（物理化学专业论文）芳香胺修饰环糊精的合成及分子选择键合行为.pdf

中文摘要 摘要 化学修饰环糊精的分子识别和组装研究已经成为超分子化学的热点领域之 一，为了进一步研究其分子识别机理的潜在应用价值，本文设计合成了具有特 定功能基的苯胺基修饰的环糊精，通过紫外一可见光谱、圆二色谱、荧光光谱、 等方法考察了修饰环糊精在客体分子识别中，主客体间尺寸匹配、疏水相互作 用、静电相互作用等因素与键合行为之间的内在联系。此外，本文还研究了所 合成的环糊精衍生物对阳离子的选择键合行为。具体研究内容如下： 1 简要介绍了超分子化学的概况，特别是对以环糊精为受体的分子识别和分子 组装研究所取得的重要成果和最新进展进行了介绍和评论。 2 通过引入具有荧光特性芳香胺功能基团，合成了新型的间苯二胺修饰的p 一环 糊精衍生物，并研究了在不同的p h 下对染料分子的键合行为，从主一客体间的 尺寸形状适合、疏水相互作用和静电作用等方面讨论了客体分子的协同键合机 制。 3 设计合成的单一( 6 一氧- 6 - 间苯二胺基) 一b 一环糊精，研究其对阳离子的选择键 合行为。 关键词：超分子化学，环糊精，分子识别，阳离子识别 英文摘要 a b s t r a c t t h em o l e c u l a rr e c o g n i t i o na n da s s e m b l yo fc h e m i c a lm o d i f i e dc y c l o d e x t r i n ( c d ) h a sb e c o m et h es i g n i f i c a n tt o p i co fs u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y t of u r t h e rr e v e a lt h e m o l e c u l a rr e c o g n i t i o nm e c h a n i s ma n dt h e i rp o t e n t i a la p p l i c a t i o n ，as e r i e so fa n l i n e m o d i f i e d ( c y c l o d e x t r i n ) sp o s s e s s i n gt h ef u n c t i o n a lt e t h e r sw e r es y n t h e s i z e do rc h o s e n f o rt h ei n v e s t i g a t i o no ft h e i rb i n d i n gb e h a v i o r sw i t hg u e s tm o l e c u l e sb ym e a n so f u v - v i s ，c i r c u l a rd i c h r o i s m ，f l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p ya n ds oo n t h es p e c i a li n t e r e s t o ft h i st h e s i si st or e v e a lt h eu n d e r l y i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e i rb i n d i n gb e h a v i o r s 、兢mt h eh y d r o p h o b i ci n t e r a c t i o na n ds i z e s h a p ef i tc o n c e p t o nt h eo t h e rh a n d w e a l s or e s e a r c h e dt h eb i n g d i n gb e h a v i o r so f6 - m b i a n i l i n o - 6 一d e o x y - d c y c l o d x t r i nf o ra s e r i e so fc a t i o n t h em a jo rc o n t e n t so ft h i st h e s i sa sf o l l o w s ： 1 t h eg e n e r a la s p e c to fs u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r yw a sd e s c r i b e db r i e f l y e s p e c i a l l y , t h ei m p o r t a n ta c h i e v e m e n t sa n dn e w p r o g r e s so nm o l e c u l a rr e c o g n i t i o na n da s s e m b l y o fc y c l o d e x t r i n sa n dt h e i rd e r i v a t i v e sw e r er e v i e w e d 2 t h en o v e