（物理化学专业论文）β环糊精包合物的合成晶体结构及量子化学研究.pdf

南开大学博士研究生毕业( 学位) 论文 o fj 易ri 中文摘要 c6 ；卜 ( 超分子化学是当前化学与生命科学前言r - 最重萼的研究领域之。天然环 糊精具有相当i 构b j t j 性和良好的外亲水内疏水的空腔j 作为- , f t p 简单的有机大分 f ，环糊精具有与范围极其广泛的各类客体分子( 有机分子，无机离子，配合物， 甚至惰性气体) 通过分子间的相互作用形成主客体包合物( 即超分子) 。这种相 互作用称为非共价键力( 又称弱相互作用) ，包括范德华力，氢键，静电相互作 用，疏水相互作用等。由于这种超分子的结合方式广泛的存在于生物体系中， 所以理解和研究弱相互作用的本质对于解释和利用一些生命现象，会起到积 极的作用。本论文主要包括以下几个方面： j 一 fl 对于超分子化学的发生发展过程进行) ，回顾与展望，并对其主耍研究成果 进行了总结j 一卫一 国合成并表征了一系歹t j l 3 一环糊精与芳香族小分子衍生物的包合物，并且培养了 其中d - 环糊精与对苯二酚及d 环糊精与吡啶的单晶，采用x 射线衍射法对其 空间结构进行了解析。f 从本文的晶体结构数据和已知的b 环糊精及其包合物 的单晶数据出发，对1 3 环糊精及其包合物的晶体结构作了比较研究，为今后 设计、合成主客体包合物具有一定的指导意义1 一m 丘一一 凸用两种构象搜寻的方法( 分子力学和分子动力学) ，分别确定了1 3 - c d 与毗啶 夏i 乏d 与对苯二酚包合物的最低能量构象，并分别与其晶菇；猫稚了比较。 说明应用分子力学和分子动力学相结合的方法，能够较准确的预测主客体分 子的构型构象。( 从模拟过程中的现象中提出一个新的概念“范德华识别通道”。) 4 首次运用密度泛函理论对第三章实测的p c d 吡啶和d c d 对苯二酚。4 h 、o 两 体系进行量子化学研究。研究结果表明，碳氢化合物具有大量的0 一h 授体 和o 接受体，所以会形成密集的d h o h o 氢键。伍通常情况下，这 一、 些标准的氢键在分子的稳定性方面起到主导作用，而远远弱于标准氢键的c h x 键只起到辅助作用。但是，c h x 键对于总能量的贡献大约为j k c a l t o o li ，所以又不能被简单的忽略。如果由f 某种原因( 如局部区域缺少合适的 南开大学博士研宄生毕业( 学位) 论文 功能团或由于空间位阻等) 起到主导作用的o h 0 键不能现成，比较弱 的氢键的作用就变得十分重要了。) 这是亲水性分子包入环糊精空腔或其他具 七 有疏水性空腔的分子中典型的情况。为了包合物能稳定存在，客体分子只可 能与主体分子形成弱氢键。 一 关键词：环糊精；包合物；晶体结构：分子力学：分子动力学；量子化学 鸯歼文攀媾圭磷究熏毕建( 掌建) 论文 a 薰添善歉a c 蕈 t h e s t u d yo us u p r a m u l e c n i a rc h e m i s t r yi sc u r r e n t l yas i g n i f i c a n tt o p i co fc h e m i s t r ya n dl i f e s c i e n c e + t h ec y c l o d e x t r i nm o l e e n i e sa r eh y d r o p h i l i ea tt h ep e r i p h e r ya n d 酶d r o p h o h i ci nt h e c e n t r a lc a v i t ya n d t h e ya r ea b l et oa c ta sh o s t si ni n c l u s i o nc o m p l e x e sw i t haw i d ev a r i e t yo fg u e s t m e l e e 毯e s ( s u c ha so r g a n i c ，i n o r g a n i c ，e v e ni n e r tg a sm o l e c u l e s ) b e t w e e nm o l e c u l a ri n t e r a t i o n f 赫sl ( i n do f i n t e r a c t i o ni sh a m o d 囊sn o n b o n di n t e r a c t i o n ，i n c l u d i n gv a nd e lw a a l s ，h y d r o g e nb o n d ， e l e c t r o s t a t i ea n dh y d r o p h o b i ci n t e r a c t i o u s t h i sk i n do ff o r m i n gs t y l ei sw i d e l yl y i n g 证b i o l o g i c a l s y s t e m s ou n d e r s t a n d i n ga n ds t u d y i n gt h en a t u r eo f t h ew