（物理化学专业论文）酰胺和酚类阴离子识别受体的设计、合成及其性质研究.pdf

摘要 摘要 阴离子广泛存在于生物体中，它在医学、催化领域和环境科学中有着举足 轻重的作用。由于阴离子在生命科学和化学过程中的重要作用，设计和合成能 够选择性识别阴离子的人工受体，越来越受到人们的广泛关注并成为当前超分 子化学研究领域的热点。本文在全面阐述和总结近二十年来阴离子识别研究进 展的基础上，设计合成了一系列含有酰胺、磺酰胺、亚胺及酚羟基识别位点的 新型阴离子受体，对其结构进行了表征，通过紫外一可见光谱法、核磁共振法 和电化学方法研究了它们与不同阴离子( f - 、c r 、b r - 、i 一、a c o 一和h 2 p 0 4 一) 的相互作用。具体研究内容如下： 1 设计合成了一系列含有酰胺、磺酰胺、亚胺及酚羟基识别位点，含有n 0 2 、 r u ( b p y ) 2 2 + 、c o ( p h e n ) 2 2 + 和二茂铁等信号报告基团的新型阴离子受体，通过核磁 共振、元素分析和质谱( f a b 或e s i ) 等测试手段对其结构进行了表征。 2 量化计算、紫外一可见吸收光谱和核磁滴定研究表明：十四元酰胺环主 体对f 一具有良好灵敏度和选择性，在识别过程中主体和f 一通过氢键形成配合物。 分子中硝基的引入发挥了最大的效应，一是作为生色基团，报告识别过程，溶 液颜色由无色变成黄色，f 一能被“裸眼”检测。二是硝基的拉电子能力使n h 基团的酸性增强，提高了主体与阴离子的结合能力。七元酰胺环主体与f 一、a c o 一和h 2 p 0 4 一之间存在不同程度的结合能力，对a c o 一的结合能力最强。含 r u ( b p y ) 2 2 + 和c o ( p h e n ) 2 2 + 的开环酰胺主体在所研究的阴离子中对f 一的结合能力 最强，说明在识别过程中影响主客体结合能力强弱的主要因素是阴离子的碱性 和主客体空间构型匹配。 3 在卤素阴离子中，含有n 0 2 的磺酰胺主体对f 一有较高灵敏度和选择性， 同时伴随有溶液颜色的变化( 黄色到深红色) ，从而实现在卤素阴离子中“裸眼 检测f 一的目的。n 0 2 的引入虽然增强了主体与阴离子之间的结合能力，但同时 也使主体在识别过程中发生去质子化现象。含有c h 3 的磺酰胺主体与不同阴离 子的结合能力弱于相应的不含取代基的主体，主体中所含取代基的给电子能力 越强，主体与阴离子的结合能力则越弱。含c o ( p h e n ) 2 2 + 电化学活性中心的磺酰 胺主体对f 一、a c o 一、h 2 p 0 4 一有明显的电化学响应，对c l 一、b r - 、i 一却没有电化 摘要 学响应，因此其可以作为电化学识别f 一、a c o 一和h ，p 0 4 - 的传感器。 4 在中性介质中，研究了含有n 0 2 、邻菲罗啉共轭体系、r u ( b p y ) 2 2 + 的亚 胺类受体的阴离子识别性质。从不同主体与同一阴离子结合常数的不同说明： 在一定程度上，n 0 2 的拉电子能力强于r u ( b p y ) 2 2 + ，r u ( b p y ) 2 2 十强于邻菲罗啉共 轭体系。核磁滴定结果表明：在含有n 0 2 的亚胺主体和f 一的相互作用过程中， 主体发生去质子化现象，f 一首先与主体中的n h 形成氢键，在后续加入的f 一的 诱导下，n h 脱去质子，同时阴离子与邻近n h 的c h 之间形成新的氢键。 5 研究了含有二茂铁电化学活性中心，基于酚类识别位点的主体与不同阴 离子的相互作用。结果表明：主体对f 一、a c o 一和h 2 p 0 4 - 显示了不同程度的电 化学响应；对其它阴离子如c 1 - 、b r 一和i 一没有电化学响应。主体都对含氧阴离 子( a c o 一或h 2 p 0 4 一) 的结合能力最强。可见，在阴离子的识别过程中，影响此 类主体与阴离子结合能力强弱的主导因素是空间构型匹配。通过比较同一阴离 子与不同主体的结合常数说明不同取代基团的引入会影响主体与客体之间的结 合能力，结合能力依照取代基团n 0 2 b r o c h 3 的顺序而减弱。另外，邻位取 代基的存在在一定程度上会阻碍主体与阴离子之间有效的结合。通过主体与阴 离子作用的紫外一可见吸收光谱干扰实验说明，在阴离子识别研究当中，主体 对某一阴离子的强结合能力不受其它阴离子的影响，这一点对于阴离子识别的 应用有着重要的理论和现实意义。 