la n l i n em o d i f i e d ( 1 3 - c y c l o d e x t r i n ) sb e a r i n gaf l u o r e s c e n tg r o u pw e r e s y n t h e s i z e da n dc h a r a c t e r i z e d t h eb i n d i n gb e h a v i o r o fs e r i e so fo d d m o d i e d c y c l o d e x t r i nh o s t st o w a r dd y e sg u e s t sw e r ei n v e s t i g a t e da n dd i s c u s s e df r o mt h e v i e w p o i n t so ft h es i z e s h a p ef i tc o n c e p ta n dh y d r o p h o b i ci n t e r a c t i o nb e t w e e nh o s t s a n dg u e s t s ，a sw e l la st h ee l e c t r i c i t yi n t e r a c t i o n s 3 w es y n t h e s i z et h e6 - m b i a n i l i n o 一6 - d e o x y - p - c y c l o d x t r i n ，r e s e a r c h e di tt h eb i n d i n g b e h a v i o r sf o ras e r i e so fc a t i o n k e yw o r d s ：s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y , c y c l o d e x t r i n ，m o l e c u l a rr e c o g n i t i o n ，c a t i o n r e c o g n i t u o n 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下， 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没 有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献 的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原 创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 支雪桶 叫年s 只；国 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影 印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目 录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权 按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子 版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分 或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：翻雪卞夺 砷年莎月弋1 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月 日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 第一章前言 第一章前言 第一节超分子化学概述 超分子化学是“超越分子概念的化学”( t h ec h e m i s t r yb e y o n dt h e m o l e c u l e ) n 1 ，其研究对象是多个物种以非共价键弱相互作用力形成的复杂有序 且具有特定功能的分子聚集体。超分子化学起源于c j p e d e r s o n 对冠醚及其配 位性能的发现昭3 ，随后，d j c r a m 改进了冠醚的合成方法，报道了一系列具有光 学活性的冠醚，根据这些化合物可以作为主体选择性结合伯胺盐( 客体) 形成配 合物的现象，并提出了“主一客体化学 的概念口1 。j 一m l e h n 在这方面也做了大 量的工作，1 9 7 8 年首次提出了超分子化学的概念h 1 。从此以后，超分子化学迅猛 发展并日益成为当代化学家关注的焦点之一。超分子化学所研究的分子间弱相 互作用力，对于理解和揭示高级特异性生物过程，如酶或受体与底物、蛋白质 配合物的形成、核酸的嵌合物、基因密码的破译、神经传递过程和细胞识别等 现象有着非常重要的意义。正因为如此，对超分子化学的发展有着巨大推动作 用的三位科学家j m l e h n ，d j c r a m 和c j p e d e r s e n 分享1 9 8 7 年的诺贝尔 化学奖畸3 。