i 。 1 2 阴离子超分子化学的发展 1 9 6 7 年，杜邦公司的两位工作者p e d e r s e n 和p a r k 分别于4 月和1 1 月向j a m c h e m s o c ，投了两篇稿件。p e d e r s e n 的具有历史性意义的工作是第一次向人们介 绍了冠醚系列化合物以及它们的阳离子配位能力| 4 l 。而p a r k 的工作则是首次合 成了一种双环二胺类型的化合物1 ，并演示了它与卤素负离子的复合协j 。该复合 物的结构后来得到了晶体结构的证实m j 。 g 一露 兮叫c h 2 ) k 纱2 一m 忆旁 、一( c h 2 ) ；p 、一( c h 2 ) i ：7 羞墅 删耄三端 2 0 0 4 年南开大学博士毕业论文 可以说键合阴离子和阳离子的人工合成受体分子是在同一时间被发现的。然 而p e d e r s e n 的工作立刻引起了很大的反响，大量的冠醚系列化合物被合成出来 i 7 1 与之相反，p a r k 的工作并未受到广泛的关注。因此。阳离子超分子化学得到 了长足发展而阴离子超分子化学则相对滞后了。 阴离子超分子化学未得到发展与很多因素有关”“j 。一个原因是阴离子的体 积相对较大( 表1 ) ，与之配位的配体需要有相当大的空腔( 对c 厂需要o 3 6 n m ， 而对n a + 仅需要o 0 9 8 n m ) ，从合成的角度讲，要得到有如此大的空腔的大环配体 是相当困难的；另一个原因是阴离子的电荷密度低，产生静电引力也比阳离子弱， 大环配体必须带有相反的电荷才能与之配位，因此对主体的要求显得比较苛刻； 第三，阴离子有多种不同的形状( 如表1 ) ：此外，其他如溶解性、水合能、溶 液p h 值等也是影响阴离子超分子化学发展的一些因素。 表l ：阴离子的几何形状 近年来的生物化学研究表明，阴离子及其识别在生命活动中起着非常重要的 作用，有证据表明它们参加了7 0 酶反应l “i 。、阴离子通常是生命体内很多酶的底 物，如羧肽酶a ( c p a ) 对羧基的专一性识别，其识别目的是水解蛋白质永端的 肽键。磷酸化的阴离子实体在生命体中无处不在，从基因的复制到能量的传导它 们都起着重要的作用。磷酸酶( p h o s p h a t a s e s ) 通过对核苷酸的识别及水解，为 许多组织活动提供了化学能。此外，一些带有磷酸酯的核苷酸类似物还具有抗病 毒的能力。氟离子大量存在环境水中，过多的摄入会引起人的牙齿、骨骼发生病 变，如龋齿。e p a 规定的饮用水中最大的氟离子含量为4 m g l 。囊肿性纤维化 ( c y s t i cf i b r o s i s ，c f ) 是一种常见的致命性基因病，病因是人体内缺乏一种c 】。 2 2 0 0 4 年南开大学博士毕业论文 通道蛋白，不能有效地从肺的上皮细胞中排泄c 厂和f _ ，使得肺部黏液累积所致。 众所周知，碘离子的缺乏容易造成甲状腺疾病。虽然硝酸根本身是无毒的，但是 在人体内它却很容易被还原成亚硝酸根，这时便能氧化血红蛋白中的金属离子， 使得血红蛋白失去载氧能力。同时在工业废水、核燃料工业的废物中都含有大量 有害的阴离子需要处理。这些又重新引起了人们对阴离子超分子化学的兴趣。 阴离子超分子化学的发展的转折点发生在1 9 8 4 年，l e h n ”1 等人报道了化合 物2 的阴离子识别，该化合物的6 h + 盐与n 3 一有很高的缔合常数( a s s o c i a t i o n c o n s t a n t ) 。从此以后，在晶体科学和计算技术发展的促进下，大量的阴离子识 别主体化合物涌现出来，使阴离子超分子化学的研究出现了蓬勃的生机【叫3 i 厂厂o 、“h 。 婪岁 1 3 阴离子络台的作用力 阴离子识别主体化合物对阴离子的识别主要是通过多种非共价键弱相互作 用实现的，这些非共价键弱相互作用主要包括：静电相互作用、氢键、金属离子 配位键、疏水相互作用和阴离子相互作用等。