（高分子化学与物理专业论文）环糊精基多聚（准）轮烷的制备及表征.pdf

山东大学博士学位论文 摘要 多聚轮烷是由一个或多个环状分子( 作“转子”) 和一条或多条线形聚合物分子 ( 作“轴”) 通过非共价键组装成的超分子体系。当线状聚合物分子两端用大基团封 闭时称为轮烷；而没有对线性聚合物分子进行封端处理的称为准轮烷。环糊精是 多聚( 准) 轮烷重要的主体化合物之一，环糊精( c d ) 与大分子间的组装以其选 择性、可调控性和生物相容性等优势引起广泛关注。本文分别尝试通过直接聚合、 大分子单体包合物聚合等方法制备环糊精( 准) 轮烷，分别研究了环糊精对极性 不同的两种单体甲基丙烯酸甲酯( m m a ) 、甲基丙烯酸丁酯( b m a ) 自由基聚 合的影响，环糊精与甲基丙烯酸多苯乙烯烷基酚乙氧基酯( s e m 2 5 ) 多聚准轮 烷的制备、梳状环糊精多聚轮烷的制备以及环糊精与碳硅烷树枝状化合物包合物 制备等内容，并采用傅立叶变换红外光谱( f t - i r ) 、核磁共振波谱( 1 h n m r 或 ”c n m r ) 、热分析( d s c 或t g a ) 、x 射线粉末衍射( x 】m ) 、紫外可见光吸 收光谱( u v - v s c ) 和高分辨扫描电子显微镜( h s e m ) 等方法对产物进行了表 征。具体的研究内容及结果如下： 1 、研究了在a 、1 3 、) - c d 存在下，b m a ，m m a 自由基聚合直接制备环 糊精( 准) 轮烷的方法。研究表明无论采用油溶性、水溶性还是氧化还原体系都 不能制备得到主链型环糊精多聚( 准) 轮烷。 2 、考查了不同种类、不同用量的环糊精对b m a 、m m a 无皂乳液聚合的反 应速度、乳胶粒度分布等的影响，并对反应机理进行了研究。实验结果表明： ( 1 ) 环糊精对b m a 、m m a 的无皂乳液聚合反应具有促进作用。环糊精的 存在，特别是当环糊精浓度达到临界浓度以上时可以有效提高聚合反应的速度和 单体转化率，乳胶粒粒径变大，分布变窄。 ( 2 ) 旺、d 、 y - c d 对疏水单体无皂乳液聚合反应的影响不同，对b m a 聚 合转化率和反应速度的影响顺序为0 l c d r c d 。 ( 3 ) 采用紫外可见光分光光度计定量测定了聚合物中c d 含量方法，本实 验条件下，单个环糊精所对应的聚合物链节数至少为7 7 。 3 、提出在环糊精存在下m m a 和b m a 无皂乳液聚合遵循相转移催化条 山东大学博士学位论文 件下的均相成核机理，较好地解释了不同极性、不同水溶性的两种单体b m a 、 m m a 在环糊精水溶液中无皂聚合反应行为。环糊精存在下b m a 无皂乳液聚 合遵循相转移催化条件下的均相成核机理；环糊精对m m a 的影响较为复杂， 浓度较低时，反应遵循均相成核机理，当c d 浓度提高时，相转移催化条件下 的均相成核对反应的影响随之增加。 4 、采用两种方法分离并纯化了一端为双键，另一端为多苯基大基团的大分 子单体s e m 2 5 。 5 、研究了s e m 2 5 与a 、p 、7 - c d 之间的包合作用，制备得到环糊精准 轮烷( a s ) ，并采用f t - i r 、x r d 、d s c 、u v - v s c 、1 h - n m r 等方法对准轮烷的 结构进行了表征，准轮烷的结构为“隧道”型。制备多聚准轮烷a s 的主要影响 因素为温度，s e m 2 5 q c d 不同摩尔比不影响a s 的结晶完善度。另外，s e m 2 5 与1 3 - c d 不能形成包合物，而与y c d 可以形成非晶包合物( y s ) 。 6 、探索由多聚准轮烷a s 制备多聚轮烷的方法。分别采用水溶性引发剂过 氧化苯甲酰( k p s ) 、油溶性引发剂偶氮二异丁氰( a i b n ) 以及 ( n h 4 ) 2 s 2 0 s - n a h s 0 3 氧化还原体系引发a s 的均聚及与b m a 共聚，结果表明 位阻较大的a s 通过均聚反应制备难以得到梳状多聚轮烷；采用k p s 弓i 发a s 与 b m a 共聚也没有得到多聚轮烷；采用n h 4 ) 2 s ：o s - n a h s 0 3 氧化还原体系可以引 发a s 与m m a 的共聚反应，得到棒状的环糊精基多聚轮烷。 7 、研究了q ，p ，y - c d 与多代溴苯为核的硅碳烷树枝状化合物g 0 ( p h b r ) g 3 ( p h b r ) 和多代氟苯为核的硅碳烷树枝状化合物g 0 ( 5 f ) g 3 ( 5 f ) j k 种树枝状化 合物之间的包合作用。研究表明这三种环糊精均可以和0 代的树枝状化合物形成 包合物，每一个树枝状化合物分子被两个环糊精包合。随着代数的增加，包合作 用越来越困难；环糊精与第l 代树枝状化合物在包合过程中发生乳化；与2 代以 上的树枝状化合物不能发生包合作用。 