（物理化学专业论文）几种具有疏水空腔的合成受体选择键合客体的热力学起源.pdf

摘要 合成受体的分子识别研究已经成为超分子化学领域的研究热点，同时也是构筑功能 组装体的前提和基础。为了进一步揭示键合过程的热力学起源及分子识别机理，本文合 成了4 系列简单修饰肛坏糊精、企属配位的桥联环糊精以及水溶性的磺化杯 4 】芳烃，通 过微量热滴定，荧光光谱以及二维核磁等技术考察了主客体包结配位过程的键合能力， 热力学参数以及与主、客体结构之间的潜在关系。其主要内容如下： l 简要介绍了超分子化学的概况，综述了基于环糊精和杯芳烃为受体的分子和离 子识别热力学研究。 2 采用微量热滴定的方法研究了一系列简单芳环单修饰卢环糊精与坏醇( 环戊醇， 环己醇，环庚醇，环辛醇) ，手性( + ) 一c 锄p h o r 和( ) b o m e o l 客体分子进行l ：l 络合的热力 学行为，并结合二维核磁实验建立了热力学参数与包结模式之间的依存关系。研究发现： 卢环糊精经不同取代基的芳环修饰之后，能够通过扩展的疏水空腔和广泛的脱溶剂化效 应，增强对客体分子的键合能力并中等程度地提高了手性识别能力：线性的焓熵补偿关 系表明与柔性链修饰的环糊精相比，刚性的芳环修饰环糊精在络合客体分子时不容易发 生构型变化。 3 合成并表征了不同长度的胺链连接的联吡啶二酸修饰环糊精及其金属配合物，分 别以胆酸盐和有机染料作为模型底物，通过微量热滴定和荧光光谱滴定方法考察了主体 在键合底物过程中的热力学行为并通过二维核磁实验确立了主客体的键合模式。结果 表明两个疏水空腔，金属配位中心和桥链的柔性等因素协同贡献于络合物的稳定性。 4 通过量热滴定方法测定了磷酸缓冲溶液中( p h = 2 o 和7 2 ) ，两个水溶性的杯【4 芳烃对吡啶，邻菲罗啉衍生物和二氮杂环烷烃分子的键合热力学，并结合1 hn m r 和分 子力学优化确定了主客体的键合模式，考察了介质的d h 值、主体构象、客体取代基的 位置和电子效应和环尺寸等因素对络合稳定性的影响。研究表明：酸性介质中客体分予 质子化导致的更广泛的脱溶剂化效应增强了主客体之间的键合能力。络合过程中，主 体分子能够通过范德华和诱导适合相豆作用识别客体分子的尺寸形状，而客体分子取 代基的数目，位置和电子效应也是控制分子键合能力和选择性的关键因素。 a b s t r a c t m o l e c u l a rr e c o g n i t i 。n i n v e s t i g a t i o n s i n v o l v e di n s y n t h e t i cr e c e p t o r s h a v er e c e n t l y b e c o m eo n eo ft h em o s ta t t r a c t i v et o p i c si ns u p r 枷o i e c u l a rc h e m i s t r y 矗e l d ，a n da l s oi ti st h e p r e c o n d o na n db a s j s o ft h ec o n s t r u c “o no ft h ea s s e m b 】yw j | ht h es p e c i a lf u n c f i o n s ，t o r e v e a l t h e t h e r m o d y n a m i co r i g i n a n d r e c o g n i t i o n m e c h a n i s m u p o n t 1 1 e h o s t - g u e s t c o m p l e x a t i o n ，as e r i e so f 伊c y c i o d e x t r i n ( 肛c d ) d e r i va t i v e sm o d i f i e db ys i m p l ea r o m a t i cr i n g a n dd i p y r i d i n ea sw e l la sw a t e r - s o l u b l ec a l i x 【4 】a r e n e sw e r es y n t l l e s i z e da n dt h e i rb i n d i n g l h e r m o d y n a m i c s t o w a r d sd i f 亿r e n tk i n d so f g u e s t s w e r ee x a m i n e d b y t i t r a t i o n m l c 【) c a l ( ) r j m e t r y ，f l u o r e s c e n c cs p e c t r o m e t r ya n d2 dn m r t h em a j o rc o n t e n t sa r ea s f o l l o w s ： lt h eg e n e r a ja 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 yt h en e w p r o g r e