关键词：阴离子识别氢键去质子裸眼检测酰胺亚胺二茂铁酚类 i i a b s t r a c t a n i o n se x i s ti nb i o l o g i c a ls y s t e me x t e n s i v e l ya n dp l a yi m p o r t a n tr o l e si n m e d i c i n e ，c a t a l y s tf i e l da n de n v i r o n m e n t a ls c i e n c e t h ed e s i g na n ds y n t h e s i so f a r t i f i c i a lr e c e p t o r sw h i c hc a l lr e c o g n i z ea n i o n ss e l e c t i v e l yh a sa t t r a c t e dc o n s i d e r a b l e a t t e n t i o n si 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 s eo ft h ei m p o r t a n te f f e c to f a n i o ni nl i f es c i e n c ea n dc h e m i c a lp r o c e s s s o ，i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w er e v i e wt h e r e s e a r c hc o u r s eo fa n i o nr e c o g n i t i o na n dd e s i g na n ds y n t h e s i z eas e r i e so fn e w t y p e a n i o nr e c e p t o r sc o n t a i n i n gr e c o g n i t i v eg r o u p ss u c ha sa m i d e ，s u l f o n a m i d e ，i m i n ea n d h y d r o x y lg r o u p t h es t r u c t u r e sh a v e b e e nc h a r a c t e r e da n dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h e a r t i f i c i a lr e c e p t o r sa n dv a r i o u sa n i o n s ( f 。，c 1 ，b r - ，r ，a c o 。a n dh 2 p 0 4 - ) h a sb e e n r e s e a r c h e d b y t h em e t h o d so fu v - v i s s p e c t r u m 1 hn m rs p e c t r u ma n d e l e c t r o c h e m i s t r y t h ei d i o g r a p h i cc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 as e r i e so fn e w t y p ea n i o nr e c e p t o r sc o n t a i n i n gr e c o g n i t i o ns i t es u c ha sa m i d e ， s u l f o n a m i d e ，i m i n e ，h y d r o x y lg r o u pa n ds i g n a lc 1 1 r o m o p h o r e ss u c ha sn i t r og r o u p ， r u ( b p y ) 2 p ，c o ( p h e n ) 2 2 十，f e r r o c e n y lg r o u ph a v eb e e nd e s i g n e da n ds y n t h e s i z e d t h e s t r u c t u r e so fr e c e p t o r sh a v eb e e nc h a r a c t e r e db yt h em e t h o d so fn m r ，e l e m e n t a l a n a l y s i sa n dm s 2 t h er e s u l t so ft h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o n s ，u v - v i ss p e c t m m ，l hn m r s p e c t r u m i n d i c a t et h a tt h er e c e p t o rc o n t a i n i n g14 m e m b e r e da m i d ei ss e n s i t i v i t ya n ds e l e c t i v i t y f o rf 。i nt h er e c o g n i t i o np r o c e s s ，t h er e c e p t o rf o r m sc o m p l e xw i t hf 。