关键词：环糊精，多聚( 准) 轮烷，包合物，无皂乳液聚合，树枝状化合物 山东大学博士学位论文 a b s t r a c t a si m p l i e db yt h e i rn a m e s ，p o l y p s e u d o r o t a x a n e s l ： o l y r o t a x a n e sa r ec o n s t r u c t e d s i m p l yb yi n c o r p o r a t i n gp s e u d o r o t a x a n e r o t a x a n em o i e t i e si n t ol i n e a rp o l y m e r sf o r w h i c ht h ec o n n e c t i n gf o r c ea r en o n c o v a l e n ti n t e r a c t i o n ，t h el i n e a rp o l y m e rm o l e c u l e o fp o l y r o t a x a n e sh a v et w ob u l k ye n d c a p p i n gg r o u p sw h i c hp o l y p s e u d o r o t a x a n e s h a v en o t c y c l o d e x t r i n sa r eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n th o s to fp o l y ( p s e u d o ) r o t a x a n e s ， a s s e m b l yb e t w e e nc y c l o d e x t r i n e ( c d ) a n dp o l y m e rh a v ea t t r a c t e dg r o w i n ga t t e n t i o n d u et ot h e i rs e l e c t i v i t y , r e g u l a t i o na n dc o n t r o l ，a n db i o c o m p a t i b i l i t y i nt h i sp a p e r , s e v e r a lm e t h o d sa r et r i e dt op r e p a r ec y c l o d e x t r i n - b a s e dp o l y ( p s e u d o ) r o t a x a n e s ，t h e p r o d u c t i o n sa r ec h a r a c t e r i z e db yf t - i r , 1 h - n m r , d s c ，x r d ，u v - v i ss p e c t r a ， 1 1 i g h - r e s o l u t i o nt r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y , e ta 1 o u rr e s e a r c hw a sc o n d u c t e d f r o mf o l l o w i n ga s p e c t s f i r s t l y , t h ec o n t e n t so f b - c da r ed e t e r m i n e db yf l n e wq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s m e t h o du s i n gu v - v i ss p e c t r a , t h er e s u l ts h o wt h a ta tl e a s t7 7p o l y m e r i cm e r sc o n t a i n s i n g l ec d ，c o m b i n e dw i t hx r ds p e c t r ao fp o l y m e r i z a t i o np r o d u c t i o no fh y d r o p h o b i c m o n o m e rb m ai nc ds o l u t i o n ，i ti se a s yt oc o n c l u d et h a tw ec a nn o to b t a i n c y c l o d e x t r i n - b a s e dp o l y r o t a x a n eb yt h i sw a y 乃ei n f l u e n c eo fv a r i o u sk i n d so fc d sa n dd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n st or e a c t i o n s p e e d ，p a r