e a ki n t e r a c t i n gi su s e f u lf o re x p l a i n i g a n du s i n gs o m e l i v i n gp h e n o m e n o nt h i st h e s i si n c l u d i n gt h ef o l l o w i n gm a i np o i n t s ： t t h en e w p r o g r e s sa n di m p o r t a n t a c h i e v e m e n t o f s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r yw e r e r e v i e w e d 2 as e r i e so fi n c l u s i o nc o m p l e x e so fp - c da n da r o m a t i cc o m p o u n d sw 凇s y n t h e s i z e d a l lt h e s e c o 脚p l e x e sw e r ec h a r a c t e r i z e db ye l e m e n t a la n a l y s i s 、i ro rd i f f e r e n t i a lt h e r m a la n a l y s i s 。 c r y s t a l so fp - c d - h y d r o x y q u i n o n ea n d8 - c d p y r i d i n ew e r eo b t a i n e da n dw e r ea n a l y s e db y - r a yd i f f r a c t i o nm e t h o d w i t ho x p c r i e u c c 醛s y r a h e s i sw e r k s t u d i e so fc o m p a r i s o no ft h e c r y s t a l sw e r e c a r r i e do u t 3 t h em o l e c u l a rm e c h a n i s m ( m m ) m i n i m i z a t i o n s t u d i e sa n dm o l e e u l a r d y n a m i n s ( m d ) s i m u l a t i o n sw e g ep e r f o r m e dt oo b t a i nt h eo p t i m i z e dg e o m e t r i e so f8 c d h y d r o x y q n i n o n ea n d c d 一璐, r i d i n es e p a r a t e 甄豫c o m p a r i s o no ft h eo p t i m i z e da n dc r y s t a lg e o m e t r i e sw e r e c a r r i e do u li nt h ec o u l s eo ft h es i m u l a t i o n s 。o n en o wc o n c e p tw a sr a i s e d c a ld e lw a a l s r e c o g n i t i o np a s s a g e 。 4 强ed e u s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y ( d f 玲w a su s e dt od 0s o m eq u a n t u me h e m i e a lc a l c u l a t i o n so n t h et w os y s t e m so f c d - h y d r o x y q u i n o n ea n dl l - c d - p y r i d i n 8 t h ec o n c l u s i o n sw e 蒋a s f o l l o w s ：e a r b o h y d f a l e sc a r l yl a r g en u m b e r so fo - h d o n e t sa n do a c c e p t e r s s ot h a td e n s e n e t w o r k so fc o - o p e r a t i v e0 h o - h 0h y d r o g e nb o n d sc a nb ef o r m e d i n t h en o r m a l s i m a f i o n ，t h e s ec o n v e n t i o n a lh y d r o g e nb o n d sw i l l d o m i n a t et h ei n t e r a c t i o n s ，a n dt h ef a r w e i t k e