b yh y d r o g e n b o n d i n g t h ei n t r o d u c t i o no fn i t r og r o u pi nr e c e p t o rm o l e c u l ee x e r t st h em a x i m u m e f f e c t o n ei sa sc l l r o m o p h o r ew h i c hr e p o r t st h er e c o g n i t i v ep r o c e s s t h es o l u t i o n t u r n sf i o mc o l o r l e s st oy e l l o wa n dt h ef l u o r i d ea n i o nc a l lb ed e t e c t e db yn a k e d e y e t h eo t h e ri s 硒e l e c t r o n - w i t h d r a w i n gg r o u p t h ee l e c t r o n - w i t h d r a w i n ge f f e c to f n i t r o g r o u ps t r e n g t h e n st h ea c i do fn ha n di m p r o v e st h eb i n d i n ga b i l i t yw i t ha n i o n s t h e r e c e p t o r sc o n t a i n i n g7 - m e m b e r e da m i d es h o wb i n d i n ga b i l i t yo fd i f f e r e n td e g r e ew i t h f ，a c o ，h 2 p 0 4 a n dt h es t r o n g e s tb i n d i n ga b i l i t yi sa c o a m o n gs t u d i e da n i o n s t h e o p e n i n gc y c l ea m i d er e c e p t o r sc o n t a i n i n gr u ( b p y ) 2 2 + o rc o ( p h e n ) 2 2 + s h o wt h e i i i a b s t r a c t s t r o n g e s tb i n d i n ga b i l i t yf o rf 。a m o n gs t u d i e da n i o n s t h ea b o v er e s u l t ss u g g e s tt h a t t h ei m p o r t a n tf a c t o r sa f f e c t i n gt h eb i n d i n g a b i l i t yo fh o s t g u e s ta r et h ea n i o n i cb a s i t y a n dt h ec o n f i g u r a t i o nm a t c ho fh o s t g u e s ti ns p a c e 3 a m o n gh a l o g e na n i o n s ，t h es u l f o n a m i d er e c e p t o r sc o n t a i n i n gn i t r og r o u p s h o wh i 曲s e n s i t i v i t ya n ds e l e c t i v i t yf o rf 。a n da c c o m p a n yc o l o rc h a n g e sf r o my e l l o w t oc a r m i n e t h e s er e c e p t o r sc a nd e t e c tf b yn a k e d - e y e a l t h o u g ht h ei n t r o d u c t i o no f i l i 仃0g r o u pc a ns t r e n g t h e nt h eb i n d i n ga b i l i t yb e t w e e nt h er e c e p t o r sa n da n i o n s ，t h e p h e n o m e n o no fd e p r o t o n a t i o nm a yo c c u ri nt h er e c o g n i t i v ep r o c e s s t h eb i n d i n g a b i l i t yo fs u l f o n a m i d er e c e p t o r sc o n t a i n i n gc h 3w i t ha n i o n si sw e a k e rt h a nt h a to f s u l f o n a m i d er e c e p t o r sn o - c o n t a i n i n gs u b s t i t u e n t t h es t r o n g e rt h ee l e c t r o n - g i v i n g a b i l i t yo fs u b s t i t u e n ti nr e c e p t o ri s ，t h ew e a k e rb i n d i n ga b i l i t yo fh o s t - g u e s ti s t h e s u l f o n a m i d er e c e p t o r sc o n t a i n i n ge l e c t r o a c t i v i t yc e n t e rc o ( p h e n ) 2 2 + s h o wr e m a r k a b l e e l e c t r o c h e m i c a lr e s p o n s et of 。