t i c l es i z ea n dp a r t i c l es i z ei n d e xd i s t r i b u t i o no fe m u l s i f i e r - f r e ee m u l s i o n p o l y m e r i z a t i o no fb m a ，m m a i ss t u d i e dr e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o wt h a tc d s a c c e l e r a t e t h er e a c t i o ns p e e do ft h ee m u l s i f i e r - f l e ee m u l s i o np o l y m e r i z a t i o n ，t h e m e c h a n i s mo fp o l y m e r i z a t i o no fb m ai nc d ss o l u t i o nc a nb ee x p l a i n e da s h o m o p h a s en u c l e u s f o r m i n gm e c h a n i s mu n d e rp h a s e t r a n s f e rc a t a l y z i n g ( h n - p t c ) ， c dc o u l di m p r o v er e a c t i o ns p e e da n dm o n o m e rc o n v e r s i o ne f f e c t i v e l y , e s p e c i a l l y w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fc d si sh i g h e rt h a nt h ec r i t i c a lc o n c e n t r a t i o n ，t h ep a r t i c l e s i z eo fl a t e xb e c o m eb i g g e ra n dp s ib e c o m en a r r o w w h e r e a s ，w h e nc o n c e n t r a t i o no f c d si sl o w e rt h a nag i v e nv a l u e ，t h ep o l y m e r i z a t i o no fm m ai sf o l l o w i n g h o m o - p h a s en u c l e u s - f o r m i n gm e c h a n i s m ( h n ) ，w i t h t h ei n c r e a s eo fc d s c o n c e n t r a t i o n , t h em e c h a n i s mo fh n p t ci n f l u e n c et h ep o l y m e r i z a t i o no fm m a 山东大学博士学位论文 m o r e h n - p t ci sd e s c r i b e df o rt h ef i r s tt i m ea n dc o i n c i d et h ee x p e r i m e n tr e s u l tv e r y w e l l i na d d i t i o n ，a 一、p 一、7 - c di n f l u e n c ee m u l s i f i e r - f r e ee m u l s i o np o l y m e r i z a t i o n d i f f e r e n t l y , t h es e q u e n c e o fc d sa c c e l e r a t er e a c t i o n s p e e d o fb m ai s a c d y - c df o rb m a af u n c t i o nm o n o m e rs e m 2 5w i t had o u b l e - b o n di no n ee n da n dap o l y p h e n y l g r o u p si nt h eo t h e re n d si ss e l e c t e dt oi n t e r a c tw i t h0 【一，d - ，y - c d t h r o u g hs e v e r a l m e a s u r e ss u c ha sf t - i r , 1 h - n m r ，d s c ，x r d ，u v - v i ss p e c t r a , h i g h r e s o l u t i o n