rc - h 0h y d r o g e nb o n d s 蟊搿o n l ys e c o o d a r yr o l e s s t a l l ，s i n c et h e ya d da b o u to n e k c a lm o l de a c ht ot h et o t a le n e r g y , t h e ys h o u l dn o tb es i m p l y # t 瓣c o t e d 强es i t u a t i o n c h a n g e si f d o m i n a n tn e t w o r k so f 0 h 0h y d r o g e nb e n d sc a nn o tb ef o r m e df o rs o m er e a s o n 。 t h e n ，t h ew e a k e rh y d g o g e nb o n dt y p e sg a i no fi m p o r t a n c ew h i c hw o u l do t h e r w i s eb ev a c a n t t 融si sa t y p i c a ls i t u a t i o ni fh y d r o p h i l i em o l e c u l e sw e r e e n c l o s e di nc y e l e d e x t r i nc a v i t i e s ，o r o t h e rm e l e e u l a rc a v i t yw i t hp a r t l yh y d r o p h o b i cw a l l s k e y w o r d s ：e y e l o d e x t r i n ，i n c l u s i o nc o m p l e x ，c r y s t a ls t l a l e t u r e ， m m m d 。 q u a n t u mc h e m i c a l c a l c u l a t i o n 第一章绪论 1 第一章绪论 蓬勃发展中的超分子科学 超分子概念的根源可以追溯到一百年前维尔纳( w e r n e r ) 对配位理论的创立。 而后者又是在无机化学基础上发展起来的门交叉学科。五十年代以来，配位 化学以其与有机化：学和结构化学相结合为特点，开始了无机化学的复兴时期，从 而在实际上打破了传统的无机、有机和物理化学间的界限，进而成为各化学分 支的结合点。配合物以其花样繁多的价键和空间结构促进了基础化学的发展， 又以其特殊的性质在生产实践和科学实验中取得了重大的应用。随着化学和高 新技术的发展，门新兴的边缘学科超分子化学正在迅猛发展起来，引起 了理论和实验化学家的广泛重视“1 。 第一节超分子化学诞生的历史背景、发展和研究内容 1 8 9 3 年，维尔纳在德国 上发表了的篇题为对于无机化 合物结构的贡献的论文。此文提出了配位理论的所有主要概念。现代的配位化学 就是该文所提理论的演进和发展。但在百多年前的维尔纳时代，由于条件的限 制，用于研究化合物配位构型的主要手段是化学分析、相对分子量测定、电导、 旋光、测定化合物异构体数目和性质等“1 1 。研究得最多的是配位数为4 和6 的 化合物，其配合物的配体大多数是无机和饱和的有机分子或离子，能与中心原子 之间通过孤对电子生成配位键，比如n 地、h 2 0 、o h 、f 一、c l 、( h 。c n 也) 。等。随 着科学技术的发展，x 射线衍射和各种近代波谱用于结构分析，特别是2 0 世纪 5 0 年代以后，高速大型计算机的出现，并用于x 一射线数据，使大多数复杂分子 结构和化学键本质相继清楚。维尔纳时代研究的中心原子主要是氧化态确定的简 单金属阳离子，称为阳离子中心模型( 中心原子都有接受孤对电子的轨道) 。羰基 金属化合物的发展，表明中性原子可作为中心原子( 如v ( c o 。) ，阴离子也可以作 为中心原子( 如f ( c o ) ，”) ，而非金属中心原子是大家早就知道的( 如s f 6 2 一) 。主客 第一章绪论2 一_ - _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ - _ - - - _ _ _ 一 体化学和超分子化学研究内容的伸展，将原先维尔纳的中心原子概念扩展到j ，无 机、有机和生物中的各种阳离子( 如铵n h ；+ 、烷基铵离子r - n 1 3 + 等) 、阴离子( 无机 酸根、羧酸根、磷酸根、n s 一等) 、中性分子( 如c , h , m ( c o ) 。) 。显然，配位化学研究 的对象，不再局限于传统配位化学所研究的能给出孤对电子或不定域电子的配体 和具有接受孤对电子或不定域电子空位的中心原子间形成的化合物，而是扩展到 各种有机、无机配体和各种无机、有机阳离子、生物阳离子、阴离子甚至和中性 分子相结合形成的多种多样配位化合物。七十年代，诺贝尔化学奖获得者莱恩 ( l e h nj m ) 正式提出超分子化学，既广义配位化学( g e n e r a l i z e dc o o r d i n a t i o n t h e m l 吼r y ) ，强调了超分子的组分分子问的相互作用。