下面分别举例简要说明。 1 3 1 静电相互作用 具有正电荷的基团可以通过正负电荷间吸引产生对阴离子的识别。这类具有 正电荷的基团以季胺类最为常见。s c h r n i d t c h e n i + a 1 j - , 组在研究季胺类阴离子识别 主体化合物方面作出了很大的贡献。如他们设计合成了化合物3 和4 ，这两个大 环季胺化合物可以在水相环境中识别多种阴离子。碘离子复合物的单晶结构证明 碘离子是被包在化合物2 的空腔中。有关季胺类化台物阴离子识别的研究可以参 见s c h m i d t c h e n 的综述【1 圳。与季胺类化合物相类似的主体是一些大环多胺类化 合物，如1 和2 。这类化台物在质子化后，不仅可以通过静电相互作用还可以通 过氢键与阴离子发生作用，达到识别的目的。有关这类化合物的研究情况可以参 见b o w m a n j a m e s 等最近的一篇综述l ”】。使用质子化大环多胺的一个局限性是它 们的使用被限制在一个有限的p h 值范围内。此外，溶剂的变化能够造成主体化 2 0 0 4 年南开大学博： 毕业论文 合物部分去质子化，这样一来就削弱了它们对阴离子络合的强度。 氯g 5 1 3 2 氢键 氢键具有方向性。这样，利用氢键就有可能设计一些具有一定形状的主体分 子去络合特定几何形状的阴离子客体。能够利用氢键产生阴离子识别的基团或位 点很多如酰胺基团c o n h 一、脲、硫脲、及吡咯n h 等。有关氢键被用于阴离 子识别的研究可参见l o e b 及h a m i l t o n 的相关综述o ”】。 8 r = c 6 h s 9r = 4 - m e o c 6 h 5 一鼍c 黟 r 1 0r = 4 - m e c 6 h 5 1 1r = 2 - n a p h t h y瑙 1 9 8 6 年，p a s c a l | 7 1 合成了第一个纯酰胺的阴离子识别主体化合物5 ，在d m s o 溶液中，5 表现了对氟离子识别的特性。自从晶体结构【i 圳证明蛋白质主要是通过 其骨架上的酰胺基团来实现对不同离子的高选择性识别后，大量的具有氢键的主 体化合物被设计出来。其中，r e i n h o u d t ”l 等合成了一系列的三臂酰胺或磺酰胺 化合物6 1 1 ，这种c 3 对称的化含物很适合识别四面体形状的阴离子。a n s l y n 忙” 等通过将1 ，3 ，5 - - ( 胺甲基) 2 ，4 ，6 - - - 7 , 基苯与等量的2 , 6 吡啶二甲酰氯反应，合成 了一种三角形笼状化合物1 2 。因为1 2 分子中的酰胺n h 都指向笼子的内部，这 种化合物很适合识别平面形的阴离子如硝酸根和羧酸根。1 2 与乙酸根复合物的 结构也已经得到了晶体衍射结构证实。 4 一 凡o 睇 2 0 0 4 年南开大学博士毕业论文 卜务 琢一oo 、砖 、6 一吖 1 7 每 脲和硫脲是两类非常好的氢键给体化合物，对于y 形的阴离子如羧酸根来 谎，它们是非常出色的候选识另主体。即使是最简单的脲类化合物1 3 也能络合 一些电荷密度较高和碱性较强的阴离子2 ”。u m e z a w a 2 2 3 等合成了一种非环的双 硫脲化合物1 4 和1 5 ，该类化合物较好的预组织能力使得它们可以很稳定地与磷 酸氢根发生络合，在d m s o 中，1 5 与磷酸氢根络合的稳定常数为1 9 5 0 0 0 m 一。 吡咯n h 可以和阴离子形成氢键并被用来设计阴离子识别主体。如1 9 9 6 年，s e s s l e r l l - i 等合成了一种被称为杯 4 1 1 1 l e 咯的化合物1 6 ( 也叫中位八甲基原 卟啉) ，这种叫法是与杯芳烃相一致的。该化合物可以在固态及溶液中络合氟、 氯及磷酸根等阴离子。