t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p yt oc h a r a c t e r i z et h ep r o d u c t i o n ，t h er e s u l t si n d i c a t e t h a tt h e “c h a n n e lt y p e ”c r y s t a l p o l y p s e u d o r o t a x a n e ( a s ) i sp r e p a r e ds u c c e s s f u l l y b ym i x i n gs e m 一2 5a n da - c ds a t u r a t e ds o l u t i o n r e a c t i o nt e m p e r a t u r eh i g h e rt h a n 15 ci sn e c e s s a r yt op r e p a r ea s i na d d i t i o n ，w ec a r ln o to b t a i ni n c l u s i o nc o m p l e x b e t w e e ns e m 2 5a n d1 3 - c d ，a n dt h ei n c l u s i o nc o m p l e xb ys e m 一2 5a n d1 3 - c di s p r o v e da sa m o r p h o u sm a t t e r ( y s ) t h e n ，w ee x p l o r ev a r i o u sw a y t op o l y m e r i z ep o l y p s e u d o r o t a x a n ea st op r e p a r e a i mp r o d u c t i o n - s i d ec h a i np o l y r o t a x a n e w a t e r s o l u b l ei n i t i a t o rk 2 s 2 0 8 ( k p s ) a n d o i l - s o l u b l ei n i t i a t o ra i b na r eu s e dt oh o m o p o l y m e r i z ea s ，h o w e v e r , i td o e sn o tw o r k i ti st h es a m er e s u l ta sk p si n i t i a t et h eh o m o p o l y m e r i z a t i o no fa sa n db m a t a k e ( n h 4 ) 2 s 2 0 8 - n a r i s 0 3 a si n i t i a t o r , m m aa st h e c o p o l y m e r i z i n gm o n o m e r , t h e c l u b - s h a p e dc y c l o d e x t r i n - b a s e ds i d ec h a i np o l y r o t a x a n ea r ep r e p a r e ds u c c e s s f u l l y i t i st h ef i r s tt i m et op r e p a r es i d e c h a i np o l y r o t a x a n eb yt h ew a yo ff r e er a d i c a l c o p o l y m e r i z a t i o n t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n0 【一，1 3 - ，7 - c da n de i g h td e n d r i m e r sc o n p r i s i n go f g o ( p h b r ) 一g 3 ( p h b r ) a n dg 0 ( 5 f ) - g 3 ( 5 f ) a r es t u d i e d t h ei n c l u s i o nc o m p l e x b e t w e e n0g e n e r a t i o nd e n d r i m e r sa n da 一，p - ，7 - c da r ep r e p a r e d b u ti ti sm o r e d i f f i c u l tt of o r mi n c l u s i o nc o m p l e xb e t w e e nc d sa n dd e n d r i m e r sw h i c hi sm o r et h a n 1g e n e r a t i o n k e y w o r d s ：c y c l o d e x t r i n s ，p o l y ( p s e u d o ) r o t a x a n e ， i n c l u s i o n c o m p l e x ， e m u l s i f i e r - f r e ee m u l s i o np o l y m e r i z a t i o n ，d e n d r i m e r i v 附件一： 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：缘痛专日期：鲨a ：堕! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：垫墨差导师签名：s 丝：日期：论文作者签名：型塑立导师签名：二5 堕查：日 期： 如8 f 2 6 山东大学博士学位论文 第一章前言 超分子化学是基于分子间的非共价键相互作用而形成的分子聚集体的化 学，它主要研究分子之间的非共价键的弱相互作用( 如氢键、配位键、亲水 疏水相互作用) 以及由于它们之间的协同作用而生成的分子聚集体的组装、结构 与功能，而如何直接构建这种体系，并设计高度有序且有特定结构和功能的超分 子配合物，已成为当今化学的重要课题。以环糊精等大环化合物及其衍生物与有 机分子、齐聚物、均聚物、共聚物做构筑基元，通过组装可以构筑纳米点、线、 管、带及其阵列以及中空胶囊、核壳微粒、螺旋体、多股螺旋体等，并赋予这些 材料以特种功能。基于环糊精的分子组装体系是研究最为广泛的超分子体系之 一。通过分子设计，选用适当的反应可以制备环糊精高分子、轮烷或多聚智能轮 烷。这些含环糊精的大分子体系基于非价键作用力，具有类似抗原抗体、生物 膜蛋白质以及d n a 、r n a 等生物体系内的相互作用机制，可以作为类似的生物 体相互作用机制研究的模型。另外，该体系还可以用作智能材料、分子器件以及 吸附与分离材料、化学传感器等。本论文拟通过制备环糊精与丙烯酸类单体、碳 硅烷类树枝状化合物、低分子齐聚物的包合物( 包括多聚准轮烷) ，研究不同种 类环糊精与不同结构和性质分子之间的的超分子相互作用机制和影响包合物( 包 括多聚准轮烷) 的形成、结构等的因素，并对包合物的聚合反应做初步探讨，进 一步揭示环糊精超分子化学的部分内在规律。 1 1 环糊精的结构及性质 环糊精( c d ，c y c l o d e x t r i n ) 是在环糊精转葡萄糖基酶( c g t a s e ) 催化分解 淀粉的产生的大环天然产物【1 1 。是由6 1 2 个d 吡喃葡萄糖单元环状排列而成的 一组低聚糖的总称，具有水溶性、非还原性、不易被酸水解等特点，是无毒可食 用的多孔性的白色晶体。第一篇关于c d 的报道是由v i l l i e r s 在1 8 9 1 年发表 的脚，其分离纯化和结构鉴定是由s c h a e d i n g e r 完成的【3 ，4 】 目前研究较多的是含有6 8 个葡萄糖单元的q 、3 - 和y - c d ，其结构如图1 1 所示。这三种c d 的内径分别为0 4 7 0 5 3n m ，0 6 0 0 6 5n m ，0 7 5 0 8 3n m ，由 葡萄糖单元形成的c d 空腔高度均约为0 7 9n m ，它们的外形象一个内空去顶的 圆锥体。空腔内部排列着配糖桥原子【5 】，氧原子的非键合电子指向中心，使空腔 山东大学博士学位论文 内具有很高的电子密度，因而表现出某些路易斯碱的性质。吡喃葡萄糖环c 3 、 c 5 氢原子位于空腔内并覆盖了配糖氧原子，使空腔内部成为疏水性空间。c d 分子空腔边缘含有羟基，使空腔外部表现为亲水性。内部疏水、外部亲水，是 c d 的重要特征之一。 f t i 图1 1a c d 、1 3 - c d 、 - c d 分子的立体图示( 1p m = 1 0 舶m ) 图1 2a - c d 分子洞外表面葡萄糖单元的基团排列位置 三种c d 中，1 3 - c d 的水溶解度最低，易于由水溶液中结晶提取。c d 在 水中的溶解度随温度上升而增加，不同温度时c d 在水中的溶解度列于表1 1 中。c d 不能溶解于常见的有机溶剂如甲醇、乙醇、丙醇、乙醚等。c d 晶体无 固定的熔点，加热到约2 0 0 。c 开始分解。a 、b 和丫三种c d 的结构相似，但 性质存在较大的差别，其主要性质如表1 2 1 6 j 。 2 表1 1 不同温度下c d 在水中的溶解度 表1 2c d 的主要性质 1 2c d 包合物 c d 是一个重要的主体分子，它能通过疏水作用、范德华力等相互作用与多 种客体【7 一，如有机分子( 离子) 、无机物( 离子) 、过渡金属配合物【l o 】、金属有 机化合物、聚合物甚至惰性气体，形成包合物。c d 以其引人注目的独特包合特 性，已在化学、生物学、药学等领域获得了广泛应用，以c d 为主要组成部分 构建智能材料已经成为研究者关注的热点。 所谓“包合”就是主体与客体通过分子间相互作用，完成彼此间识别的过程， 最终使得客体分子部分或全部嵌入主体内部的现象。