近年来，学术刊物s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y 的创刊发表和以超 分子化学大全( c o m p r e h e n s i v es u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y ) 为代表的几本有 影响力的学术专著的出版问世哺7 3 ，更使得超分子化学逐渐发展成为一门涉及化 学、生命科学、材料科学和环境科学的交叉学科。可以说，从分子化学到超分 子化学( 即共价键结合化学到分子间非共价键结合化学) 标志着化学的发展进入 了一个新的历史时期。 超分子体系是由两个或更多的分子物种( s p e c i e s ) 在分子识别( m o l e c u l a r r e c o g n i t i o n ) 的基础上通过分子间的非共价作用维持在一起构成高度复杂的有 组织的统一体，即通过建立于特定作用方式之上的分子识别过程，实现在分子 及超分子水平上的信息存储( s t o r a g e ) 、恢复( r e t r i e v a l ) 、转移( t r a n s f e r ) 和 处理( p r o c e s s i n g ) 。因此，超分子化学的核心概念是分子识别和分子组装。分 子识别是构筑超分子体系的基础和必要途径，而分子组装则是超分子化学的目 标之一。 大环化合物的分子识别与组装行为是超分子化学研究的重要组成部分，继 第一章前言 冠醚之后，环糊精协和杯芳烃3 相继被称为超分子化学的第二代和第三代化合 物，而穴醚n 0 3 、环番n 1 1 、环多肽、卟啉n 3 1 、酞菁、葫芦脲1 5 1 、树状分子1 6 1 、 富勒烯n 7 1 和纳米管n 8 1 等化合物( 图1 1 ) 在超分子化学中也得到广泛研究，并不断 有结构新颖、性能优异的分子受体被设计和合成出来。 c 圃 豳器 n 杯芳烃 n n 幺 n 弋、 v 髂鬻 h j h 洲刁：l 卟啉酞菁 环肽 图1 1s e v e r a lf a m i l i a rm a c r o r i n gc o m p l e x e s 环糊精化学是超分子化学的一个最重要的研究方向。本论文主要研究环糊 精衍生物的合成与分子识别。 第二节基于环糊精的分子识别与组装 环糊精是一类淀粉经环糊精葡萄糖基转移酶催化降解得到的天然寡聚多 糖，由一定数量的d 一( + ) 一吡喃葡萄糖通过a 一1 ，4 一糖苷键首尾相连形成的环状化 合物，习惯采用一个希腊字母表示其含有的葡萄糖单元数目，根据葡萄糖单元 数目的不同，环糊精可以拥有不同的空腔尺寸叼，其中最为常见的是分别含有6 、 7 和8 个葡萄糖单元的a 一、p 和丫_ 环糊精，结构示意图和模型如图1 1 和1 2 所 示。 2 苎二茎垫宣 。旷吣“岛 。饕5 篷 ：2 稼怒黑： n 。2 ：p c 水o 由n n n23 ：怫y c l o d e x n 图1i d 一、p - 和 环糊精的结构 蛰黪蕊 囝】2 环糊耩的结构模型侧视图和俯视图 其中葡萄糖单元均采取未扭曲的椅式构象，所有葡萄糖单元的6 位羟基构成 了环糊精截锥状结构的主面( 较窄端) ，2 位和3 位羟基构成了次面( 较阔端) 。 环糊精的内壁由指向空腔的c 3 和c 5 上的氢原子咀及糖苷键的氧原子构成，空腔 内部为疏水环境，环糊精次面的2 、3 位羟基使其大口端和外壁表现出亲水性， 由于6 位亚甲基的作用，主面同样表现出一定的疏水性。由于具有疏水的空腔和 亲水的外表面，而且具有手性的微环境，环糊精可以选择性地键合各种有机、 无机以及生物分子形成主一客体包结配合物。因此，环糊精及其衍生物的分子识 别进而形成具有特定功能的组装体的研究具有重意义。 121 环糊精的修饰和分子离子识别 分子识别是超分子化学的基础和核心内容。所谓分子识别是主体( 受体) 对 客体( 底物) 选择性结合并产生某种特定功能的过程。这一过程类似于生命中的 酶与底物、蛋白质与核酸、激素与受体、抗原与抗体、免疫抑制剂与免疫亲体 第一章前言 之间的相互作用。环糊精对客体分子的识别作用源于其空腔的尺寸、疏水性和 手性，其在溶液中与客体分子形成配合物时，通常存在着以下几种分子间相互 作用呦 ：( 1 ) 疏水相互作用；( 2 ) 范德华( v a nd e rw a a l s ) 相互作用；( 3 ) 氢键； ( 4 ) 包结客体分子后，环糊精空腔高能水的释放；( 5 ) 包结客体分子后，环糊精 一水加合物张力能的释放。一般来说，0 【一环糊精的空腔尺度适于包结单环芳烃 ( 苯、苯酚等) ，p 一环糊精的空腔尺度与萘环的尺度相匹配，r 环糊精则与蒽、菲 等三环芳烃结合最稳定比1 | 。 分子识别是超分子化学的核心和基础。环糊精包结配合物的稳定性与客体 分子的疏水性以及主一客体间的尺寸匹配相关。很多研究显示，当客体分子脂肪 链上的亚甲基数目增加时，其与环糊精主体形成配合物的稳定性也随之相应的 增加乜纠。尽管环糊精的空腔显示出一些l e w i s 碱的特征，但它与中性客体分子可 以生成更稳定的超分子配合物，而与带电荷( 正电荷或负电荷) 客体分子则给出 键合作用相对较弱的超分子配合物口朝。