，a c o - , h 2 p 0 4 a n da l m o s tn or e s p o n s et oc 1 ，b r ，i t h u s ，t h e yc a nb eu s e da se l e c t r o c h e m i c a ls e n s o rf o rf 。，a c o ，h 2 p 0 4 。 4 t h ea n i o nr e c o g n i t i o np r o p e r t i e so ft h ei m i n er e c e p t o r sc o n t a i n i n gn i t r og r o u p ， c o n j u g a f i o ns y s t e mo fp h e n a n t h r o l i n e ，r u ( b p y ) 2 计h a v eb e e nr e s e a r c h e di nn e u t r a l m e d i u m t h ed i f f e r e n ta f f i n i t yc o n s t a n t so ft h ec e r t a i na n i o nw i t hv a r i o u sr e c e p t o r s i n d i c a t et h a t t h e e l e c t r o n - w i t h d r a w i n ga b i l i t yo fn i t r og r o u pi ss t r o n g e rt h a n r u ( b p y ) 2 2 + ，r u ( b p y ) 2 2 + i ss 仃o n g e rt h a nc o n j u g a t i o ns y s t e mo f p h e n a n t h r o l i n e 1 i l e1 h n m rt i t r a t i o ns h o w st h a tt h ep h e n o m e n o no f d e p r o t o n a t i o no c c u r si nt h ei n t e r a c t i o n b e t w e e nt h ei m i n er e c e p t o rc o n t a i n i n gi l i 仃0g r o u pa n df f i r s t l y , t h en ho f s u l f o n a m i d ef o r m sh y d r o g e nb o n d i n gw i t hf i nt h ei n d u c e m e n to ff 。，t h eh y d r o g e n a t o mo fn hi sd e p r o t o n a t e da n df f o r m sn e w h y d r o g e nb o n d i n g 、) i ，i mc hw h i c hi s t h en e a r e s tt on h 5 t h ea n i o nr e c o g n i t i o np r o p e r t i e so ft h ep h e n o l r e c e p t o r sc o n t a i n i n g e l e c t r o a c t i v i t yc e n t e ro ff e r r o c e n eh a v eb e e nr e s e a r c h e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e r e c e p t o r ss h o we l e c t r o c h e m i c a lr e s p o n s et of - , a c o - , h 2 p 0 4 。i nt h ed i f f e r e n td e g r e e a n da l m o s tn or e s p o n s et oe l ，b r ，r t h er e c e p t o r ss h o wt h es t r o n g e s tb i n d i n ga b i l i t y f o ro x o a n i o m ( a c o 。