在c d 包合物中，化合物 山东大学博士学位论文 被包在c d 的空腔中，通常将c d 称为主体，而把进入其空腔内的化合物称为 客体。c d 由于伯羟基和仲羟基的排列的特点决定了c d 腔内是非极性的，腔 外羟基具有亲水性，这种特殊的分子空腔结构，使得许多极性和大小合适的分子 可取代溶剂分子( 通常指水) 在其空腔中被包合，形成主客体包合物。通过包合作 用，客体的物理和化学性质能发生改变。如客体分子易挥发、易被氧化，溶解度 小、有刺激性、特殊味觉等问题，都可通过包合而解决。 1 2 1 影响c i ) 包合物稳定性的因素 c d 包合物的相成是一个较为复杂的相互作用过程，影响c d 包合物稳定性的 因素主要包括【1 1 j ： 1 ) 主客体分子尺寸的匹配 作为主体的c d 与客体分子形式包合物的一个基本要求是尺寸的匹配，即 对体积的选择性。c d 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的尺寸匹配在决定主客体间所形成的包合物的稳定性中 起重要作用。a 、p 一、7 - c d 的空腔容积分别为0 1 7 4n m 3 、0 2 6 2m n 3 和0 4 2 7 n m 3 ，这样，大尺寸的客体分子将无法进入c d 的内腔，而尺寸过小的客体分子则 不能与c d 产生强的疏水相互作用和范德华力，从而也不易形成稳定包合物。 只有客体分子大小与c d 空腔内径相匹配时，两者之间的距离较小，范德华力 和疏水作用较强，形成的包合物才比较稳定。 2 ) 客体分子的几何形状 客体分子的立体效应对包合作用有很大影响，范德华相互作用不仅依赖于客 体分子的尺寸，同样与其几何形状有很大的关系。当客体分子不能完全进入c d 空腔时，此时空间阻碍作用决定了包合物的稳定性。其中比较典型的例子就是2 萘磺酸负离子比1 萘磺酸负离子与1 3 - c d 包合物稳定，而对位芳香客体比邻位芳 香客体与1 3 - c d 能形成更稳定的包合物。 3 ) 极性及电荷 c d 包合物的稳定程度也依赖于客体分子的极性，即客体分子的亲疏水性。 一般来说在水溶液中实施包合时，强亲水性、强水合性的离子化客体与c d 形 成包合物的能力很弱，只有极性比水小的客体分子才能与c d 包合。这是因为 在水溶液中，包合物的形成实际上就是客体分子、水分子与c d 相互作用的竞 4 山东大学博士学位论文 争的过程，c d 分子的空腔是疏水的，根据相似相溶原理，c d 的空腔优先与极 性相近的化合物结合，形成能量最低的包合物。因此客体分子在c d 空腔中所 处的位置总是有利于疏水基团与疏水空腔有最大的接触，亲水基团尽量远离c d 疏水空腔，很多实验都证明了这个规律。 4 ) 介质 理论上，包合物也可以在无溶剂的条件下形成。对于易升华的物质，可将粉 状晶体c d 与粉状客体混合来制备c d 包合物。但是对于不易升华的物质就需 要用水或其他物质作溶剂。大多数关于c d 的包合配位作用的研究是在水溶液 中进行，也有一些在有机溶剂水混合体系或纯有机溶剂中制备包合物的报道。 很多实验表明溶剂可以影响c d 对客体分子的包合配位能力，在某些情况下还 甚至可以改变主客体间的包合配位模式。在c d 超分子体系中，随着溶剂极性 的降低，常常可以观察到主客体间形成配合物的稳定性也随之下降。另外，主客 体配合物的稳定性还受到溶剂p h 值的影响。 5 ) 氢键与高能水释放 有些客体分子与c d 的羟基可形成氢键，增加包合物的稳定性。由于c d 空腔的疏水性，使主、客体之间非极性非极性结合在热力学上有较大的稳定性， 这种相互作用必然使客体的疏水端进入c d 腔，取代c d 腔内的高能水，以降 j 低c d 内腔与水分子的非极性极性相互作用的能量。 1 2 2c d 包合物的制备方法 根据客体分子极性的差异，可以采取不同的方法制备包合物，这主要包括干 混法、饱和溶液法和冷冻真空干燥法【1 2 】。 干混法是将主客体在少量溶剂( 水或有机溶媒) 存在下用碾磨机反复碾磨成 糊状，得到产物。 冷冻真空干燥法是指低温下对包合物进行真空干燥的方法进行包合的过程。 称作冷冻真空干燥法，该方法实际上是溶剂法的改良，可以避免易溶于水的包合 物在普通干燥条件下的氧化和脱包现象。 饱和溶液法即将c d 制成饱和溶液，然后加入客体分子，搅拌直到作用完 全，静置沉淀，过滤并水洗，即得包合物。如将挥发油滴加到d c d 的饱和溶 液中振荡并过滤即得挥发油的b c d 包合物 1 3 】。 5 山东大学博士学位论文 饱和溶液法制备1 3 - c d 包合物时，包合物的溶解度往往较低，可以采用共同 结晶法分离得到包合物，该方法也叫共沉淀法。包合物易从溶液中结晶析出，过 滤即可回收包合物的晶体。何坚刚【1 4 】等首次在水溶液中采用共沉淀法制备了巴比 妥类化合物与1 3 - c d 的固态包合物。 