s s a n d i m p o n a n ta c h i e v e m e n t s o nm o l e c u l a rr e c o g n i t i o no f c y c l o d e x 埘n sa n d c a f i x a r e n e sw e r er e v i e w e d ，r e s p e c c i v e f y t 2 c o m p l e x a t i o nt h e r m o d y n a m i c so fas e r i e so f 肛c dd e r i v a t i v e sm o d m e db ys i m p l e a r o m a t i cr i n gt o w a r d sc y c i i ca l c o h o l s ，( ) 一c a m p h o ra n d ( + ) - b o m e o l 、v e r es t u d i e di na q u e o u s s o l u t i o nb yt i t r a t i o nm i c r o c a l o r i m e t r y t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eb i n d i n gm o d e la 1 1 d t h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r sw e r ee s t a b l i s h e db a s e do nt h er o e s y 印e c t r o s c o p yt h er e s u l t s o b t a i n e ds h o wt h a i ，t h ei n t m d u c t j o no fa na r o m a t i cr i n gb e a r i n gd i 疏r e n ts u b s t i t u t eg r o u p st o 肛c ds i g n i n c a n t i ye n h a n c e st h em 0 1 e c u l a rb i n d i n ga b i l i t ya n dm o d e r a t e l ya l t e r sm ec h i r a l d i s c r i m i n a t i o na b i l i t y ，w 1 1 i c hi ss o l e l ya t t r i b u t e dt ot h ci n c r e a s e dp o s i t i v ee n t r o p yc h a n g e sd u e t ot h ee x p a n d i n gh y d m p h o b i ci n t e r a c t i o na n dd e s o l v a l i o ne f r e c t s t h el i n e a re n t h a l p y - e n t r o p y r e l a t i o n s h i ps u g g e s t s 也a t 伊c dd e r i v a t i v e sm o d m e db yr i g i da r o m a t i cr i n ga r eh a r dt oo c c u r t h ec o n f o r m a t i o n a lc h a n g eu p o nt h ec o m p l e x 砒i o ni nc o n t r a s tt ot h o s el i m c e db yn e x i b l e h y d r o p h j l i cg r o u p s 3 as e r i e so fm o d i f i e dc dd e r i v a t i v e sb yd i p y r i d i n eg r o u p sh a v eb e e ns y n t h e s i z e da n d t h e i rb i n d i n gb e h a v i o rt o w a r d sb i l es a i t sa n dd y em o l e c u l e sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e db y m i c r o c a l o r i m e t r i ca n ds p e c t m s c o p i ct i t r a t i o n s t h er e s u l t ss h o wt h a tt w oh y d r o p h o b i c c a v i t i e s ， m e t a ic e n c r ea sw e l ia st h en e x j b i l i t yo fm eb r i d g el i n k e rc a nc o o p e r a t i v