把与中心离子相应的部分 叫做底物( s u b s t r a t e ) ，与配体相应的称做接受体( r e c e p t o r ) ”1 。克拉姆( c r a md 1 ) 的主客体配位化合物( h o s t g u e s tc o m p l e x ) 和主客体化学( h o s t g u e s t c h e m is t r y ) ，主要研究大环配体及各种宿主形状分子( 离子) 形成的配合物。他 把与中心原子相应部分叫做客体( g u e s t ) ，与配体相应的叫做主体( h o s t ) 。为了 把配位化学的各个领域贯穿起来，布施( b u s c hd h ) 提出了e o m p l e t e c o o r d i n a t i o nc h e m i s t r y ，把与配体相应的叫做接受体r e c e p t o r ，与中心原子 相应的叫做被受体r e c e p t e e 。还有广义的配位化学( c o m p r e h e n s i v e e o o r d i n a t i o nc h e m i s t r y ) 和扩展的配位化学( e x t e n d e dc o o r d i n a t i o ne h e m i s t r y ) 提法等等。 由此可见，配位化学是一门不断发展和丰富的学科，配合物的本性及其 稳定性差别很大，至今很难有。致的确切定义。一般认为配合物是由两种或多 种可以独立存在的简单物种。通过各种结合作用形成的组成和结构一定的化 合物。两个或多个分子和离子组分之间的各种键合作用( 包括分子内的共价键作 用、配位键作用以及主客体化学和超分子化学涉及的氢键、静电引力、范德华作 用力、疏水力等) ”1 1 ，结构单元组装时的相互配合作用( 包括接受体和受体之间 形状、大小的互补性和约束作用) ，决定了其识别作用和配合物的稳定性。 纵观配位化学一百余年的历程，现代配位化学是维尔纳配位理论的发展。 配位化学理论成为化学学科最基本理论之一，一些新物质刚一露面，配位化学理 论随即为其注入活力( 例如氢分子配合物、富勒稀( f u l l e r e n e ) 衍生物、液晶等) 。 有人把维尔纳创立的配位理论比为配位化学的幼树，百余年来己成长为枝繁叶茂 第一章绪论3 的参天大树，而超分子化学就是这棵大树的一个分枝。“ 莱恩定义超分子化学为“超出分子范围的化学”，并规定其研究对象为两 种或多种化学物种( 分子或离子) 通过分子间力相互作用缔合而成的复杂有序且 具有特定功能的超分子体系。它的发展需要利用分子化学的所有方法，并设计运 用非共价的相互作用以便形成超分子整体。事实上，早在三十年代就引入了超分 子的名词，其类似于生物学中的酶( e n z y m e ) 和底物( s u b s t r a t e ) ，其含义可对 应于配位化学中的受体( r e c e p t o r ) 和授体( d o n a r ) ，锁( 1 0 c k ) 和钥匙( k e y ) ，主体 ( h o s t ) 与客体( g u e s t ) ，甚至金属和配体等概念。“”我们曾经在金属配合物方面 作了一些工作，如合成并表征了系列小肽类息夫碱的金属配合物，测定了其杀 菌活性”“；为模拟s o d 的活性中心，合成了水合氯化 i h - 苯并咪唑- 2 - 甲基 胺 合铜( i i ) 配合物“，并测定了其单晶结构( 见图1 一l - i ) 。发现在配合物的堆 积过程中，同样存在分子间的弱相互作用( 多为氢键) 。 f i g u r e ! i t r u c t u r eo fi ；h et i t ；ec o i t l 壮o u n d 图i 卜1 水合氯化 1 h 一苯并咪唑一2 一甲基 胺合铜( i f ) 配合物o r t e p 1 9 9 1 年在第十六届国际大环化学学术会议( i s m c ) 上，l e h n 再次以“超分子 化学的展望：从分子识别到分子信息处理和自组织”为题作了大会报告，指出以 第一章绪论4 大环为主体和多个其他分子或离子作为客体，主客体组成超分子，其结合方式不 能用经典共价键所描述，超分子的生成不是以共价键，而是以静电引力、氢键、 范德华力和7 c 作用力等连接的。 1 9 9 2 年2 9 届国际配位化学学术会议上l e h n 在题为“从配位化学到超分子 化学”的讲演中指出“超分子化学可以看作广义的配位化学，故配位化学的基本 原理和_ 方法、热力学、动力学的处理也适用于超分子的研究，它也是配位化学家 的研究内容之一。可见，此时科学家们对于超分子化学与配位化学之间的关系和 定义已经非常明确。 由于超分子的结合方式在生物体系中普遍存在( 神经系统中的电传递过 程；动物的视觉过程：绿色植物的光合作用和酶催化等过程) ，因此，超分子 化学的研究成为当前化学与生命科学前沿中最重要的领域之。近十几年发展 迅速，作为一门新兴边缘学科，而倍受国际化学界的青睐。有关超分子化学的 文献数量明显增多，并被世人公认为当前化学理论与技术的前沿。