目前采用常用的饱和水溶液法利用1 3 - c d 包封挥发油的工艺比较复杂，且易 造成挥发油损失，为此林桂涛【1 3 】等分别采用研究饱和水溶液法、液液法和气液 法详细研究了薄荷丁香的包合工艺，比较了3 种包封方法的包封率，结果表明， 气液法的包封率与饱和水溶液法相比没有明显差别，薄荷丁香油游离p o 0 5 ； 而液液法的包封率显著大于饱和水溶液法，游离率p o 0 1 。气体包合物的制备 及鉴定方法的报道不多。童林荟【15 】等在常压下将高纯乙烯通入水溶液中得到了包 合物晶体，并对包合物的结构进行了表征。由于客体分子性质的差异，与c d 形 成包合物的方法都不尽相同，只有根据主、客体分子结构、性质等的特点设计包 合工艺，在大量试验的基础上，才能制备得到目标包合物。 1 2 3 包合物的包合类型 c d 与客体分子可以形成二元、三元及多元包合物。包合物的化学计量比通 常通过等摩尔连续变化法【1 6 ，1 7 1 和b e n e s i h i l d e b r a n d 1 8 1 方程求得。当体系中只有 一种客体分子时，c d 和客体分子形成的二元包合物的络合比一般呈l ：1 ，也有 2 ：1 【1 3 ，19 1 、1 ：2 、2 ：2 【2 0 1 等。三元包合物一般为l ：1 ：l 或2 ：l ：2 【2 1 1 。张勇等提出两个 1 ：1 的a b r n p c d 包合物分子可以进一步形成一种2 ：2 的重叠包合配合物。 0 【c d 可以和6 溴2 2 萘酚、2 氯代萘形成主客分子比为l ：l 和2 ：1 的2 种包合物 2 2 , 2 3 】。芘、1 - b r n 都可分别与b c d 和表面活性剂形成1 ：1 ：1 的包合物2 4 1 。杜新贞 【2 5 】等用连续变化法表明溶液中形成了p c d ：十二烷基硫酸钠( s d b s ) ：1 b r n 配 合比为1 ：1 ：l 的三元包合物，他们还用b e n e s i h i l d e b r a n d 方程做了从理论上进 一步证实了包合物的配比。c d 在特定条件下可以形成多元包合物的结构主要有 2 种类型【2 6 1 ，即笼型和管型。笼型是指c d 分子非同轴排列，客体分子充塞于c d 腔内；而管型是指c d 分子沿轴向堆积，空腔形成隧道，客体分子寄宿于隧道 内。 1 2 4c d 包合物的检测手段 研究者采用多种手段来研究c d 与客体分子的相互作用规律，获得大量有 6 山东大学博士学位论文 关包合物的性质及包合常数等数据。研究表明，客体分子进入空腔后，受到一个 非极性场的束缚，理化性质会发生明显变化。仪器检测是通过检测包合物在形成 过程中产物物理化学性质变化来研究主客体分子间的相互作用机理，如光学性 质、热力学、电化学、溶解度的变化等。c d 包合物的结构和性质研究可以在 固态和液态两种状态下进行刚。x 射线衍射、差热分析、薄层色谱【2 8 】、红外光 谱和固体核磁共振等很多手段都可用于c d 固体包合物结构研究。对于溶 液中主体与客体分子的相互作用，可以用吸收光谱、荧光法【2 9 1 、核磁共振、微 量量热、圆二色谱【3 0 】等方法进行表征，其中最为常用的方法是核磁共振法和荧 光法。因为在c d 存在下，底物和c d 分子上的h 谱化学位移以及底物分子的 光谱一般都要发生变化【3 1 1 ，这些变化往往与c d 与客体某些原子相互作用有关。 1 ) 核磁共振法( n m r ) d e m a r o 和t h a k k e r 首次采用n m r 技术研究了c d 包合物的结构。核磁 共振法是研究包合物空间构象及包合位点最有效的方法，特别是对于在溶液中 c d 包合物的形成的检出及各种性质的阐明。它能直接观察到主客体分子中各个 原子化学环境的变化。缪振春综述了核磁共振技术在药物与c d 的包合物结构 分析中的应用【3 2 】。n m r 常用的参数是诱导化学位移，通常用a 6 表示。它是 包合物的某原子的化学位移与主客体在游离状态的化学位移差。正的a ；5 表示 向低磁场方向的化学位移，而负的a 6 则表示向高磁场方向的化学位移。h 核的 化学位移对c d 包合作用尤为敏感，是客体分子在c d 中包合的最直接的证据，也 是n m r 检测中灵敏度最高的原子核。1 h n m r 技术可推测c d 与客体分子的包 合方式。当具有芳环的客体分子深入的包合在c d 的分子空腔内时，由于芳环 的“环电流效应”，位于空腔内壁的h 3 和h 一5 原子的信号移向高场，而位于分 子腔外的h 1 、h 2 、h - 4 原子的化学位移不受影响1 3 引。通过1 h - n m r 可以很容 易判断出聚苯胺是否与c d 形成了包合物，并且形成包合物的c d 与自由c d 的比 含量可以通过在5 1 0p p m ( 包合物) 和5 0 5p p m ( 自由) 质子共振信号的积分 值计算出来，甚至可以进行反应动力学的研刭3 4 】。 1 3 cn m r 谱【3 5 ，3 6 1 可以提供客体分子中所有碳原子在c d 腔内所处环境的 直接证据。碳原子化学位移变化主要是由c d 分子洞内的化学环境作用引起的， 例如把测定的”c 化学位移值与通过计算的化学位移值进行比较，能够确定某 7 山东大学博士学位论文 些芳环客体分子的取向与位置。