具体关于吡咯类化合物的阴离子识别可以参见s e s s | e “l 等人的相关综述及本章第五部分。 1 3 3 氢键与静电吸引相结合 大环多胺、胍基，1 , 3 二取代的眯唑，n 一取代吡啶等都属此类，这类化合物 不仅利用正负电荷间的静电作用吸引阴离子，同时还利用氢键作用于阴离子上， 以求达到对阴离子络合的最佳效果。精氨酸侧链上的胍基在蛋白质键合阴离子底 物和保持蛋白质的四级结构等方面都起到了很重要的作用。胍离子可以和含氧阴 离子形成两个平行的氢键( 1 7 ) ，这在能量上是非常有利的，这一点也已得到了 晶体结构证实l ”l 。胍基具有非常强的碱性( p k a = 1 3 5 ) ，使得它能在很宽的p h 值范围内保持其正电性和氢键供体的特性。合成化学的发展也使得胍基很容易被 锚接到所设计的主体分子内。有关的研究进展可参见a n s l y n 等人的综述f ! “。 人们很早就发现l ，3 二取代咪唑能通过2 位c h 与多种阴离子通过氢键发生 作用”i ，但一直没能引起广泛重视。1 9 9 9 年，a l c l d e f “i 等合成了环状咪唑类化 合物1 8 ，单晶衍射结构证实了1 8 在固态时能通过静电相互作用和氢键与氯离子 发生键合。s a t o f l 9 1 首次合成了两种咪唑类的化合物1 9 和2 0 。实验证明它们能在 乙腈溶液中对卤素离子进行不同程度的络合，其中三臂化台物1 9 的识别能力比 2 0 0 4 年南开大学博士毕业论文 前言 两臂的2 0 强。k i m 【如1 等则从计算与实验相结合的角度研究了一系列咪唑化合物 的阴离子识别情况。h o w a r t h 3 1 等将咪唑基团与二茂铁相结合，从电化学的角度 研究了该类化合物的阴离子识别。此外，一些关于咪唑类化合物的阳离子环状环 番的合成及阴离子识别也受到了重视1 3 2 1 。 n - 取代毗啶类阴离子识别主体中最为代表的是s h i m o d a i ：”l 等人合成的四员 环状化合物2 1 ，晶体结构发现，该化合物通过毗啶环上的氢与溴离子间的氢键 同时可键合四个溴离子。研究还发现，该化合物是一种三元羧酸根的良好受体。 4 b r 国 2 1 1 3 4 金属离子配位键 金属离子等缺电予的l e w i s 酸中心可以通过轨道重叠产生配位键相互作用来 识别阴离子。锡( ) 具有一定的路易斯酸性，可以接受电子，因此其有机化合物 已经被人们用来作为阴离子主体。化合物2 2 a 是一种结构类似于化合物1 的物质 “i ，实验证明该化合物只能键合f - ，在c d c l 3 中对f - 的缔合常数可达到1 吨 1 0 4 m ，选择性比c 广高出1 0 5 倍。固态中，f - 占据了2 2 a 的空腔。与此相比， 2 2 b 的腔体变大，可以观察到它的c r 包合物l ”l 。可见，对阴离子的包结能力与 主体化合物空腔大小是有关的。同时，不管是腔体小的或大的化合物2 2 ，它们 6 2 0 0 4 年南开大学博士毕业论文前言 对c 厂的包结能力都比f 一小m 1 。 汞能与碳原子形成稳定的共价键化合物，也能被用来设计人工阴离子主体。 汞路易斯酸的最大特点是在与路易斯碱键合后，其主体化学的排列不受影响所 以客体复合物不能够损坏主体的骨架。第一个键合c 厂的汞化合物是2 3 ，晶体结 构显示，一个c l 一与4 个汞路易斯酸中心发生配位作用i ”1 。 由于锡和汞都是有毒的金属，用它们来设计阴离子受体在实际应用方面受到 了一定的限制。 b e e r 等人对含金属离子的阴离子识别主体进行了较为深入的研究，他们合成 了许多含三联毗啶钌( i i ) 3 8 、二茂钻一i ，二茂铁 4 0 l 等活性阳离子部分的阴离子识 别主体，这些主体有的同时还含有其他一些额外的识别位点，如冠醚i i ，杯芳 烃l 。“。，酰胺基i 搏3 1 等。