e l yc o n t r i b u t et ot 1 1 e s t a b i i i t yo ft h er e s u l t a n tc o m p l e x 4 m i c l o c a l o “m e t r i ct i t r a t i o n sh a v ea l s ob e e np e r f o r m e dt og i v et h ct h e r m o d y n a m 】c p a r a m e t e r su p o nt h ec o m p l e x a t i o no fs o l u b l et h i a c a i i x a n dc a n x 4 a r e n e s o w a r d sp y r i d i i l e p h e n a n t h r o l i n e ，a sw e l la sd i a z a c y c l o a l k a n e s t h eb i n d i n gm o d e lb a s e do nt h e i n m ra 1 1 d m 0 1 e c uj a rm e c h a n i co p t j m i z a t i o ni so b t a i n e d t h ev a r i o u sf a c t o r su p o nt h ec o m p l e x a t l o n w e r ed i s c u s s e dc o m p r e h e n s i v e l yf l o mt h ev i e w p o i n to ft h e r m o d y n a m i c s ，w h i c hc o v e r st h ep h v a i u e so ft h em e d i u m ，h o s tc o n f b r m a t i o n ， t h ep o s i t i o na n de l e c t r o n i ce f e c io fg u e s 【 s u b s t i t u t e s t h er e s u l t so b t a i n e ds u g g e s tt h a tt h eb i n d i n ga b i l i t yi na na c i d i cm e d i l i mi s g e n e r a l l ys t r o n g e rt h a nt h o s ei nn e u t r a lo n e ，w h i c hi s r e s u l t e df r o mt h er n o r ee x e n s j v e d e s o l v a t i o nb yt h ep r o t o n a t i o no ft h eg u e s t s i na d d i t i o n ，t h et w oh o s t sc a na d j u s tt h c i r c o n f o r m a t i o nt or e c o g n i z et h es i z e s h a p eo ft h eg u e s t sb yv a nd e rw a a j si n t e r a c t i o n sa n d i n d u c e 一 tr e l a t i o n s h i p o nt h eo t h e rh a n d ，t h en u m b e hp o s i t i o na sw e ha st h ee l e c t r o n i ce f f 色c o fg u e s t sa l s ob e c o m et h ek e yf a c t o r sf o rd e t e r m j n i n gt h eb i n d i n ga b i l i t ya n ds e l e c t i v i t yo fc 1 1 e c o m d l e x a t i o n k e y w o r d ：c y c l o d e x t r i n ，c a l i x a r e n e ， m i c r o c a l o r i m e t r i ct i t r a t i o n ， m o l e c u l a ra n dc h i r a l r e c o g n i t i o n ，t h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r s 南开大学博：l 学位论文 第一章前言 1 1 超分子化学概述 1 9 7 8 年，j e a n m 撕el e l u l 在他的一篇文章中首次提出了超分子化学的概念1 ，并将 其定义为“超越分子概念的化学( c h e m i s t r y b e y o n d t h e m o l e c u l e ) ”。与以往的研究原子 通过共价键连接形成分予的化学不同，建立在分子化学基础上的超分子化学研究的是存 在着非共价键弱相互作用的各种组分构筑成为高度复杂的化学体系。