这可能归因于分子中的电荷降低了客体 的疏水性，进而影响到主一客体间的弱相互作用。环糊精及其衍生物作为一类重 要的超分子主体化合物，它们具有不同的疏水性内腔和亲水的表面，而且具有 手性的微环境，可选择性地键合各种有机、无机以及生物分子形成主一客体或超 分子配合物。因此，环糊精及其衍生物分子识别的深入研究对于从化学观点再 现生物过程也具有重要意义。 1 2 1 1 环糊精的修饰 由于环糊精边缘上带有众多羟基，其主面和次面上的羟基活性不同，因此， 单修饰环糊精可分为主面修饰与次面修饰两大类。主面修饰环糊精是最常见的 一类修饰环糊精。这是由于它很容易通过亲核取代与易得的中间体6 - o t s p c d 反应制得。因此，对甲苯磺酰基修饰环糊精在环糊精衍生物的制备中有重要意 义。6 - o t s d c d 最早有m e l t o n 和s l e s s o r 瞻羽通过对甲苯磺酰氯与相应环糊精以吡 啶作为溶剂在低温下反应制得，由于吡啶具有较高毒性、并有恶臭，所以后来 发展为单6 一o t s d c d 的水相合成方法，尽管其产率只有6 、1 1 乜町、1 7 1 ， 但操作上的简便和安全使它比吡啶法更容易被接受。第二面修饰的单环糊精同 样也受到人们的关注，虽然2 、3 位羟基的反应活性远不及6 位羟基，但其酸性 却远大于6 位，适当控制反应条件可以得到有一定选择性的修饰环糊精。其中 较常见的方法是在强碱性条件下制得2 - o t s - d - c d 乜引，然后直接修饰得到2 位修 4 第一章前言 饰环糊精或进一步生成2 ，3 一环氧一p c d 继续反应得到3 位取代产物。 八十年代初期出现的一类新型环糊精主体化合物桥联环糊精。在早期 的研究中，b r e s l o w 嘲，t a b u s h i 3 0 3 , h a r a d a 口，f u j i t a 口2 1 分别报导了桥联环糊 精及其包结配合物的合成。从此，大量结构新颖的桥联环糊精被设计合成出来， 与单修饰环糊精相比由于其可通过两个邻近空腔的协同键合，能够显著提高主 体对客体的包结能力以及在识别和催化过程中的特异性和高效性，已逐渐成为 环糊精领域的研究重心聆朝。 在合适条件下，控制反应中投料量的比例，可以得到多取代的环糊精产物， 一般通过h p l c 方法进一步将产物分离。制备双取代环糊精产物的一种特殊有效 的方法是将合适的芳烃二磺酰氯与环糊精反应，可以得到a b 、a c 和a d 三种帽式 环糊精异构体，随所选用的磺酰试剂结构的不同，所得到的主要产物也不尽相 同。6 位、2 位及3 位全取代环糊精的合成相对容易些，为了尽可能减少副反 应，提高修饰反应的选择性，通常会将环糊精的羟基保护起来口朝。另外，为了 扩展环糊精的空腔和增加环糊精的脂溶性，人们合成了全烷基化环糊精，这类 环糊精还可用作手性拆分试剂应用于色谱分离等技术领域。 1 2 1 2 环糊精的分子识别 环糊精作为一种半天然产物，它具有一些其它大环化合物没有的内在优势， 如良好的水溶性、低毒性和容易制备，因此在分子识别研究中有广泛应用。早 在二十世纪三十年代，p r i n g s h e i m 等就发现了环糊精对有机化合物的包结配位能 力【3 7 】；而c r a m e r 研究组从五十年代开始重点对环糊精的包结配位能力进行研究 3 8 1 。环糊精的空腔由于边缘羟基间的氢键网络作用而具有一定的刚性，因此， 客体分子与空腔问的尺寸匹配在决定主客体间所形成配合物的稳定性中起重要 作用。一般来说，i j , 环糊精的空腔尺度适于包结单环芳烃( 苯、苯酚等) ，p - 环糊 精的空腔尺度与萘环的尺度相匹配，y - 环糊精与葸、菲等三环芳烃结合最稳定p 引。 o c 一环糊精可以与偶氮苯形成稳定的包结配合物，其中与甲基橙的稳定常数高达 9 x 1 0 3m - 1 【4 0 1 。b 一环糊精与对叔丁基苯酚这一大尺寸客体分子的配位稳定常数高 达3 6 x 1 0 4m d l 4 1 1 ，与萘环和d 环糊精的配位作用相近【4 2 1 。然而，p 环糊精空腔 更适于与筒状或球状客体分子结合，而不是平面的芳香分子，它与金刚烷1 、 二茂铁【4 4 】以及环状二烯的过渡金属配合物【4 5 】均能形成高稳定性的包结物，而 k a i f e r 等人更将p 一环糊精用作对树枝状二茂铁衍生物的识别1 46 。丫环糊精的空腔 第一章前言 可以容纳芘【4 7 】以及甾体化合物【4 8 】等大尺寸的客体分子，与1 2 冠4 包结可以形成 完美的晶体h 9 1 。哥环糊精还可以与六苯并苯刚和c 6 0 【5 l 】、c 7 0 【5 2 】等富勒烯分子形成 化学计量2 ：1 的包结物。而拥有九个葡萄糖单元的6 环糊精则可以在水溶液中1 ：1 地包结c 7 0 分子【5 3 1 。最近，h 锄a i 等【5 4 】研究了丫- 环糊精同时与二种染料分子形成化 学计量1 ：1 ：1 或2 ：1 ：1 的三元配合物。 环糊精上的众多羟基使其可以被方便地衍生化【5 5 1 ，从而提供分子选择性更 好的主体化合物。