o rh 2 p 0 4 ) a m o n gs t u d i e da n i o n s t h e r e f o r e , t h ed o m i n a t ef a c t o r a f f e c t i n gt h eb i n d i n ga b i l i t yo ft h i ss e r i e so fr e c e p t o r si st h ec o n f i g u r a t i o nm a t c ho f h o s t g u e s ti ns p a c e i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h ei n t r o d u c t i o no fd i f f e r e n ts u b s f i t u e n t s w a f f e c t st h eb i n d i n ga b i l i t yo fh o s t g u e s tb yc o m p a r i n gt h ea f f i n i t yc o n s t a n to ft h e c e r t a i na n i o nw i t hd i f f e r e n tr e c e p t o r s t h eb i n d i n ga b i l i t yw e a k e n sa c c o r d i n gt ot h e o r d e ro ft h es u b s t i t u e n tn 0 2 b r o c h 3 i n a d d i t i o n , t h ee x i s t e n c eo f0 s u b s t i t u e n t l i m i t st h ee f f e c t i v eb i n d i n go fh o s t - g u e s t t h ed i s t u r b a n c ee x p e r i m e n to fh o s t g u e s t i n t e r a c t i o ni nu v 二v i ss p e e t r m ns h o w st h a tt h eb i n d i n g a b i l i t yo ft h ec e r t a i na n i o nw i t h r e c e p t o ri sn o ti n t e r f e r e db yo t h e ra n i o n si nt h er e s e a r c ho fa n i o nr e c o g n i t i o n t h i s p o i n th a se x p e r i m e n t a la n dp r a c t i c a li m p o r t a n c ef o rt h ea n i o nr e c o g n i t i o n k e yw o r d s ：a n i o nr e c o g n i t i o n , h y d r o g e nb o n d i n g , d e p r o t o n a t i o r t , n a k e d e y e d e t e c t i o n , a m i d e ，i m i n e , f e r r o c e n e - p h e n o l v 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： 【萄g 孑 汐口8 年j - 月 7 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： f 内部 | 秘密 | 机密 l i h 二：- 二二一 5 年( 最长5 年， 1 0 年( 最长1 0 年 2 0 年( 最长2 0 年 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： f 訇、i 多 d8 年r 月7e l 第一章绪论 第一章 第一节 绪论 - j - 刖吾 分子化学是以共价键为基础，以分子为研究对象的化学；超分子化学是以 多种弱相互作用力( 或称次级键) 为基础，以2 个以上分子通过这种弱相互作 用高层次组装为研究对象的化学，被称为“超越分子概念的化学”。超分子化学 与经典分子化学的不同在于：分子化学是基于原子间的共价键，而超分子化学 则基于分子间的相互作用( 如静电力、氢键、范德华力、疏水作用等) 。超分子 化学是诸多学科的交叉，不仅涉及无机化学、有机化学，分析化学、物理化学 和高分子化学，而且还涉及材料、信息和生命科学。经过精心设计的人工超分 子体系可具备分子识别、能量转换、选择催化及物质传输等功能，其中分子识 别功能是其它超分子功能的基础。 分子识别是超分子化学研究的重要内容之一，最早是由有机化学家和生物 化学家在分子水平上研究生物体系中的化学问题而提出的。