通过对这些相互作 用的适当调制，超分子化学可以在信息科学，生命科学，材料科学等领域中发挥重要的 作用。 自从c j p e d e r s o n ，j m l e h n 和d j c r 锄共享了1 9 8 7 年的诺贝尔化学奖以来， 超分子化学的发展越来越受到人们的关注。尤其是近年来，s u p r a m o 】e c u l a rc h e m j s 圩v 的创刊和发展以及某些影响颇广的专著的问世，使得超分子化学发展成为一门涵盖生物 无机化学、有机化学、分析化学，生命科学、材料科学和信息科学等新兴的交叉学科。 在超分子化学的发展过程中，先后出现了几代不同的主体化合物。从cj p e d e r s o n 对冠醚配位性能的发现2 至后来d j c r a m 对冠醚合成方法的改进和配位行为的研究，以 至提出了“主一客体化学”的概念3 ，馒冠醚当之无愧地成为了超分子化学的第一代主体 化合物。继冠醚之后，环糊精4 和杯芳烃5 相继成为超分子化学的第二代和第三代主体化 合物。而后各种新裂的分子受体也不断地被设计和合成出来，如穴醚6 、环番7 、环多肽8 、 卟啉9 、酞菁1 0 和葫芦脲“等大环化合物在超分子化学中的应用也得到了广泛研究。特别 是近年来，众多的化学工作者将超分子化学研究方向转向一个更加引人瞩目的领域 这就是以分子识别为基础，以实现分子特定功能为目标的分子组装体的构筑1 2 。例如， 化学家们基于环糊精分子的独特结构将其作为基本建筑块引入到不同的超分子体系中， 构筑出了各种各样功能奇妙、结构复杂而有序的分子聚集体，如分子轮烷、索烃、单分 子膜及多层膜等，而其中一些特殊结构的组装体则形象化地被称为分子项链、分子算盘、 分子链条等等。这些高级有趣结构的功能组装体的成功构筑使超分子化学领域的发展口 新月异，硕果累累，吸引和激励着更多的研究者从事超分子化学的研究，推动其快速发 展。 南开大学博士学位论文 1 2以环糊精为受体的分子识别研究 环糊精( c y c l o d e x t r i n s ，c y c l o 跗l y l o s e s ，通常简称为c d ) ，是一类由d 一毗哺葡萄糖单元 通过一1 ，4 糖苷键首尾相连形成的大环化合物。1 8 9 1 年由1 l i e r s 首次报道”，此后相关 的研究迅速地开展和普及o ”。天然环糊精中的d 吡喃葡萄糖单元均采取未扭曲的椅 式构象，使得整个分子呈现一种截锥状的外形。作为4 c l 构象的结果，环糊精中的所有 伯羟基( 即6 位羟基) 均座落于环的一侧，构成了其截锥状结构的主面( 小口端) ；而所 有仲羟基( 即2 ，3 位羟基) 则座落于环的另一侧，构成了环糊精截锥状结构的次面( 大口 端) 。这些位于外侧的众多羟基构成了环糊精亲水的外壁，而指向空腔的c 3 和c 5 上的 氢原予以及糖苷键的氧原子则共同构成环糊精的疏水内腔，内腔的高度为79 a 。包含不 同数目的葡萄糖单元，环糊精可以拥有特定的空腔尺寸，最常见的n 、伊和严环糊精分 别含有6 、7 和8 个葡萄糖单元。a 环糊精的上下缘直径分别为4 7 和5 3a ：口环糊精 的上下缘直径分别为6 o 和6 5a ；y 环糊精的上下缘直径分别为7 5 和8 3a 。 图1 2 1 环糊精的填充模式：( a ) 俯视图：( b ) 侧视图 主面( 亲水性区域 硫水性区域 ( 第二面) 图1 - 2 2 环糊精的亲水性和疏水性区域示意图 南开大学博士学位论文 环糊精不仅具有不同尺寸的疏水内腔和亲水表面，而且具有手性的微环境，因而其 能够选择性地键合各种有机、无机和生物分子而形成主- 客体包结配合物。热力学及二 维核磁研究表明，主客体络合物的最可能的键合模式为客体分子的非极性部分插入到环 糊精的空腔中，极性部分或荷电基团一般暴露于环糊精大口端的溶剂中。水溶液中环糊 精的主客体键合模式必然导致环糊精及客体分子周围己溶剂化的水分子的迁移或重排， 同时由于客体分子被包入环糊精的空腔又会导致腔内水分子被逐出。因此，主客体问 络合过程的主要弱相互作用力为范德华和疏水相互作用，尽管氢键和张力在主客体络合 过程中也发挥一定的作用。环糊精包结配位反应的热力学参数可以通过许多种实验方法 进行测量，如微量热滴定、紫外和圆二色光谱、荧光光谱、核磁共振、电子自旋共振等 等，其中微量热滴定8 是一种十分有效的研究环糊精键合热力学的手段。因为该方法 能够直接测定络合反应的焓变。水溶液中，环糊精对客体分子的包结配位过程通常导致 它们各自溶剂化的水分子的内部重组和转移，诱导水分子从环糊精空腔内释放到溶剂环 球 境中以及主客体间的范德华、疏氧键和张力能等相互作用。 ，、 环糊精的热力学研究一方面是为了推测和评估环糊精和客体分子包结配位过程中多 种弱相互作用力的贡献程度，在药物缓释技术，食品的制造与分离等领域具有重要的应 用价值1 9 2 0 2 l ，同时也可做为酶底物作用的优良的模型来理解生物体内的化学反应。对 环糊精主面或次面进行化学修饰得到的环糊精衍生物更是拓展了天然环糊精的适用范 围，为具有特定功能的组装体的构筑奠定理论基础。 