u e n o 研究组【5 6 】设计了一系列荧光基团修饰的环糊精衍生物， 研究了它们对不同形状、尺寸和疏水性的模型底物的分子键合能力和荧光感应， 发现取代基在水溶液中可以自发地形成分子内自包结配合物，在与客体分子结 合后，取决于客体分子与环糊精空腔的匹配性，取代基可以被顶出空腔或更深 地嵌入空腔，这类似于酶和底物“诱导楔合 作用机制，同时他们利用p 环糊精 同时与萘和葸的衍生物形成l ：2 的配合物，通过荧光加强来识别有机化合物和 控制他们光二聚的立体加成反应的选择性【5 ”。他们进一步将甲基红、酚酞等指 示剂引入到环糊精的边臂，这类化学修饰环糊精在结合客体分子后会发生表观 的颜色变化【5 引。近年来，他们组又将环糊精和一些小的客体分子修饰到氨基酸 的边臂上，通过外加客体与环糊精的包结能力更强，来改变原有的荧光强度进 行生物上的应用【5 9 1 。刘育等【6 0 】将一些生色取代基作为光谱探针，考察了化学修 饰环糊精对脂肪醇和氨基酸的分子识别，发现环糊精主体不仅可以识别客体分 子的尺寸，而且可以在某种程度上识别手性对映体，给出中等程度的对映体选 择性。 带电荷的主体环糊精可以通过静电相互作用对客体分子产生特殊的识别效 果。r i z z a r e l l i 等人【6 l 】研究了组氨基修饰p 一环糊精铜( i i ) 配合物与色氨酸手性对映 体的包结配位作用，认为在“三点识别 【6 2 】的基础上d 色氨酸的构型与主体匹 配，可以形成更稳定的超分子配合物。l i n c o l n 等【6 3 】研究了各种多胺修饰环糊精 及其金属配合物与色氨酸、苯甲酸、金刚烷酸等客体的配位作用，结果表明主一 客体间的电性作用大大增强了配合物的稳定性。s e t o 等人畔j 研究了带正电荷修饰 环糊精对磷酸酯客体分子识别中的缓冲效应，他们发现，缓冲溶液对键合相互 作用静电组份产生重大影响。带有负电荷的缓冲，例如磷酸和n ( 2 一乙酰胺) 亚胺 二乙酸，可以与磷酸酯客体竞争参与对正电荷环糊精的键合作用，这种竞争过 程降低了主客体间的有效键合常数。而带有正电荷的缓冲，例如t r i s h c l ，没有 很强地参与竞争，反而对主客体配合物的形成更有利。c h o 等人( 6 5 1 用磷酰基d 6 第一章前言 环糊精模拟了生物体系分子识别中磷酰基转移效应：带有负电荷的磷酰基p - 环糊 精与带正电荷的芳香客体分子通过磷酸一阳离子桥形成稳定的超分子配合物，如 果环糊精上的磷酸基团被磷酸酶催化水解离去，则主体对客体分子的键合能力 下降，在某种条件下将客体分子从空腔中释放出来。 近年来，桥联双环糊精的合成及其分子识别研究也备受瞩目。桥联双环糊 精拥有两个通过特定桥链连接起来的环糊精疏水空腔，可以协同结合底物分子， 而桥链又可以作为第三个键合位点。因此桥联双环糊精可以给出比母体环糊精 和简单修饰环糊精更高的分子键合能力或分子选择性【6 6 6 7 1 。 r e i n h o u d t 研究组在环糊精的分子识别方面做了大量研究工作，考察了合成 的二丙基亚胺桥联环糊精对于多种甾体和药物分子的识别；二噻吩基环戊烯桥 联环糊精对于四苯磺酸基卟啉的光可逆变化的分子识别【6 引；t b 3 + 配位的e d t a 桥 联环糊精对于一些合成客体的分子识别研究【6 9 】以及表面主客体多价相互作用的 热力学模型的建立【7 0 】等等。b r e s l o w 等1 7 1 】则是合成了一个联吡啶类桥联环糊精作 为催化剂前体，全酶模拟物。这个主体可以键合一个底物的两端，以至于酯基 团正好在催化功能团上，这样的催化剂是最有效的。用它们进行酯类水解时， 可以达到很高的速率，当催化基团仅是金属离子，特别是铜离子时最为有效。 b r e s l o w 等【7 2 】从6 a ，6 b 二碘1 3 环糊精出发设计合成了一类双桥链桥联环糊精 ( 图1 3 ) ，这类桥联环糊精结合刚性客体的键合常数超过1 0 1 1 m ，几乎可以与抗原 抗体复合体的结合强度媲美。对双链桥联环糊精的合成产物进行精致分离，可 以得到环糊精空腔取向不同的桥联环糊精异构体，通过考察它们与模型底物分 子配位能力的差别，可以进一步验证环糊精二聚体的协同配位作用。 图1 3 双桥链桥联环糊精结构 1 2 1 3 环糊精的离子识别 在以前的许多研究中对离子的识别的主体分子一般都为不溶于水的有机分 子，离子识别受到很大的限制，而环糊精作为改善水溶性的分子，它的引进使 离子识别在水中成为可能，并且由于环糊精的空腔能够包结一些功能分子，这 7 第一章前言 些分子能够协同功能基团进行离子识别，而且主体可以同金属形成稳定的金属 配合物之后能够提高主体对分子的识别能力。因此，引入环糊精进行离子识别 受到越来越多的的科学家的兴趣。 t a b u s h i 等”3 1 所研究的二乙烯三胺修饰环糊精包结金刚烷酸后与锌进行多 位点识别，如( 图14 ) 可以作为一种人工舍成的金属酶，能够应用于催化领域。 c o u l o d b i c m s d o rc o o 州i n t l o ” i o n 一“5dk c 1 h r d r o p h o b i e i n t ? c t i o n d 6 4 0k n l e c f - 埔- 32 l c i l f o t r d b 砌t a n e 1 - c m r b o x y l t e 图i4 二乙烯三胺环糊精、金刚烷酸与锌的配合物 k a n o 等人研究了天然环糊精及其衍生物对于卟啉类化合物的识别能力，并 考察了环糊精与金属卟啉包合物对于阴离子的识别能力和简单的肌血球素携氧 的分子模型7 4 1 。