近年来，我国 化学界对超分子化学的发展也极为关注：1 9 9 5 年，我国化学工作者专门在香山 召开了发展超分子化学的研讨会，并在化学发展的战略与纲要中把超分子化 学规定为当今优先发展的领域；1 9 9 8 年1 0 月1 6 日一2 1 日在北京召开的会议 主席除了l e h nj m 教授外，还有德国的r i n g s d o r fh 教授和中国的沈家骢院士。 会议主题是超分子体系从分子构筑到功能组装。着重讨论了与材料科学和生命科 学相关的功能超分子体系，强调功能组装体形成过程的基本原理和新概念。讨论 不仅包括低分子量的构筑单元，而且包括高分子量的生物大分子及聚合物自组装 体系。会议主题具体包括五个方面：( 1 ) 组装的本质和推动力基本概念和新 型表征技术；( 2 ) 程序化超分子体系螺旋体、超分子系列和基于分子识别的 组装体；( 3 ) 层状结构表面诱导组织、自组装单层膜复合体系；( 4 ) 生物模拟 生物膜与酶模型、药物传输体系；( 5 ) 自组装大分子嵌段共聚物、缔合 高分子和树枝状高分子。1 9 9 8 年1 1 月在南开大学高科技褛，召开了全国第九 届大环化学即首届超分子化学学术讨论会，。有3 6 个高校和中科院研究单位的 8 0 余位专家教授与青年学者到会，共收到学术论文1 2 8 篇，有8 个大会报告，涉 及内容十分广泛，既有新型大环配体的设计与合成，又有大环超分子功能配合 物、分子识别与组装等。明确体现出大环化学向超分子和有序分子聚集体的方向 第一苹绪论5 发展。这是大环化学研究深入发展的一个重要标志。h 4 1 超分子化学研究包括：分子识别( m o l e c u l a rr e c o g n it i o n ) ，分子自组装 ( s e l f o r g a n iz t t i o n ) ，分子自组织( f l ；e l f o r g a n 阮t t io n ) 和分子器件 ( s t l p e f m 0 1 e c t l i a rd e v ic e ) 等。涉及的研究领域有：有机化学反应中的催化和区 域及立体选择性研究；分析化学中的色谱分离及膜分析技术；生物科学中酶的催 化模拟( 人 ：酶) ；医药领域中新药及药物载体的研究。此外，还涉及到环保，食 品，化装品农业科学等领域。涉及范围之“泛，应用前景之广阔，确定了超分 子化学的在当前科研工作中举足轻重的地位。 分子识别： 在众多的研究内容中，分子识别是超分子化学研究的前提和核 心，其可以定义为某给定受体( 主体) 对底物( 客体) 选择性的结合( 不加选择的结 合不是分子识别) 并产生某种特定功能的过程。也有人将受体对底物的选择性结 合形象地比作钥匙与锁的关系，两者之间的形状大小、亲疏水性都必须匹配，才 能结合。在生物体中酶与底物间的结合，免疫中的抗原体与蛋白质问的结合，基 因密码的翻译与转录，神经传递质信息的传递，及细胞膜的透析都是分子识别 作用的结果。受体与底物成键而形成超分子时信息存储于其结构及其成键位置 ( 本性，数目，排列) 并以超分子形式和离解的速率读出。实际上可以从超分子观 点来看待经典的无机配位化学，即把受体和授体扩展到所有的有机，无机甚至生 物本性的阳离子、阴离子或中性物种，而且他们之间可以在较大的范围内进行接 触。( 图1 一卜2 ) 所示的碱金属配合物就可以看作是球状识别。”。”1 0 图l i 一2 碱金属配合物 图l 一卜3 金属噗啉阳离子 图卜1 4 双核铜单元环所自组装的盘状液晶 第一章绪论6 分子和超分子器件： 可以定义为有结构组织和特定功能的化学体系所形成 的超分子构造。这就要求设计出具有给定功能和适于组装成更大系综的有序分子 元件。元件可以是光、电、离子、磁、热、机械或化学活性的，重要的是要求这 些分子及器件是在超分子水平而不是在主体材料水平上发挥功能。通常可将分 子器件粗分为光子，分子和离子三种类型。 利用光分离空间电荷的分子光二极管设计具有重大意义。可以利用卟啉作为 发色团或光敏剂( s ) 而组成d s a 系统。它在可见光下光子有效的猝灭卟啉的 单激发态而发生电子由d 向a 的转移( d + 一s a ) ，产生寿命较长的卟啉环阳离 子( 图卜1 3 ) 。可逆的分子内电子转移可以恢复原来的状态。人们希望获得速度 较大的电荷分离。a g + 配位于侧环后会冻结z n o e p 的荧光。逆反应慢的原因是生 成的a g 离开了冠醚环，由于取向和距离因素减慢了电子迁移过程，这是种光 电转换器件。“”2 6 1 分子自组装；超分子化学可分为两类。一种是前述的定义为由受体和授体 组分通过分子间的缔合和分子识别原理组建成的寡分子。另一类是这里介绍的由 多分子体系自发缔和而形成的分子系综。它们由数目不定的组分结合成具有特定 相行为并多少具有明确微观机构和宏观特性的有序多分子系综。分子组装，自组 装和协同作用， 多层膜的生成，液晶之类的一定物相的产生都有可能建立这种 超分子构造。由于配位能力，从而形成的超分子在动力学上可以是不安定的或 是惰性的。这就提供了一种组装分子器件和引入调节过程的途径。金属离子可 以在液相和固相反应中起到初级的模板作用或高级的自组装和自组织作用。