1 2 1 天然环糊精的分子识别 d 、肛和产环糊精与多种类型的化合物进行包结配位，化学家们通过量热方法进行 了系统的研究。这些客体化合物几乎涵盖了所有的类型，包括碳水化合物2 2 2 3 、脂肪醇 2 4 ”、二醇、胺和酸、环己烷衍生物、氨基酸2 6 2 7 、寡肽列、糖2 9 、苯酚衍生物3 0 ，3 1 、芳香 胺、偶氮化合物3 2 ，3 3 、萘衍生物和其他芳香化合物3 4 ，3 5 ，3 6 ，以及各种药物分子3 7 ，3 8 。近来， l n o u e 等在他们的综述文章中总结了大量天然环糊精与客体分子配位的热力学参数，考 察了客体分予中亚甲基数目、客体的羟基、客体柔性、环尺寸和取代綦电子效应对络合 热力学行为的影响。研究结果表明环糊精的空腔尺度适于包结单环芳烃( 苯、苯酚等) ， 肛环糊精的空腔尺度与萘环的尺度相匹配，严环糊精与蒽、菲等三环芳烃结合最稳定。 最近，i k e d a 等3 9 通过滴定量热法研究了由小环糊精形成的分子管道与一些烷基磺酸盐 南开大学博士学位论文 ( c 。s 0 3 n a ) 的包结配位行为，发现长链的客体与分子管道形成更为稳定的配合物，其中 c 1 2 s 0 3 n a 与分子管道包结配位的键合常数达到1 0 5 的数量级。 1 2 2 修饰环糊精的分子识别研究 由于环糊精衍生化过程中分离纯化比较困难，因而在一定程度上限制了修饰环糊精 的热力学研究工作4 0 ，4 1 ，4 2 ，”。i n o u e 等4 4 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的络合热力学，考察了静电相互作用对键合过程的影响。 他们的研究结果显示阳离子主体对带电客体的配位是由主客体之间静电相互作用与客 体在主体空腔的相互作用( 如疏水、范德华以及氢键相互作用) 之间的平衡所控制的； 此外，他们还比较研究了类似的体系在水溶液和重水溶液中的热力学行为差异”，发现 客体分子的水合层在不同溶剂中的尺寸和强度变化是导致这种差异的根本原因；g h o s h 等4 6 研究了一系列带有正电荷的环糊精衍生物对磷脂类客体的键合热力学，考察了缓冲 溶液对体系热力学行为的影响，发现缓冲溶液主要影响键合中的静电相互作用：带负电 的缓冲溶液分子与磷脂客体竞争与主体环糊精的静电作用，降低了主一客体的有效键合 常数；而带正电的缓冲体系则有利于主一客体的键合。刘育等4 7 近来通过光谱滴定方法详 细深入地研究了一系列芳香取代环糊糟对不同尺寸的环醇、氨基酸和染料客体的键合热 力学行为，发现修饰环糊精比母体环糊精具有对客体分子更强的键合能力，而这种键合 行为是增强的疏水相互作用所导致的有利的熵增的结果。此外修饰基团还可以通过诱导 适合相互作用或提供附加的键合位点增强对客体分子的键含能力。t a b u s h i 4 8 等人在伊 环糊精衍生物上引入过渡金属离子后，可以通过包结一配位双重识别提高对底物的识别 能力，尤其是对金刚烷衍生物的识别能力提高3 3 0 倍。这些研究进一步表明“锁一钥学况” 或尺寸形状适合、多点识别机制和诱导楔合作用在生物受体选择底物中的重要作用。 桥联环糊精是一类由一条或多条桥链将两个环糊精单元“面对面”连接而得到的环 糊精衍生物。与单修饰环糊精相比，桥联环糊精具有两个疏水空腔，可以协同包结个 客体分子实现“双重识别”，另外桥链上的基团也可以参与协同键合，实现“多重识别”， 锹 因此，桥i 环糊精的键合能力要大于单修饰环糊精而成为9 0 年代以来的研究热点。 b r e s l o w 4 9 ，h a r a d a 5 0 ，f u i i t a 引，u e n 0 5 2 和刘育等研究小组报道了多种功能桥链连接的双环 糊精( 见图1 2 3 所示) 并考察了它们与染料和某些特定大分子的键合行为，给出了形 成超分子配合物的稳定常数和相应包结配位过程的焓变和熵变。结果表明它们的配位过 程给出了大的焓变，而这一数值会或多或少的被不利的熵变所削弱，表明此类弱相互作 南开大学博j 4 学位论文 用是焓驱动的。由于主体和客体分子在配位过程中的构象被严格固定，降低了客体分子 的自由度，因此给出不利的熵变。 r = 能瓜足瞄只心s c s e 9 r 。只触 晒翟面 面 n = o ，1 ，2 图1 - 2 3 不同功能桥链连接的桥联双环糊精 近来，r e i n h o u d t 等 也报道了通过量热法研究两种桥联环糊精l ，2 ( 见图1 2 4 ) 与胆酸类客体分子包结配位的稳定常数和热力学参数，结果表明两种主体桥联环糊精与 客体包结都给出了较大的稳定常数，并且与不同客体形成不同计量比的配合物，主体2 中由于丹酰基团的存在阻碍了与客体的包结而给出了低于主体l 的键合稳定常数。 l2 图1 2 4 r e i n h o u d t 用于识别胆酸客体的桥联环糊精主体 5 搬耳 南开人学博一l 学位论义 1 2 3 环糊精及其衍生物的手性识别研究 如前所述，环糊精及其衍生物因具有手性的疏水空腔而能够识别手性分子。但是， 研究结果显示：天然环糊精所表现出来的异构体选择性相对较弱，这主要是由于环糊精 的分子对称性所致。