h a y a s l l i c h a 等报道了由芘修饰的冠醚和y 环糊精组装体对钾离 子的选择性识别。并对其识别机理进行了研究。 哙“3 呈- ，c y d 驴 1 a c 归c o m p l e x ( 哪p 铆d m d l e x 图15a y 一环糊精络合物在水中对k 十的响应机理 yl n o u e 等利用微量热滴定的方法研究了带有正电荷的氨基修饰环糊精主 体对一系列阳离子、阴离子以及中性客体分子的配位热力学，考察了静电相互 作用对键合过程的影响，结果显示阳离子主体对带电客体的配位和手性识别行 为是由存在于主一客体之间的静电相互作用以及客体在主体空腔内产生的弱相互 作用( 如疏水、范德华以及氢键相互作用) 所控制的。 近来，刘育等”用8 氨基喹啉修饰环糊精形成了锌配合物( 图16 ) 和陈涝等 第一章前言 用8 氨基喹啉修饰b 环糊精l 一金刚烷酸与锌的配合物( 图1 7 ) ，这两种体系 都对锌具有很强的荧光传感效应，并且受到各种金属离子的干扰很小，因此在 生物学中具有重要的应用。 唰。溉n 8 5 嵋x 弘摹们柑i y l j 肛口 图1 68 氨基喹啉修饰1 5 环糊精与锌的配合物 ab 图1 78 氨基喹啉修饰1 3 环糊精1 金刚烷酸与锌的配合物 d n r e i n h o u d t 等人制备了一个e d t a 连接的桥联d 环糊精。研究发现，该 化合物能够与镧系( i i i ) 金属配位从而可以作为良好的感光剂。其中，主体和e u i 儿 形成的配合物在水溶液中可以与金刚烷基修饰的联苯客体形成1 ：1 的包结配合 物，并且给出了高达1 0 7m - 1 的配位稳定常数。这样，桥联环糊精对客体分子的 包结配位可以提高其在镧离子周围的浓度，使得能量可以在镧离子和客体分子 之间有效地传递。刘育等人合成了联吡啶6 位修饰的桥联p 环糊精分子的键合热 力学之后，发现当在主体中引入金属配位中心后，这些主体能够通过多重协同 识别进一步增强对有机染料分子的键合能力。 9 第一章前言 1 2 2 环糊精的分子组装 超分子化学的一个重要目标就是通过分子自组织和自组装构筑超分子功能 体系。环糊精拥有刚性、筒状的疏水空腔，可以与各种各样的客体分子在水溶 液或固态中形成超分子包结配合物，是进行分子组装研究最易得的起始原料之 一。同时，以环糊精为受体的分子识别研究为环糊精的分子组装提供了众多的 理论基础。因此，以环糊精及其衍生物作为基本建筑块构筑超分子组装体在近 些年吸引着越来越多的兴趣 1 2 2 1 环糊精在固态中的分子组装 x _ 射线晶体衍射分析是研究超分子组装体的一个最直接而有效的方法。近 年来，许多研究组报道了环糊精及其衍生物与客体分子形成超分子聚集体的晶 体结构，展示了风格各异、结构精美的空间拓扑口7 1 。在这些晶体结构中，环糊 精除了包结各种小分子，例如氨基酸衍生物口引、卡宾前体口9 1 、苯衍生物踯吨羽、乌 络托品阳羽、邻菲咯啉随劬以及某些药物分子口5 嘲等，还可以包结长链分子形成轮烷 或聚合轮烷。 h l a n d e r s o n 等则通过水相s u z u k i 耦合反应制备了一系列聚亚苯基乙 烯撑) g - 环糊精轮烷1 8 7 1 。其中，他们得到了骆环糊精 2 轮烷的晶体结构，见( 图 1 8 ) 。晶体结构显示，轮烷中的骆环糊精不是位于二苯乙烯基苯骨架的中心，而 是位于该骨架的一侧。进一步，轮烷和轮烷之间除了依靠异酞酸端基基团的兀7 t 作用相互关联之外，环糊精和异酞酸基团参与的氢键相互作用也在其中扮演了 重要的角色。 h 0 2 h 0 2 0 2 h 0 2 h f i g u r e1 8t h es t r u c t u r eo fa c y c l o d e x t r i n 【2 r o t a x a n e s k a m i t o r i 等利用x 一射线衍射分析方法研究了由d - 环糊精分别和聚氧杂环 丁烷、聚丙二醇高分子链构筑的假聚轮烷的晶体结构。在每一条高分子链上， 1 0 第一章前言 p 一环糊精都是以头对头的形式排列成一维柱状结构，环糊精第二面羟基均与相邻 的环糊精形成氢键。同时，在环糊精分子之间填充着大量的水分子，这些水分 子与众多的羟基形成分子间氢键进一步稳定了这种柱状结构。 一些带有特定功能基团的修饰环糊精也能自聚集形成超分子组装体。1 9 8 2 年，k f u j i t a 等人合成了6 脱氧6 ( 叔丁巯基) p 环糊精并得到了第一个修饰环 糊精的晶体结构。晶体结构显示，这个修饰环糊精能够沿着一个二重轴排列形 成螺旋自聚集结构。为了揭示修饰环糊精通过分子穿插形成螺旋柱状超级结构 的机理，刘育等【8 8 1 制备了一系列苯衍生物单修饰的p 环糊精( 图1 9 ) ，并通过 x 一射线衍射分析、圆二色和二维核磁等手段研究了它们在固态和水溶液中的聚 集行为。在固态中，b 环糊精衍生物l a - l e 、2 和3 能够沿着二重或四重螺旋轴 进行排列，芳香取代基插入相邻环糊精的空腔中形成螺旋柱状超级结构。