分子 器件有可能组装成纳米线路。并可能和多分子系综结合成最终可以进行检测、 存储、处理、放大并借助各种具有偶合和调节作用的光子、电子、质子、金属阳 离子、阴离子和分子等中介传递信息的功能。第六代电子计算机将是它的目标之 一一n 含金属液晶最近得到了很快的发展。它具有多种形状及高极化性的特点。图 一1 4 为双核月桂酸铜通过环的叠加所自组装的盘状液晶。由此发展了与相有关 的离子传导。一系列平面型有机和配合物有可能结晶成有序柱排列的i 卜a 型结 构而形成低维导电甚至超导体。 值得注意的是，主体对客体的精确识别，除了二者几何形状相匹配外， 第一章绪论 7 主体与客体间的相互作用也不可忽视。这些作用一般称为弱相互作用( 又称非共 价键力) 。 从传统的只注意共价键配位相互作用进而转向弱相互作用，可谓是化学界新 时代的开始。这些弱相互作用包括范德华力( 离子一离子，离子偶极，离 子一诱导偶极，偶极一偶极，偶极一诱导偶极，色散力等) ，氢键，静电相互， 疏水相互作用等。弱相互作用力一般比化学键的能量小l 一2 个数量级( 如表1 一 l 矗l 所示) ，这种弱丰玎互作用力很难单独形成稳定的复合物，只有当主体和客体 分子在空间的位置取得某种构象，以保持较多的弱作用和较多的结合点协调时， 分子间才能形成较强的结合力或选择性。由此可见，超分子化学无论是理论研 究，还是实际应用都有特殊的意义。“” 表卜卜1 几种重要的分子间相互作用力 相互作用类型强度k c a lm o l 一1相互作用类型强度k c a lm 0 1 1 共价键 5 0 2 0 0 偶极一诱导偶极 1 一l o 离子离子 1 01 0 0 色散力 1l o 离子一偶极 4 0 氢键1 1 0 离子诱导偶极 卜l o 疏水相互作用 11 0 偶极偶极 o l 早在1 8 9 1 年由v i l l i e r s 发现的环糊精( c y c l o d e x t r i n ，以下简称c d ) ，在二十 世纪六十年代以后，又斩露头角。它是第一个被发现能包络其它有机分子的天然 或半合成有机化合物，是优良的人工酶模型。有关它的研究工作，在l 十年代达 到了新的高潮。同时，由于其结构上的特点，特殊的功能和生产上的开发，在医 药、农业、食品、和分析、分离技术等方面的应用研究也取得了进展。下面就 环糊精及其衍生物作为超分子体系受体研究的重要成果作一介绍。 第二节环糊精及其衍生物作为超分子体系 受体研究的重要成果 一环糊精及其衍生物的结构特点 第一章绪论 环糊精( c d ) 也称作环聚葡萄糖，是通过环糊精转葡萄糖基酶作用于麦牙糖 溶液，得到的一系列聚合度不等的由6 、7 、8 、9 1 ：3 个d 一吡喃葡萄糖单元以 1 4 糖苷键连接而成的环状低聚糖的总称，分别命名为a 一，b 一，y 一，6 一， 丫一c d 。目前研究较多的为瑾、d 、y c d ，图1 2 - 1 为c d 的结构示意图：表1 - 2 1 列出常见c d 的基本性质。 图卜2 1 环糊精结构示意图 该类环状低聚糖形成一种被切除锥顶的圆锥体( 上下1 2 1 直径不同) ，更形象的 说，其外形很象中国古代的水井台的形状。环糊精中的各个吡喃葡萄糖单元皆处 于4 c 。椅式构象，并具有相当的刚性。c 一2 和c - - 3 位上仲羟基位于锥形圆筒外 第一章绪论 侧较大开1 2 1 端，c - 6 位的伯羟基位于锥形圆筒外侧较小开v i 端。因此，整个分子 外侧是亲水性的( h y d r o p h i l ic ) 。c 一2 ( o ) 和c - 3 ( 0 h ) 均处于平伏状态，c - 2 ( 0 1 i ) 指向空腔内，而c - 3 ( 0 i t ) 指向空腔外。相邻两个吡喃葡萄糖单元的c - 2 ( o h ) 和 c 一： ( o h ) 仲羟基可以形成氯键，有利于空腔的稳定。c 一： ( h ) 、c 一5 ( h ) 和c 一4 ( 【j ) 构成c 【) 分子空腔内壁。虽然在环糊精空腔中的一圈糖苷键上有n 个类醚氧原f ( 即c - 4 ( 0 ) ) ，但由于它们处于空腔内侧c 一3 ( h ) 和c 一5 ( h ) 构成的两圈共2 n 个c h 键的屏蔽之下，因此其内腔是疏水性的( h y d r o p h o b i c ) 。正是由于c d 这 种“内疏水，外亲水”特殊的分子结构，使得c d 作为主体包络不同客体化合物， 形成特殊结构的包络物( i n c l u s i o nc o m p l e x ) ，由此形成主客体分子化学，即当 前热门课题一一超分子化学的一部分。 表1 - 2 - 1 常见环糊精的基本性质 0 0 f 2 - 4 。