r e l ( h a r s k y 和i n o u e ”还采用量热滴定方法测定了4 3 种氨基酸的手性 对映体客体分子与肛环糊精包结配位的稳定常数、自由能变、焓变和熵变，并从客体分 子的结构，如分子骨架的柔性、链的长度、电荷等方面进行了详细的研究。他们的结果 表明对于大多数客体分子来说，手性对映体的热力学参数差别不大，这可能是因为大多 数客体分子仅仅通过没有方向性的范德华力和疏水相互作用参与配位，因此无法固定客 体分子在空腔的构象或旋转。最近s c h m i d t c h e n 5 5 采用量热法测定了d ( + ) ，s ( 一) 樟脑手性 对映体与a 一环糊精在h 2 0 和d 2 0 中形成l ：2 配合物的热力学参数，结果表明疏水作用 是包结过程的主要驱动力，研究同位素效应对反应焓变的影响的同时，发现通过同位素 分析可以将实验测得的焓值区分为包结过程的直接反应热和溶剂重组引起的焓变，且有 7 5 的焓变源自于溶剂的重组，并通过研究不同温度下焓变与温度的线性关系得到了樟 脑对映体的比热容。当在环糊精不同位置被修饰后，不仅可以在一定程度上破坏环糊精 原有的对称性而且还可能提供额外的键合位点，因此预期会提高对消旋客体的手性识别 能力。研究发现柔性侧臂修饰的环糊精衍生物可提高对客体分子的键合能力但不利于手 性识别能力的提高，相反刚性基团修饰的环糊精对客体的键合作用减弱但手性识别能力 大大提高。r i z z a r c 心。等研究了6 脱氧6 组氨基卢环糊精铜( i i ) 络合物与l ，d 一丙氨酸、 l 苯丙氨酸和l d 一色氨酸的包结配位作用，研究结果显示尽管焓一熵线性补偿关系很 好但手性选择性仍不理想，这可能归因于氨基酸中的氨基和羧基与铜( i i ) 离子之问较强 的配位作用。i n o u e 等人利用量热研究了6 一氨基一6 一脱氧一卢环糊精和天然卢环糊精在磷酸 缓冲溶液( p h = 6 9 ) 与中性客体，及带有币、负电荷的客体的络合作用和手性识别。研究 发现，荷电的主一客体之间的静电作用与通过包结进入空腔的客体与空腔之间的疏水， v a nd e rw a a l s ，溶剂脱溶剂效应，氢键等作用之间存在者平衡，而这种平衡控制着带有 正电荷的主体和带有负电荷客体的包结作用及手性识别行为。刘育5 7 等通过量热滴定技 术研究了磷酰基修饰的肛环糊精与n c b z l ，d a j a n i n e 的手性识别热力学，发现磷酰基修 饰基团和荷电的客体之问的诱导一偶极相互作用以及主体构象的不同导致手性识别能力 的增加。 南开大学博士学位论文 1 3 以杯芳烃为受体的分子识别研究 杯芳烃( c a l i x a r e n e ) 是由一定数目的苯酚单元环在酚羟基邻位由亚甲基连接而成的一 类新型大环化合物。虽然杯芳烃结构简单，但却与冠醚、环糊精一样具有独特的空穴结 构，因而能够识别具有特定结构的客体离子或分子，被称为是继环糊精、冠醚之后的第 三代大环主体化台物。由于杯芳烃易于合成和衍生化，构象灵活多变和空腔大小易于调 节而使其应用领域广泛，实用性强，在分析检测、浓缩分离、催化仿生、环境保护等领 域有着很好的应用前景”。 拥有各种基团的功能化杯芳烃，可以构成以杯环为骨架的带有亲脂性、亲水性和离 子载体的受体，能与不同大小，不同性质的有机分子、阳离子、阴离子相互识别、配位。 主客体间的识别过程是借助于氢键，静电作用，范德华力，疏水作用，阳离子作用， 7 【一7 【作用及诱导楔合等非共价键作用来完成的。 1 3 1 杯芳烃的离子识别 杯芳烃及其衍生物本身具有紧密相邻的多个羟基和一个兀体系洞穴，使其能够识别 主族金属、镧系、锕系以及过渡金属元素并展示出独特的性能。 i z a t t 5 9 等通过液膜迁移实验首次成功地报道了母体杯芳烃对金属阳离子的包结行 为；c h a n g 等6 0 研究了下缘酰胺基修饰的杯芳烃衍生物对i i a 族阳离子的包结行为，指出 杯芳烃的构象及空腔尺寸与阳离子之间存在着严格的匹配性；n a m o r 等6 | 测定了四乙基 对叔丁基杯 4 】芳烃四乙酸酯和碱金属阳离子在各种溶剂中的络合热力学数据，发现溶剂 在主体和金属阳离子络合中扮演着一定的角色。过渡余属离子因具有未充满的d 轨道与 不同官能团衍生的杯芳烃配位后会产生颜色变化，能够作为颜色指示剂使用。c h a w l a 6 2 报 道了一系列生色杯芳烃受体与n i h ，c 0 2 十，f e 2 + 和c u 2 + 形成黑，棕，红色配合物；陈淑 华等6 3 报道了靛酚型生色杯芳烃受体对包括过渡金属在内的多种离子如m n 2 + 、c o 斗、 n i 2 + 、c u 2 + 、z n 2 + 、p b 2 + 、c d 2 十、h 矿+ 和u 0 2 2 + 的识别能力。近年来，杯芳烃衍生物与稀 土离子配合物的发光因在荧光免疫分析和发光材料的开发上有潜在的应用价值而引起 了人们极大的兴趣6 1 ，如e u 3 + 和t b ”在甲醇中与杯【4 芳烃三羧酸衍生物配位后，发光寿 命身大大增强”；刘育等“采用量热滴定法测定了对叔丁苯杯 4 芳烃衍生物在无水乙腈 中对轻稀土硝酸盐的识别作用，揭示出配位作用是焓驱动的，配位过程中杯芳烃的构象 固定化导致熵的损失；b o n a l 等”通过比较稀土离子，碱土金属离子和有机胺正离子与 南开大学博士学位论文 水溶性杯 4 】芳烃的络合，指出金属离子包结是焓不利而熵有利的过程。