如化合物2 4 就同时含有二茂铁、酰胺基团和杯芳烃。 这些主体化合物的阴离子键合作用力一般是过渡金属阳离子对阴离子的静电吸 引和阴离子与酰胺官能团的氢键作用，此外还可能有疏水相互作用。b e e r 小组 的工作具体可参见文献 1 0 9 1 。 c t 一一c 笥h g - h g - c c i l 。黼nhh n 。$ 。= 1 0 7m 1 ) 。这主要归功于轮烷化合物的预组织能力， 它能在环与环之间形成一个四面体的空腔6 9 ，这个空腔为阴离子的配位提供了 一个理想的配位环境。结合6 3 可以发现，酰胺和吡咯的共同作用( 形成氢键) 可以提高主体的阴离子识别效果。但是，6 3 和6 s 的结构都比较复杂，合成更是 困难，这也启发了g a l e 7 9 1 等人设计合成了一些简单的含吡咯酰胺的化合物6 4 6 7 及7 0 7 3 。1 h n m r 滴定实验证实在d m s o 中，7 1 对苯甲酸根的识别效果比较好， 随后的晶体衍射结果证实7 1 可以通过氢键与苯甲酸根负离子形成复合物1 8 。 s c h m u c k i “i 曾报道了另一类基于吡咯的阴离子识别主体化合物7 3 7 8 ，在这 。产b 。管 0 器菇 守妒 ix。 2 0 0 4 年南开人学博士毕业论文 些化合物中，胍基的正电荷、酸性、酰胺氢的氢键以及侧链基团都有助于这类化 合物对羧酸根的识别。在4 0 h 2 0 d m s o 溶液中它们对n - 乙酰化的a 氨基酸 负离子的识别能力非常强( k a * 1 0 3m “) ，这个识别能力是简单乙酰胍基阳离子 7 2 的3 0 倍。化合物与乙酸根形成的复合物也得到了晶体结构的证实识别主要 是通过氢键和静电引力来实现的。 啦7 3n h m z 燃7 2 l ”7 4r l e c k 。柳n 训n h ：i 心h 2 n ”7 7r 掣= h r 7 6 。 h 2 1 5 1 4 线性低聚毗咯 研究表明质子化的灵菌红素( p r o d i g i o s i n ) 7 9 可以通过静电作用及氢键键合阴 离子。s e s s l e r 8 4 等合成的含有六毗咯环的化合物8 0 的二盐酸盐的晶体结构显 示六个毗咯环是共平面的，成一种s 形构象，每一个氯离子都与三个吡咯n h 通 过氢键连接。另一个低聚吡咯化合物是8 1 l ”1 。该化合物可以和氟离子、氯离子 进行l ：1 的络合。此外，两者还可进行灵菌红素的模拟。 1 5 1 5 二吡咯甲烷类 生物学研究表明，二吡咯甲烷可以与蛋白质骨架上的羧基发生络合l “】。 s e s s l e r l 8 7 等成功地得到了化合物8 2 与氟离子的单晶结构，8 2 与氟离子按2 ：l 的 比例进行络合，这是首次得到的- - n l e 咯甲烷的阴离子识别的单晶结构。g a l e 8 l 等最近研究了2 , 2 一二酰胺基二毗咯甲烷8 3 和8 4 的阴离子识别。在d m s o h 2 0 溶液中，它们对含氧阴离子表现出很好的识别的选择性。a k k a y a 8 9 i 等合成了化 合物8 5 ，该化合物的1 ：lz n ( i i ) 的配合物在磷酸根存在时荧光强度会增大到原来 的2 s 倍。但是，与阴离子发生作用的部位是阳离子中心而不是二吡咯甲烷部分。 2 0 0 4 年南开大学博= b 毕业论文前言 1 5 1 6 其他 含毗咯化合物不仅仅局限于对阴离子的识别，最近c h e n l 等人发现2 ，7 二 吡咯2 - 乙炔基1 ，8 萘吡啶( b n p ) 8 6 具有识别中性分子辛基吡哺葡萄糖苷( o c t y l g l u c o p y r a n o s i d ( o g l d ) 的能力。在与客体分子形成复合物时，主体化合物的荧光 性质发生很大的变化。识别主要是通过主一客体间氢键作用来实现的。