分子识别是指主体 分子( 或受体) 对客体分子( 或底物) 选择性结合并产生某种特定功能的过程， 是不同分子间的一种专一的、特殊的相互作用，它既满足相互作用的分子间的 空间要求，也满足各种分子间弱相互作用力的匹配，可形象地描述为锁和钥匙 的相互关系。分子识别包括对中性分子和阴，阳离子客体的识别，识别过程的 关键是主体分子的选择和设计。早在二十世纪六十年代末期，p e d e r s c n 首次发现 了冠醚化合物，并研究了阳离子与冠醚之间高度选择性配位作用；k i h 开展 了穴醚化合物与阳离子配位作用的研究【2 】；c r a m 提出了主客体化学这一概念【3 】， 由此揭开了超分子化学研究的序幕。n - 十世纪七十年代，碱金属、碱土金属 及铵离子受体的阳离子识别研究引起人们极大的关注，使阳离子识别迅速成为 超分子化学研究领域的热点并渐趋成熟。而阴离子识别的研究尚未引起足够重 视，只是在近二十年来方开始认识到阴离子识别的重要性，发展成为新的研究 领域 4 1 。 众多的无机阴离子和有机阴离子在生命科学、药物、催化及环境等方面具 有十分重要的作用。在生物体系中，阴离子是普遍存在的【”】，氨基酸、多肽、 第一章绪论 核苷酸盐等都是有代表性的有机阴离子化合物，硝酸根、碳酸根以及氯离子等 许多无机阴离子在生物体系中也大量存在。生物体内阴离子的跨膜转移和传递 都是通过某种阴离子结合蛋白完成的，因此阴离子在医学、催化领域和环境科 学中也有着举足轻重的作用【8 】。由于阴离子在生命科学和化学过程中的重要作 用，设计和合成能够选择性识别阴离子并能显示其识别过程的人工受体，引起 了人们的广泛关注。对生物学上和环境中重要阴离子具有选择性识别的人工受 体在工业生产( 例如监测追踪化学过程的污染) 、疾病诊断和治疗医学( 监测 电解、应急医学鉴定分析、光化学治疗法) 、环境改造( 各种各样的环境监测) 等方面有着广泛的应用前景【弘。丌。例如，氟离子受体可用于骨质疏松的临床诊断； 增强氯离子跨膜传输的载体分子一直是囊肿性纤维化研究的目标【1 8 】；从河流湖 泊中萃取硝酸盐阴离子能够有效抑制超营养作用及由此引起的缺氧和鱼类死 亡；在原子核燃料的回收利用过程中高锝酸盐的产生( 其最终被丢弃于海洋中) 严重污染环境。因此，阴离子的监测问题不容忽视，设计和合成高灵敏度、高 选择性结合阴离子物种的人工受体，越来越受到人们的广泛关注并成为当前超 分子化学研究领域的重要课题。 第二节阴离子识别 1 2 1 阴离子的结构特点 阴离子识别受体的发展相对于阳离子比较迟缓，主要受制于自身的结构特 点：( 1 ) 阴离子具有不同的几何构型，如球形( f 一、c l _ 、b r - 和i 一) 、直线型 ( o h 一、n 3 一、c n 一和s c n 一) 、平面三角型( a c o 一、n 0 3 一和c 0 3 2 - ) 以及四面 体型( h 2 p 0 4 一、p 0 4 2 一、s 0 4 2 - 和c 1 0 4 一) 等( 见图1 1 ) 【1 9 1 ，这种多样性要求受 体分子具有与之相匹配的空间构型：( 2 ) 阴离子的离子半径较等电荷的阳离子 的大( 见表1 1 ) ，电子云密度相对较低，这意味着对于阳离子识别非常有效的 静电力相互作用在阴离子的识别中只有着较弱的效果；( 3 ) 阴离子有很强的溶 剂化趋势，易受溶剂效应影响，尤其是含羟基溶剂( 如水、醇等) 很容易和阴 离子形成竞争。( 4 ) 存在形式对介质酸度较为敏感( 如多胺受体) ，往往只在 较低的p h 范围内具有识别能力。溶剂效应在控制阴离子结合力和选择性上发挥 着重要作用。阴离子能与质子性溶剂形成氢键，受体分子必须与溶剂分子进行 2 第一章绪论 有效的竞争结合，受体对阴离子的识别方能在该溶剂中实现。由此可见，设计 和选择阴离子识别受体，是阴离子识别研究的基础。 o 球形 f - ，c i - ，8 广，r 线型 n 3 - ，c n - , s c n - 。o h - 佯型 c 0 3 = - , n q r 四面体型 p o tv 0 4 3 - , s o _ 扣， m o o = z - ，s e o , 2 - , m n o = - 八面体型 f e f c n k r 。l c o l c k k 产 图1 1阴离子的结构类型 表1 1 等电荷的阴、阳离子的半径比较 1 2 2 阴离子识别的作用原理 阴离子配位研究主要涉及阴离子识别和阴离子传感两个过程，阴离子识别 是基础，而阴离子识别的关键是受体分子的选择和设计。阴离子受体主要包括 两个部分，一是识别结合基团，二是信号报告团( 发色团) 脚一2 2 1 。阴离子与活 泼氢容易形成氢键，氢键广泛应用于阴离子识别当中，是阴离子识别的主要推 动力。尽管单个氢键的作用能量很小( 0 2 4 0u m - 1 ) 【2 3 】，但是在受体中多重 氢键协同作用可导致对客体分子强的选择性结合，这种作用可以引起红外光谱 振动的变化【2 4 1 、紫外一可见光谱以及核磁共振信号【2 5 - 2 7 】的移动，测试这些光谱 3 o 第一章绪论 变化信号可以很好的识别阴离子，实现对阴离子的传感。 