化合 物4 则展示了与其它单修饰环糊精完全不同的自组装方式，两个环糊精取代基 能够互相插入到对方的疏水空腔中形成独特的尾对尾式二聚体结构。在水溶液 中，化合物1 a 1 e 和4 显示了与晶体结构类似的聚集方式，而2 和的芳香取代基 则插入到自身的环糊精空腔形成自包结配合物。对于这种现象的一个可能的解 释是，在水溶液中形成自包结配合物，主要是疏水作用起主导作用；而在固态 中，氢键和疏水相互作用共同贡献于螺旋柱状超级结构的形成。同时，化合物 1 a 1 e 和4 苯环上的取代基对于控制其在溶液中的自聚集也起到了至关重要的 作用。 99 pq 嗽 昌昌昌昌 3 4 图1 9 一系列苯衍生物单修饰环糊精 1 2 2 2 功能环糊精组装体 近年来，由分子自组装方式构筑的功能超分子组装体在分子电线、氧化还 毒蚕 嚣： 霉= 鲁 r r r r rah；l熊点 第一章前言 原开关、纳米电子开关、发光二极管、磁性材料、分子印迹材料以及在自组装 界面上的手性识别研究等方面已经表现出巨大的潜在应用价值阳州1 。适当的光活 性、电活性或离子活性的基团或组分的相互结合，可能产生具有特殊功能的超 分子组装体，能进行诸如能量、电子、离子传递和信息储存，这为分子器件、 精妙的化学微反应器以及人工合成细胞的设计开辟了新的道路。利用分子识别 和组装机理来构筑超分子聚集体一直是科学工作者所追求的目标。环糊精的特 殊性能使其常被用作基本建筑单元构筑超分子组装体，如轮烷聚轮烷、索烃、 分子梭、纳米线、分子膜和分子囊泡等等。 轮烷聚轮烷是环状分子和线性分子通过非共价键组装成的超分子体系，线 性分子两端用大基团封闭阻止环状分子的脱落。如果没有对线性分子进行封端， 所得到的超分子配合物则称为准轮烷假聚轮烷。自从1 9 8 1 年h o g i n o 旧纠首次 报道了环糊精轮烷的制备以来，环糊精轮烷聚轮烷的研究成为以环糊精为建筑 块的超分子体系的热点之一。在这个研究领域，a h a r a d a 等人做出了重要的贡 献田3 1 。他们将端基为氨基的p e g ( 聚乙二醇) 与a 一环糊精形成的假聚轮烷用2 ，4 一 二硝基氟苯封端得到了一个聚轮烷，并形象地称之为“分子项链 。此类“分子 项链”经过进一步交联反应后脱去高分子链( 分子轴) ，就得到了所谓的“分子 管道”。由于高分子链的多分散性，通常得到的聚轮烷上环糊精的数目也是各有 差异的。为了制备准确计量比的聚轮烷，他们又合成了固定长度的p e g 高分子链 ( m w = 1 2 4 8 ) ，从而得到了含有1 2 个环糊精单元的聚轮烷阳射。在进一步的工作中， 他们使用隧道扫描电镜( s t m ) 的针尖推动环糊精在高分子链上做往返运动，并发 现氢键在“分子项链”的形成过程中起到了重要的作用旧5 1 。最近，他们还报道 了几种其它类型的聚合轮烷锝呻钉，例如利用封端剂蒽基团的光二聚反应将聚轮烷 连接起来啪1 ，利用d 一环糊精和联噻吩包结配合物通过有氧聚合方法制备假聚轮 烷等等。 a n d e r s o n 等人合成了以偶氮苯和二苯乙烯为分子轴，用萘磺酸封端形成轮 烷( 图1 1 0 ) ，环糊精可以随着c = c 、n = n 的光异构化在分子轴上移动。另外， 环糊精穿插在共轭高分子链上再进行封端反应得到了拥有共轭分子轴的聚轮 烷，在分子水平上控制了分子间相互作用，这种绝缘的“分子电线 有着良好 的发光性能和较高的热稳定性，具有比作为其分子轴的高分子链更强的荧光效 率和更好的水溶性，其在水溶液或固体膜状态可以与离子传输高分子p e o 产生超 分子相互作用，将光致发光和电致发光的效率提高了9 - 2 0 0 倍唰。 1 2 第一章前言 图l1 0 a n d e r s o n 合成的环 jfs t o d d a r t 等人制备了乳糖修饰的环糊精衍生物“。这类环糊精衍生物 能够与聚紫晶形成假聚轮烷( 图1 1 1 ) 。研究发现，该假聚轮烷在溶液中有着较 好的稳定性。更为有意义地是，相比于乳糖修饰的甘油簇和聚氨基葡萄糖，这 个假聚轮烷的乳糖取代基能够与一种t 型细胞键合，可以有效地抑制该类细胞的 聚集，这些实验结果为研究蛋白质一糖类化合物之间的相互作用提供了一个很好 的人工模型。 爹争 手脚裔+ j f i g u r e1 1 lf o r m a l i o no f p s e u d o p o l y r o t a x a n ew i t hl a c t o s i d e b c a d n gc y c l o d e x t r i n 刘育等人则在单链聚合轮烷的基础上，采用桥联双环糊精金属配合物为环 状分子，制备了双( 假) 聚轮烷和双分子管道“训。所得的聚集体使用核磁共振和 显微镜等手段进行了表征。同时，他们将桥联环糊精和萘修饰的杯芳烃通过杯 芳烃萘基与桥联环糊精空腔之间的弱相互作用组装成具有高级结构的超分子纳 蛾姆 第一章前言 米线，并通过分子识别能力控制了纳米线的致密性，使用光学手段和电镜技术 研究了该纳米线在固态和溶液中的键合行为n 1 。 在其它类型的环糊精轮烷聚轮烷工作中，k e g e c k e l e r 等人通过引入富勒 烯，制备了富勒烯包结或修饰的环糊精n 咖、富勒烯封端的聚合轮烷n 吲以及富勒 烯和环糊精互锁的聚合轮烷n 0 6 1 。