o o - 4 舞i s t a n c a n c c e ( ( p p m m ； cryslawaler(manta：40cdiffusionc o n g l4 0ca n ta 【 6 9 7 2 1 45 1 5 0 o5 4 7 0 5 3 0 7 9 0 1 0 1 4 6 0 4 0 1 7 4 1 0 4 0 1 0 h c x 2 , g o v a l a 址s 23 3 2 6 l l4 72 7 l3 s 8 5 1 6 2s 玑5 6 0 0 6 5 0 7 9 0 1 0 1 5 4 0 4 0 2 6 2 1 2 5 7 0 1 4 m o n o c l i n i cp a r a l l e l o g r a m s 2 95 22 0 2 7 0 38 04 8 1 2 9 7 2 32 74 05 7 5 0 8 3 0 7 9 0 1 0 1 7 5 0 4 0 4 2 7 2 5 6 02 0 q u a d c a t i eo s m i s o u r c e ：s z e j t l i 通过化学修饰的环糊精，可以改变其物理和化学性质， 从而克服环糊精本 身的局限性，e 3 i j 舌j 立n n i n n n 。在c - 6 伯羟基，c - 2 和c - 3 仲羟基上引入新基 团的化学修饰的目的一般为：1 提高c i ) 在溶剂中的溶解度：2 改变c d 对底物的 包结能力，增加配位性质：3 为了分子识别和模拟酶。 鼎嚣嚣需三紫 邺枷m川hm姗哪枷mhm姗移爱秽 岫 曲虮灿灿时删扣囊舞筹黧荔 黧鬻蘩 吖畔 札雌艮兰= 温端 竺= 溉一 i = i k n 肿 m 吖 m 加m h w 叽 圣帆 m 帖一 n m m 毗 m 幅_ 昌淼燃强曲j咖景黑等 娜m 吖 叫删眦h甏蒸 二环糊精及其衍生物作为超分子体系受体研究的重要成果 c i ) 的最大特点是能在分子空腔内包络进去有机、无机乃至气体分子，形成 包络物。能进去的分子种类很多，从大部分有机物到极性分子醋酸钾，无机阴离 子以至惰性气体氪，均能被c d 分子包络形成包络物。这种形式不仅能以固体状 态存在，而且在水和某些有机溶剂中 ! 王能形成包络物。1 3 2 3 4 j 1 人工酶模拟在合成化学方面的应用。 近年来，随着科学技术的发展和生物有机化学这一边缘学科的诞生，某些蛋 白质特别是酶的作用功能已很清楚，同时能人工合成与酶有同等功能的化合物。 人工模拟酶应用于生产，可以高效率、无公害的合成各种有机物和生理活性物 质，这己成为当前合成化学的一个重耍课题。己知酶的催化功能，在于它有强疏 水场、不对称场、静电场等，且是先与底物分子结合再进行特异反应，随后将生 成物释出。许多研究结果证明，当有机分子结合到c d 的疏水空腔后，它的电子 状态发生变化，同时由于c d 或它的衍生物与底物分子的反应基团，在空间位置 上的配合，能特异地进行各种反映。c d 在结合和反应上，都是很好的酶模型。5 。” 反应和反应部位的特异性：在c d 包络状态下的反应，表现出底物结构特异 性。测定c d 对乙酸苯酯水解速度的影响，发现无论是吸电子还是供电子取代基 总是对间位取代酯的水解，有明显的催化作用( 表卜2 - 2 ) ，因此提出c d 和酯的“主 体一客体”填充模型( 图卜2 2 ) 。c d 的空洞好比酶的结合部位，而解离羟基与底 物反应基，在空间位置的配合形成反应中心；在定条件下，化学反应的进有 特定的方向。2 一一萘基乙基溴，在c d 存在时水解，没有得到预期的2 一 一萘基乙 醇而是得到了o c 一乙烯基萘。可能是由于c d 的羟基部分解离，产生了所谓协同催 化作用。”7 1 “ 表1 2 2x 。一。一c ”一一一x c 二 _ 。一+ “# 一的反应中c d 的催化作用 1 h0 一c 地m p 一吼 m - b u d b u m c ld c 1o - n 0 2m n 0 1 c h 3 2 。9 77 73 93 82 2 61 71 1 ：1：3 01 0 11 0 3 = ：= ：= = ：至兰坠兰：一 ! ! 图i2 2 7 、t o x 1 一? u t 1 底物反直延的配台 1 撼刊在硫小川：“3 j ! 【5 分解离们钍基 一2 5 氽h h 一c 芗0 ”0 ) 图1 2 - 5 催化作用：含咪唑基的b c d 是很好的核糖核酸模型( 图卜2 3 ) ，催化环磷酸 酯水解的反应速率常数随p h 变化，在中性区域有最大值( 1 a k l = 6 5 ， k = ：1 5 x l o - s s e c 。) ，这正是酶反应的特征；选择有催化能力的金属离子合成络合金属 c d ( 图1 2 - 4 ) ，对于乙酸对硝基苯酯的水解，表现出更高的催化能力( 无催化剂： k = 7 1 1 0 “m i n ，6 a + n i 舢：2 2 x 1 0 - 4 m i n 6 b ：k = 9 3 1 0 吨m i n 1 ) 。带有乙 二胺基团的b c d ，以2 ：l 与c u ”络合( 图卜2 5 ) ，对联糠醛的氧化，有催化作用。” 能量传递：在c d 包络状态下，有能量传递现象，并引起光异构反应。由 乙酸苯酯的光转位反应，得到1 ：l 的羟基苯甲酮，还有水解产物酚。当8 一c d 存 在时，对位产物增多，得到6 5 倍邻位的对羟基苯甲酮，同时抑制了酚的 生成。1 国 2 环糊精及其衍生物在其它方面的应用 环湖精在药物上的应用： 环糊精作为一种药物载体，可与药物形成包络物 提高药物的溶解度和稳定性，以增强其生物利用度，缓解药物对肠胃刺激，消除 某些药物异味，达到药物改性的目的，甚至环糊精还可控制药物释放，延长药物 作用期，提高疗效，这方面的例子很多，国外这方面的综述也不少，在此不一一 举证。