近来，利用杯芳 烃主体与客体分子之间形成氢键来识别阴离子是设计杯芳烃受体的一个新的发展方向， 含有脲基、磺酰胺、酰胺或羟基取代的杯芳烃的衍生物先后被合成出来并用来识别阴离 子。b e e r 等6 8 发现二茂铁取代的杯 4 】芳烃1 对阴离子h 2 p 0 4 表现出高的选择性； r c i j l l o u d t 6 9 ，7 0 得到下缘脲基或硫脲基取代的杯芳烃对c l 一显示出高的选择性，下缘酰胺 和磺酰胺取代的杯芳烃对h s 0 4 有高选择性。r u n g a r o ”等将手性基团修饰到杯 4 】芳烃 上缘得到2 ，发现其对羧酸根离子的选择性要高于对球形阴离子的选择性：而非手性的 化合物3 对球形的b r 阴离子的选择性要高于羧酸根。 。奄，。铲 f 3 c h 2 c f 3 h 3 a ：r ；c 6 h s 3 b 。r = b u “ 1 3 2 杯芳烃的分子识别 设计合成对中性分子具有识别性能的人工受体是生物有机化学中富于挑战性课题。 g u t s c h e 等7 2 7 3 几个研究组先后报道了杯芳烃对一些中性有机分子，如( c h 3 ) 2 s 0 4 ，乙腈， 二醇类，糖类，二羧酸类，氨基酸等的识别，指出分子识别过程中氢键，c h - 作用，疏 水作用为主要驱动力，杯芳烃孔穴大小，下缘取代基的数目，种类及构象在不同程度上 影响着识别能力。k u f l s a g i - m a t e ”利用荧光光谱法测定了下缘磷酰基取代的杯 4 芳烃与 对三氟甲苯在氯仿中的络合行为；a b r a l l 啪等7 5 通过1 hn m r 核磁滴定方法研究了上缘 由不同个数的环庚三烯修饰的杯【4 】芳烃对一系列胺及亚胺离子的包结行为。此外，杯芳 烃主体也能识别象醌m ，二茂铁7 7 ，染料，甾体7 8 ，氯化血红素，核黄素，v bj 2 ，碳笼等 有机大分子，如对叔丁基杯 8 与c 6 0 可形成1 ：1 配合物，用以纯化c 6 0 ，其纯度大于 9 9 5 ”。 由于杯芳烃在水或其它极性溶剂中的溶解度很小，到现在为止，对离子或分子客体 与杯芳烃在水溶液中的络合作用的热力学研究还很有限。自从s h i l l l ( a i 等将磺酸根基团 引入到杯芳烃的上缘，从而大大提高了杯芳烃在水溶液中的溶解性，人们便展丌了水溶 吣夕绥阿 露领 南开大学博士学位论文 液中杯芳烃剥阳离子客体的识别研究。s h i n k a i 等率先丌展了水溶性杯芳烃4 ，5 与有机阳 离子配位的热力学和分子力学研究踯；l e h n 等”通过1 h n m r 研究了磺化杯芳烃与乙酰 胆碱及其它季胺盐阳离子的识别行为，发现客体分子可能插入到杯芳烃的苯环空腔中： s t o d e m a n 等”进而通过量热从热力学角度研究了磺化杯芳烃主体与不同链长的胺正离子 的包结行为，指出杯芳烃与客体之| 白j 的包结模式受客体链长的影响；b a r r a ”通过紫外光 谱研究了不同单元的水溶性杯芳烃与苯胺衍生物的络台常数和热力学参数，指出包结络 合的强弱与主体尺寸大小存在着依赖关系：同时与弛s 之间存在良好的线性补偿关 系；刘育等8 4 通过荧光光谱滴定方法考察了水溶性杯芳烃磺酸盐和环糊精衍生物两类不 同的主体与一些客体染料分子的包结络合作用，发现吖啶红染料与两类主体化合物都能 络合，但荧光光谱的变化却是相反的，且杯芳烃磺酸盐下缘的烷基化修饰使荧光行为发 生了逆转，包结配合作用的热力学参数的测定表明两类主体包结配位作用的驱动力是不 同的，但化学修饰也同样使之发生了显著的变化。 o c h 2 c 0 0 h 5 m i y a n 0 8 5 等报道了杂原子硫原子取代亚甲基桥链的硫桥杯芳烃对氧仿，苯，环几胺， 1 ，4 一二氧杂环己烷等有机小分子等不同计量比( 1 ：1 或1 ：2 ) 的包合物。另外，由吡咯环8 7 或 毗啶环束取代苯酚环所形成的新的类杯芳烃及相关的阴离子识别行为也正在开展。 南开大学博士学位论文 1 4 等温微量热滴定技术简介 人们在自然界中所观察到的任何现象，例如物理变化、化学变化、生物代谢等过程 均有热效应的发生。人们对于这种热效应的认识首先来自触觉。随着人们认识的不断深 入和科学技术的发展，为了定量地研究这类现象和它的规律，因而产生了量热学。b e l l 和c o w e l l 在1 9 1 3 年首次进行了量热的不连续滴定，但是直到上世纪六十年代中叶，这 项技术才被意识到作为一种常规、方便的工具同时测定反应平衡常数，或吉布斯自由能 变化以及焓变。l i n d e 等于1 9 5 3 年报道了使用电热调节器的量热滴定法，w a s i l e w s k i 等 于1 9 6 4 年将直接注射法引入到量热学中，r u z i c k a 和h a n s e 普及推广了流动注劓的分析 技术，以及诸如高灵敏流动量热、酶量热等等相关的技术和仪器共同确立了今天高灵敏 度、小体积的量热技术。量热学就是直接计算化学或物理过程的热量变化。用量热计定 量的测定在反应过程中所放出和吸收的热量，并可根据量热计提供的数据计算平衡反应 时的焓变值( 爿) ，进而根据热力学定律和公式( 1 4 1 ) ，( 1 4 2 ) 计算得到反应的自由能变 ( g ) 和熵变( 固。 