应用氢键识别阴离子是设计阴离子受体的重要方向之一，因此识别基团中 常含有能与阴离子形成氢键的活泼氢，如酰胺、磺酰胺、吡咯、脲和硫脲等基 团。基于氢键的方向性和饱和性，受体分子的氢键识别基团与目标阴离子在空 间结构上要匹配，形成互补。同时，一些带有正电荷的受体含有胍类基团或季 铵类基团也可以通过静电相互作用与阴离子结合。另外，金属配合物也可以作 为阴离子识别位点与阴离子结合，这种作用比氢键作用和静电作用都要强，它 们可以与阴离子形成氢键配合物而广泛应用于识别阴离子受体的设计中。信号 报告团( 发色团) 用于阴离子识别过程中的宏观信号表达，主要包括电化学活 性物质和光化学活性基团。识别基团和信号报告基团可以通过共价键直接相连 以保证信号的高效传递，亦可通过连接基团( 常为亚甲基) 将二者联为一体。 图1 2 是阴离子传感器的结构【2 引。 i n t e g r a t e d c h r o m o p h o r e i o n p h o r e | c h r o m o p h 。r e l i o n p h o r e c h r o m 。p h 。r e 图1 2 阴离子传感器的结构 1 2 3 阴离子识别的作用方式 阴离子识别作用不同于阳离子，阴离子在结构上的特点，使它们与受体分 子间的成键能力弱。因此，阴离子与受体分子之间不能形成强的共价键而以非 第一章绪论 共价键维系着，主要是静电作用、氢键、疏水作用等，这就要求主客体分子间 应充分利用超分子体系中各种协同作用达到某种“默契”，方能实现对阴离子的 识别。阴离子与受体分子间的识别作用力的强弱第一受制于阴离子，不同阴离 子客体与同一受体分子间的作用力随阴离子碱性的增强而增大；同时阴离子的 几何形状关系到主客体分子之间的空间构型匹配，直接影响到识别作用的选择 性和阴离子配合物的稳定性；第二受制于受体分子自身，受体分子与阴离子客 体之间的非共价作用常涉及质子或氢原子的传递过程，特别是基于氢键作用的 主客体配合物，分子间通过氢键桥联为一体，因此受体分子的酸性越强将有利 于主体分子对客体分子的识别作用【4 】。 下面按主客体分子间的作用力性质分类，简要介绍阴离子识别过程中常见 的几种分子间的相互作用力。 1 2 3 1 静电作用 静电作用是基于主客体分子间的电荷性质不同而产生的，此类受体分子多 为环状多胺。在一定的酸度条件下，受体分子质子化而荷正电，与荷负电的阴 离子( 主要为卤素离子) 通过静电作用和空间尺寸匹配程度达到专一识别的目 的【2 9 】。在早期的研究工作中，s c h m i d t c h e n 等【3 0 , 3 1 1 合成了大三环季铵盐化合物1 和2 ，发现此类受体分子在水相中以静电作用结合阴离子客体，受体l 的空腔 内径为4 6a ，与i 一大小相近( d = 4 1 2a ) ，二者作用较强可形成稳定配合物。 晶体结构表明：i 一被“密封 在大三环空腔中。尺寸较大的受体2 能与对硝基 苯酚盐形成配合物。受体1 和2 均带正电荷，其它带相反电荷的离子会与阴 离子竞争结合位点。为克服这一问题，s c h m i d t c h e n 等【3 2 , 3 3 】又合成了电中性的受 体3 和4 ，1 hn m r 研究显示，水相中受体4 较3 与卤素离子( 如c 1 一、b r 一 和i - ) 形成更为稳定的配合物。 l 一一e一够一m e l 眺 l 。 h 二一心 i 第一章绪论 4x = ( c h 2 ) 6 c 0 0 1 2 3 2 氢键作用 氢键具有方向性，根据这一特点可以设计出具有特定几何构型的受体分子 以识别几何形状各异的阴离子，或者满足在非极性溶剂中的氢键要求。这类受 体中含有氢键供体基团，如酰胺、磺酰胺、脲、硫脲、胍基、酚羟基或吡咯等， 通过氢键与阴离子结合形成稳定的配合物。以下将按氢键供体基团进行分类阐 述。 1 2 3 2 1 ( 磺) 酰胺类化合物 酰胺键是肽链的功能结构单元，通过氢键形成复杂的生命现象。酰胺( n h ) 基团是作为氢键供体在阴离子识别中发挥作用的，其已经被用于合成具有与阴 离子配位功能的各种识别受体 3 4 1 。1 9 8 6 年，p a s c a l 等合成了第一个酰胺类的阴 离子受体5 【3 5 】，在二甲基亚砜溶剂中与f 一结合。1 9 9 3 年，r e i n h o u d t 等【3 6 1 报道 了一系列含酰胺基团的三足受体6 1 1 ，上述柔性链状分子可自由“缠绕阴离 子，通过多重氢键形成稳定的阴离子配合物，该类受体能选择性地结合四面体 构型的阴离子如磷酸根等。含有酰胺基团的三角架型阴离子识别受体已经表现 出较好的识别效剽3 7 】，s t i l b o r 报道了几个基于t r e n 的酰胺型三角架阴离子识 别受体，其中包含的具有拉电子效应的含氟衍生物或缺电子性质的吡啶环能够 活化酰胺n h 键【3 8 1 ，合成了三角架配体1 2 和1 3 ，并用核磁滴定技术研究了其 在不同溶剂中与各种阴离子的结合能力。c r a b t r e e 及其合作者报道了含有酰胺基 团的异酞酸衍生物1 4 和1 5 ，它们能结合阴离子1 3 9 1 。