值得一提的是意大利已批准生产炎痛喜康b c d 包络物等，这预示着环 湖精包络物已从实验阶段正式进入工业化生产阶段。在国内，环糊精对药物的包 络研究也得到了充分的重视，且包络范围不仅仅局限于西药，已扩展到中草药并 付诸应用。”。” 在食品工业上的应用：环糊精应用于食品工业，主要是用作食品添) j n 齐u ，可 较长时间的保存食物而不变质，如0 1 的c d 与牛奶混合后，后者可在2 0 。c 下， 保存6 8 d 不变质，而不加c d ，同样条件下，牛奶只能保存3 d 。c d 还可防止各 种香料、油料、香梓料及其他易挥发物质的挥发，去除鱼肉腥味等等，这方面， 日本做了大量工作，并将绝大部分申请了专利。“”“ 分析、分离技术：c d 分子的空洞，根据分子大小、空间构型和取代基性质 等，选择包络客体分子。这一性质，可用于混合物的分析和分离。 利用c d 对客体的立体特异性包络，能进行外消旋的拆分。如b c i ) 重复沉 淀甲基次磷酸异丙酯( i s o p r o p y l m e t h y lp h o s p h a t e ) 和亚砜( p - c i 七一& h 一s o c 心) 分别得到光学纯度为6 6 5 和7 1 5 的活性物质：将c d 交联成颗粒状，在 缓冲溶液中膨胀装柱，可以将色氨酸从氨基酸混合物中分离出来。c d 与n 一羟甲 基丙稀酰胺制成有分子筛功能的材料，能选择结合分散体系中的有机物。” 在环境保护上的应用：环境的治理、整顿和维护是当今世界的热门话题，而 c i ) 在环境保护方面也有一席用武之地，它可以与污染物( 如酚，苯，萘等小分子 化合物) 形成包络物1 ，使得污染物稳定，减少有害污染物的发散。“8 。7 ” 生物医学上的应用：胆红素是人体衰老的血细胞中的血红素“”( 铁原卟啉i x ) 的降解产物，人体中积累过多的胆红素会引起非结合型胆红素血症，形成胆 红素脑病，南开大学何炳林主持的高分子所报道了利用6 一c d 固载化高分子吸附 消除非结合型胆红素，并探讨了其包络作用的机制，r a r u p p i a h 等利用环糊精衍 生物和胆固醇形成包络物来分析胆固醇等。”8 “ 第一章绪论 1 3 在电化学上的应用：c d 在电化学方面的应用有两个方面，一是用电化学方 法来研究环糊精包络物的电化学性质：二是用c d 包络物作活性物质制成传感器 来作电化学分析。如c t a m e r 用许多电化学方法，如循环伏安法，极谱法，电位 法及电导分析法来测c d 包络物的稳定常数和离解常数。国内，李培元等也曾应 用循环伏安法研究了硝基药物的p c d 包合物的伏安性质并用电流法测定了其包 络常数。4 1 将环糊精称为主体，与之作用的分子称为客体，则不难看出环糊精有上述 应用的本质，均是作为主体的c i ) 与客体小分子形成包络物的结果。而主体与客 体小分子形成包络物的反应机制和驱动力的研究，是我们认识这种分子识别作 用的本质性理论研究，同样受到化学界的普遍关注。 三环糊精包合物的理论研究 环糊精是研究最早也是最重要的具有包络性能的大环化合物，它的最重耍 的性质就是包结有机物。这种结合是靠非共价键( 即弱作用) 相互作用，一般涉及 以下几个方面( i ) c d 与客体之间的范德华力( v a nd e rw a a l sf o r c e s ) ；( 2 ) c d 的 羟基与客体分子间的氢键( h y d r o g e nb o n d i n g ) ；( 3 ) c d 空腔中高能水分子的释放 与张力能( 构象应变能) 的释放( e x t r u s i e no fh i g he n e r g yw a t e ra n dr e l e a s eo f c o n f o r m a t i o ns i r a i n e n e r g y ) ( 4 ) c d 分子空腔的疏水作用( h y d r o p h o b i c i n t e r a c t i o n s ) ；( 5 ) 客体分子必须与c d 空腔的几何形状( 尺寸和空间构型) 相匹 配( g e o m e t r ym a t c h ) 。这几种相互作用往往同时起作用，每一种力的相对大小与 客体分子的形状、体积、极性取代基的数目与性质以及反应介质和温度等因素有 关。客体分子的极性也是影响包结的重要因素，极性越小的分子越易与c d 的增 水空腔作用；可电离的客体( 如苯甲酸类、苯胺类) ，非电离态比电离态易与c d 作用，若客体分子由亲水和增水两部分组成，则增水部分最大程度与c d 内腔作 用，亲水部分尽可能远离而与极性溶剂和c d 羟基作用，从而使包合物稳定存在。 此外，无机离子及水溶性有机小分子( 如甲醇、乙醇等) 作为第三组份，往往也存 在于包合体系中，由于它们能与主体分子产生特殊作用，因而对主客体包合物的 形成和稳定也起一定作用。 研究环糊精形成包合物的方法很多，如紫外，莹光，核磁共振，园二色谱 等方法。此外，红外，差热和多晶粉末衍射等方法也常用来作为判定是否形成包 第一章绪论1 4 合物的依据；在研究环糊精包合物形成机理和作用本质的过程