此外，在 识别过程中还存在一个电子转移过程。 1 5 2 基于吡咯单元化合物的组装 s c h m u c k 在研究毗咯胍基化合物对阴离子的识别时发现这类化合物对羧酸 根的识别能力非常强，于是他们便设计合成了5 胍基羰基2 一羧酸两性分子化合 物8 7 l j 。在o 0 0 1 m 的d m s o 溶液中，甚至于加热到1 7 0 ，化合物8 7 仍为二 聚体的形式存在，晶体结构证明该化合物在固体状态下也是二聚体形式。对于4 位异构体8 8 1 ”1 来说，在d m s o 中，1 0 0 m m 浓度以下主要还是以二聚体的形式 存在，二聚的稳定常数在3 0 3 k 时为2 2 2 m 。而对于甲酯化合物8 9 t 1 来说，在 d m s o 溶液中，通过1 hn m r 和e s i 可以明显观察到二聚体的存在，实验发现 形成这种二聚体的主要驱动力是氢键和n n 相互作用。对于有柔性链连接的化 合物9 0 和9 1 而言1 9 4 1 ，柔性较大的9 1 可以通过链的折叠，在d m s o 中形成非常 稳定的环，作用力主要是分子内的氢键。由于这些化合物在水中的溶解性较差， 为了研究这类化合物在水中的自聚能力。s c h m u c k 将聚乙醇链引入到吡咯的b 位，合成了化合物9 2 t 蚓，在1 0 h 2 0 d m s o 溶液中9 2 形成二聚体的k a 1 7 0 m 。 2 0 璇姆 o 母 b叉。o枣 蒋。h礁一 2 0 0 4 年南开大学博士毕业论文 。“n y 四y o “m 、扣n h 2 8 9 也 ：怫：矗：弋 习专e t o = c e 仉e i ：矿_ 一 吡咯羰基部分在固态下主要是以二聚体的形式存在l “i ，分别带有两个和四 个吡咯羰基酸酯的化合物9 3 ，9 4 ”1 被证实在固体状态下可以通过这种二聚形成 一维的链状结构。同时，g a l e 等人在研究3 , 4 一二氯2 ，5 二酰氨化合物9 5 “】，9 6 和9 7 ”1 对阴离子识别时发现，它们在四丁基氟化铵存在下可以脱去吡咯n 原予 上的氢。在n h n 氢键的作用下可以自组装成为互锁型( i n t e r l o c k ) 的结构9 8 。 c h a k r a b o r t y _ 【i o o 认为5 - 氨甲基吡咯2 羧酸9 8 可以作为二肽的替代品，但却 比二肽的构型稳定，具有一定的多肽模拟方面的应用前景。他们合成了一些含此 片段的多肽，发现它们在溶液中可以形成b 折叠构型。 q 。愈h n 0 p ，。p 扩飞 心冬曩弘 墨越绷稍。 g y h i a | | o 此外，吡咯的n h 在强碱存在下可以脱去质子，去质子的n 原子有很强的 金属离子配位能力。通过金属离子的配位可以得到各种几何形状的配合物，如单 核或双核金属配合物，双核螺旋配合物等m 。m 3 i 。有些配合物还在金属催化反应 方面具有很好的应用前景i “。 二选题思路 研究表明，生命体内的某些蛋白质可以通过其骨架上的n h 与阴离子形成氢 键，这样也就引发了以酰胺为阴离子识别位点的研究1 1 6 ”。一直以来，环肽都被 2 0 0 4 年南开大学博士毕业论文 前茸 认为是很好的阳离子识别主体。随着研究的深入，人们逐渐认识到了环肽还具有 阴离子识别能力，它是种两亲性识别主体i “j 。但是，天然环肽化合物本身固 有的性质如柔性大、难溶解等都限制了其阴离子识别及应用。于是就出现了一些 改进的类环肽阴离子识别主体，如h a m i l t o n i “”i 等合成的类环肽化合物9 9 和及其 改进物1 0 0 ，能对很多阴离子进行识别。本组在类环肽化合物的阴离子识别方面 也作了大量的工作，如穆林静博士合成的基于杯芳烃与胱氨酸的1 + 1 产物1 0 1 对对硝基苯基磷酸酯二价阴离子的识别常数为k a = 3 9 0 0