除此之外，还有p 一环糊精参与的拥有电荷转移 性能的轮烷n 川、单壁碳纳米管穿过的”一环糊精假轮烷n 鸺3 、有着非共价键封端剂 的假轮烷n 的1 、不对称假聚轮烷异构体n 1 们以及聚噻吩、聚芴穿过的p 一环糊精半导 体聚合轮烷埘等等。 除了轮烷聚轮烷，环糊精也能参与其它功能组装体的制备。a e k a i f e r 等 人合成了巯基修饰的环糊精，然后将巯基环糊精衍生物吸附到金属纳米粒子上 n 1 3 ，儿划。由于该类纳米粒子具有较好的水溶性，可以用于相转移和催化试剂。进 一步，根据r 环糊精可以与c 形成2 ：1 的包结配合物的事实，他们制备了r 环糊 精修饰的金纳米粒子，通过金纳米粒子之间附着的r 环糊精对c 。的包结作用提高 了c 的水溶性。同时，c 印作为一种“分子胶 将金纳米粒子聚集成直径约2 9 0n m 的聚集体网络n m l 。这一结果在三维长程有序的纳米粒子排列组装中会有潜在的 应用价值。 d n r e i n h o u d t 等人合成了拥有长烷基链巯基的修饰环糊精，并将其吸附到 金表面自聚集形成单层膜m5 j 。由于形成单层膜后环糊精的腔口朝外，因此他们 研究了该单层膜与某些染料和胆酸衍生物的主一客体键合行为。进而，他们合成 了金刚烷或二茂铁修饰的杯芳烃或树状分子( 图1 1 2 ) ，研究了这类化合物与环 糊精单层膜的主一客体键合行为n 1 副。其中，金刚烷修饰的杯 4 芳烃与环糊精单 层膜的键合常数达到3 5 1 0 6m - 1 ，因此形象地称这种组装体为“分子打印板”。 1 4 第一章前言 ? 弩叠( 一鼍三厂：| ! ：、 ：毒气。j 孓! 二0 r： v j 。，l 7 0 7 j ，0 。jj 、- o ， o i - 筇气 i i i 、 川：t 1 3 - c y e j o d e “ f i g u r e 2 ad a m a n t y l - f u n c l i o n a l i z e d p o l y ( p r o p y l e n e i m i n e ) d e n d r i m e r s ( 曲，t h e i r f o r m a t i o no f w a t e r - s o l u b l ea s s e m b l i e sb yc y c l o d e x t r i n ( b ) ，a n d t h ea d s o r p t i o no f t h e s ea s s e m b l i e so m oa c y c l o d e x t r i ns e l f - a s s e m b l e d m o n o l a y e r o ng o l d ( c ) bjr a v o o 和rd a t c y 等人报道了一系列长烷基链修饰的6 一环糊精两性分子 形成的囊泡结构，该囊泡结构具有包封溶质分子作为载体材料的潜能“”。近 来，他们又研究了一类环糊精双层分子囊泡对不同结构聚合物客体的分子识别 行为“。研究结果显示，支链为对叔丁基苯胺( b a n ) 的聚台物分子与分子囊泡表 面可以产生很强的相互作用，形成蘑菇状结构；而支链为金刚烷胺( a d a ) 的聚合 物分子则与囊泡作用较弱，形成了梳子状超分子结构。 由此可以看出，环糊精在超分子组装领域有着非常广泛的应用。除了上面 所涉及到的之外，还有其它许多类型的组装形式，例如环糊精树状模式聚集“、 环糊精分子印记o ”3 和微孔材料“”1 等等。最近，环糊精富勒烯包结配位体系显 示出了固氨的性能，为环糊精功能体系的应用又开创了一条新路。 第三节本论文的选题 综上所述，化学修饰环糊精的分子识别以及环糊精的功能化研究已经成为 当今化学研究的热点领域之一。然而，新型修饰环糊精的设计和合成以及它们 在分子识别等方面的研究仍然是目前亟待深入研究探索的课题。本论文计划设 计和合成一系列化学修饰环糊精并研究其对客体分子和阳离子的识别能力。具 1 5 垒 第一章前言 体研究内容如下： ( 1 ) 以6 一位p 一环糊精对甲苯磺酸酯为中间体，分别制备和合成芳香二胺修饰 的环糊精。 ( 2 ) 采用紫外一可见光谱、荧光光谱、圆二色谱等手段研究这些主体化合物 对一些模型客体的分子识别性能，探讨了主一客体之间的键合模型。 ( 3 ) 研究了单一( 6 一氧一6 一间苯二胺基) 一b 一环糊精，研究其对阳离子的选择键 合行为。 参考文献 1 】a ) l e h n ，j - m a n g e w c h e m i n t e d e n 9 1 1 9 9 0 ，2 9 ，1 3 0 4 ；b ) l e l m ，j - m s c i e n c e1 9 9 3 ，2 6 0 ， 17 6 2 ；c ) l e h n ，j - m s u p r a m o l e c u l a r c h e m i s t y r ：c o n c e p t s a n dp e r s p e c t i v e s ，v c h ， w e i n h e i m ，19 9 5 【2 a ) p e d e r s e n , c j j a m c h e m s o c 1 9 6 7 ，8 9 ，2 4 9 5 ；b ) p e d e r s e n ，c j j