j o b - p l o t 实验表明，在溶液 6 第一章绪论 中受体1 5 与阴离子的结合比为典型的1 ：l 。 o r 5 o 掣n 、 n 声i lo o 气f户o r h n r 户o r 6r = c h 2 c l 7r = ( c h 2 ) 4 c h 3 8r = c 6 h 5 9r = 4 - m e ( ) c 6 h 4 。c 、要；钭7 c 。弋兰二、 n h 1 4r = h 1 5r = n - b u n h r 7 h nn 、n 、h o = s - - o io 亭2 0 r h n r o = s 2 0 r 1 0r = 4 一m e c 6 i - 1 4 1 1r = 2 - n a p h t h y l 。c 、苎；钭7 c 。 l 山h h n 。 由 第一章绪论 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了“大环效应。a n s l y n 等m 】设计合成了具有刚 性结构的三角形笼状酰胺受体1 6 ，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 0 2 - 和n o ，一) 的冗电子体系中，并用核 磁滴定技术研究了其与7 【电子体系的平面阴离子的相互作用，研究表明醋酸根 离子通过氢键结合在笼状受体分子的腔体内。j u r c z a k 4 l 4 2 】合成了一系列大环四 胺化合物1 7 2 2 。研究了化合物与阴离子形成的配合物强弱与化合物分子的空 间大小有密切关系，从而为阴离子选择性识别大环化合物提供了有效证据。同 时，j u r c z a k 合成的含吡啶官能团的化合物2 2 与阴离子形成良好的预组装，可能 由于大环结构与吡啶刚性的结果。 o 1 7 n = 0 1 8 n = l 1 9 n = 2 2 0 n = 3 厂n h h n 一 2 1 o 厂n h ( ) n h n - 2 2 b o w m a n - j a m e s 及其工作人员合成了一系列大环酰胺化合物2 3 2 9 【4 3 4 4 1 ， 实验表明，其与h s 0 4 一和h 2 p 0 4 一有很强的结合能力。化合物2 5 与h s 0 4 一形 成络合物的晶体结构表明，h s 0 4 一与两个大环分子形成夹心面包式结构【4 5 】。 另外，晶体结构和核磁数据均表明：化合物2 9 与f 一作用时，主客体首先形成 氢键，后来在阴离子的诱导下作用位点n h 发生去质子化，脱去的质子与f 一形成 稳定的 h f 2 一。 8 第一章绪论 h a c x x n h n n h x x 2 3x = s y = c h 2 4 x = s ，y = n 2 5x = o y = c h 2 6 x = o ，y = n 2 7 x = s 2 8 x = o x c o s t e r o 等【4 6 】合成了阴离子化合物3 0 - - 3 2 ，加入f 一后，化合物3 0 和3 2 都 有颜色变化，归因于电荷转移；而加入其它阴离子后，溶液颜色没有明显变化。 化合物3 0 与阴离子形成的配合物结构相似，而化合物3 2 与其它阴离子形成的 配合物结构则不同于与f 一形成的配合物结构，这与化合物3 2 的空腔尺寸和溶剂 效应有关。化合物3 l 的二甲氨基基团取代了硝基，故未产生明显的颜色变化。 9 一 n n n h h 一( 抄 第一章绪论 ro ro o _ 3 0r = n 0 2 3 1r = n ( c h 3 ) 2 n 0 2o o 、，o 3 2 杯芳烃是一类通过酚醛缩合反应所生成的大环化合物，它具有空腔可调节、 构象可变、易于修饰等优点，可以借助于氢键、静电作用、分子作用力、堆积 等非共价键作用来识别客体分子。近几年，杯芳烃向着功能化方向发展，即在 杯芳烃的母体上，成环基团及其上下沿进行有目的的化学改性，使得整个分子 体系成为集特定结构和功能于一身的受体。何永炳等【4 7 】合成了酰胺型杯芳烃阴 离子化合物3 3 和3 4 ，通过多重氢键作用对含芳环的阴离子p - n 0 2 c 6 h 4 0 p 0 3 - 和 对硝基酚氧离子( p n 0 2 c 6 h 4 0 一) 具有较好的选择识别能力。同时他们还合成了 一类新型冠醚3 5 - - 3 8 4 8 , 4 9 1 ，该化合物对p - n 0 2 c 6 h 4 0 一具有良好的选择识别作用， 源于化合物分子具有酰胺单元的平面结构和相对较大的刚性，其空腔与平面s s s 型的对硝基酚氧阴离子在空间和构型上相匹配。 3 3 l o 第一章绪论 3 5x = h 3 6 x = c 1 3 7 r = t - b u 3 8 i b h 程津培等 5 0 , 5 1 】设计合成了邻- - ( , e 咯2 甲酰胺基) 亚苯化合物3 9 。1 hn m r 研究发现该化合物3 9 在强极性的二甲基亚砜溶液中可对f 一、c i 一和h 2 p 0 4 一等常 见阴离子产生一定的识别，对f 一的识别为最优。化合物3 9 对阴离子表现出强 的识别能力的原因是其具有很好的预组装能力，两个吡咯酰胺基团可以