g = 一r t l 脯 s = ( 弘g ) ，t ( 1 4 2 ) ( 1 4 2 ) 图1 4 1 等温微量热滴定仪示意图 图1 4 1 即为本文所使用的v 1 ，一i t c 型微量热漓定仪的示意图。a 图示意的是滴定的 1 0 南开大学博士学位论文 的i t c 仪器，样品池和参比池处于相同的温度。参比池的温度为实验温度，待滴定的两 组分分别置于注射器和样品池中。b 图是正在进行量热滴定的微量热滴定仪，仪器自身 供给参比池一定的热量来保证滴定过程中参比池的温度保持在实验预设的温度，当注射 器中的溶液被滴加到样品池后，主- 客体间的络合反应会引起样品池的热量变化( 吸热 或放热) 而导致反应池与参比池间存在温度差。此时，仪器会根据反应池温度的变化来 提供相应的热量以确保与参比池的温度一致，即弘0 。随着滴定过程的进行，仪器会随 时间记录下所提供的热量的大小并通过计算机输出，如插图所示8 8 。当滴定完成后，样 品池中化合物的键合位点完全被客体分子所饱和，热效应也逐渐减小。 1 4 1 滴定过程的体积校正 微量热滴定实验是通过将注射器中的溶液逐渐滴加到反应池中，测量反应池中的热 量变化，从而计算反应的稳定常数和热焓。为了讨论的方便，我们首先假定在反应池中 为主体分子( m ) 的溶液，其在滴定前的初始浓度为m ? ( 摩尔，升) ，而客体分子( x ) 溶液盛 于注射器中，其在反应池中的初始浓度为零。反应池的工作体积为，对我们目前使用 的量热仪，忙1 4 2 2 7 毫升。第f 次滴定体积设为4 k ，而任时刻的总的滴定体积4 ， 是每次滴定的彳k 的加和。 在滴定前，反应池和其上的通道( 如上图所示) 都充满了主体溶液。随着滴定的进行 溶液被挤出反应池进入到通道中去( 功。由于量热仪只测量工作区部分的热量变化 滴定前主体分子的总量为m ? v o ，而在滴定过程中，由于滴定造成体积变为+ 主体浓度随之变为m ，可表示为： 肛7 = m ，十吉似。+ 膨? 皿矿 ( 1 4 南开大学博士学位论文 m j = m ： ( 1 44 ) 同样的原理，客体分子在中的浓度出与假定所有滴定的客体都在中的浓度o 之 间关系为： ? k = x ，+ 圭x ? 矿 ( 1 4 5 ) 即 置：f f l 一坐 l2 j ( 1 4 6 ) 以上推导的主体和客体浓度的表达式被应用于o r i g i n 程序的数据处理，对每一次滴 定的体积置换效应进行校正。 1 4 2 数据处理 根据主体化合物所提供给客体分子的键合位点的不同，由量热仪所附带的专门用于 i t c 数据分析的o r i g i n 软件提供了不同的数据处理方法：单位点键合模型，双位点键合 模型，连续双位点键合模型和多位点键合模型。本论文中所测定的主体化合物键合客体 时只提供一个键合位点，因此我们在这里只介绍一种键合位点模型的数据处理方法。 假定主体( m ) 与客体分子( x ) 形成1 ：1 计量比的配合物且配位过程一步完成。滴定过 程中，用客体滴定置于反应池中的主体。表示键合常数，主体的键合位点用n 表示， o 代表位点被客体x 占据的分数，咒( 心) 和嘲( 【嗍) 分别表示客体( 主体) 分子的总浓度和 游离客体( 主体) 分子的浓度，根据化学平衡： m + x = ；兰m x 则 k = 鼢= 耐= 志 。刀 爿。= 【 + n m 将( 1 4 7 ) 式与( 1 4 8 ) 式合并，得 ( 1 4 8 ) 竺翌坐砜 一 一 +； 南开大学博卜学位论文 一。f - 矗+ 高卜嘉枷 。， - n m tn k m | n m 。 反应池中的总热量变化为： q = o m ， ( 1 41 0 ) 式中a h 为键合客体的摩尔反应热。将( 1 4 9 ) 式的二次方根0 值代入( 1 4 1 0 ) 式，得 q = 学旧+ 高一藤一蔫1 。， 由上式可以计算出滴定f 滴后反应总的热量变化值q ，而我们感兴趣的是将通过上式 确定的每两滴之间的热量变化值与实验值进行比较。由于式( 1 4 1 1 ) 仅适应于反应池( ) 中的液体，而反应池中的部分溶液当滴入下一滴后会溢出反应池。造成第f 一次滴定后 中的部分液体在f 次滴定后不再存在于中，于是，每次滴定后必须对体积的变化值 凹n ) 进行校正。对于第f 滴热量变化的校正表达式为： 硼+ 普 掣卜叫 4 蝎 实验数据的拟合过程包括：( 1 ) 预设定”，足和的初始值，通常由0 r 睹n 自动给出： ( 2 ) 计算每滴滴定的热量变化值并将其与实验测得的相应值进行比较；( 3 ) 通过标准 m a r q u a r d t 方法改变，z ，足和h 的初始值；( 4 ) 重复前面的过程直到拟合结果不再发生明 显改变，最小偏差达到极小值，此时给出的数值即为量热滴定的结果。 南开大学博士学位论文 1 5 本论文的选题 从以上的综述可以看出，以环糊精、杯芳烃及其衍生物为受体的分子识别已经成为 超分子化学领域的一个研究热点，特别是化学修饰环糊精以其不同于母体的特殊结构和 附加的多重识别位点，不仅能够改变天然环糊精对客体的键合能力和选择性，而且扩展