1 3 c 谱研究表明氟哌酸与1 3 - c d 的相互作用及 形成包合配合物的结构【3 7 】为氟哌酸的羧基与4 2 位羰基从1 3 - c d 的宽口端进入空 腔，由窄口端伸出。采用固体1 3 c - n m r 可以研究准轮烷的空间结构，为准轮烷 的形成提供有力的证据3 8 1 。此外，1 9 fn m r 3 9 】、1 5 nn m r 【4 0 】、3 1 pn m r 【4 1 】技术 也是比较常用的手段。 n m r 法适用范围广，可利用化学位移、偶合常数、振动弛豫等多类参数表 征包合物的结构，还可同时观察c d 与被包合物的参数变化，但该方法也存在 第三组分的干扰等缺点。 2 ) 荧光法 荧光光谱法灵敏度较高，是研究c d 包合物的常用技术。客体分子与c d 形成包合物后荧光强度会有所增强，只要原因是：首先c d 结构构象能保护客 体分子的荧光激发单重态和磷光三重态，使之不受水溶液或溶剂中促灭剂的影 响，且c d 空腔内局部黏度增大，氧对客体分子的荧光促灭作用随之降低；其 次，客体分子发色团的微环境极性改变导致量子产率增加；第三，包合物形成后， 客体分子的运动自由度降低，相互碰撞机会减少，非辐射衰减变弱，荧光强度增 加。利用荧光光谱研究包合物性质的主要方法有双倒数法、荧光偏振法、时间分 辨荧光法、相分辨荧光法及荧光各相异性法等。如荧光探针法发现，c d 体系中 引入脲素，对1 3 - c d 分子洞内的微环境影响显著，可以使分子洞内极性增大， 且使芘与1 3 - c d 的包合形成速度减小，这些结果表明“疏水相互作用”是形成包 合物的一种动力【3 0 l 。荧光法只适用于有荧光的客体分子包合物的研究。 3 ) 圆二色性 圆二色性是研究具有光学活性化合物结构的有效方法。c d 存在着不对称 场，会对非手性客体分子诱导出圆二色性。客体分子处于c d 腔内会产生“考登 效应”，且诱导考登效应的符号及强度对客体分子的取向及刚性非常敏感，适于 研究c d 与客体分子的包合方式。包合行为的依据是扇形规则：客体生色基团 偶极矩的跃迁平行于c d 的对称轴时，i c d 谱跃迁带的c o t t o n 效应( c e ) 为负； 当其垂直于c d 的对称轴时，c e 为正；当其与c d 空腔的对角线重合时，c e 的 旋转强度为零。n a g a s e 等【4 2 】首先采用该方法证明- j d y 9 7 6 0 e 嵌入磺丁基1 3 c d ( s b e i b - c d ) 和羟丙基1 3 c d ( h p i b - c d ) 的空腔，形成包合物；c a l a b r o 等【4 3 】 山东大学博士学位论文 用该方法测定了芦丁和f i - c d 在水溶液中的包合常数，获得了包合比为1 ：1 时的 包合常数。 4 ) x 射线衍射法 x 射线衍射法是测定物质晶体结构变化的快而简洁的重要手段，可以获得晶 胞参数等信息。结晶态的包合物不同于固体包合物，被包合分子不仅包在腔内， 有的还被夹带于包合物分子间的空隙中。各种晶体物质在相同的角度处具有不同 的晶面间距，从而显示不同的衍射峰，其x 射线衍射图都是独一无二的。 a d a d a d 口d c 册 叩锄叩 m 图1 3 含包合物糊精分子的排列方式 c d 包合物的衍射图不同于主体、客体及其混合物的衍射图，可以证明形成 了新的物相。图1 3 为c d 包合物中糊精分子的排列方式的结构简图，可以通过 衍射图样中各谱线的位置及其相对强度，借助于b r a g g 方程，由已知波长辐射 源和所测得的角度计算出晶面间距而得到。s a e n g e r 和h a r a d a 最早研究了有关 c d 包合物的晶体结构，认为包合物中c d 主要的排列方式有3 种( 图1 3 ) 。其中 a 是不同c d 腔体相接而成的“管型”，b 为鱼骨型，c 为砖型。客体分子被包合 后，结晶衍射峰变化。王维贤等用该法确定吲哚美辛与i b - c d 确已形成包合物， 苯环是被包合的部分【4 4 1 。 5 ) 电子显微镜 采用原子力显微镜( a f m ) 4 5 】，隧道扫描电镜( s t m ) 4 6 - 4 8 等方法研究了a ， i b - c d 与聚氧乙烯、聚4 ，4 - - 二- p l t 啶准轮烷的形态。 此外，磷光法、红外光谱法、表面张力分析法和拉曼光谱法在包合物的表征 中也有应用，但目前报道还不多。研究表明一些本身不发磷光的物质包合在c d 空腔中后，能观察到磷光，由此可以判断形成了包合物。何坚刚等h 9 1 用傅立叶 变换红外光谱( f t i r ) 研究了固态主客体分子间的相互作用，拓展了红外光谱 9 山东大学博士学位论文 在包合物体系研究中的应用范围。光谱和溶液表面张力分析表明阴离子表面活性 剂的疏水性烷基链有一部分被包合在i b - c d 空腔内，而未包合部分则绕曲在 1 3 - c d 腔口处。e 1 h a d il a m c h a r f i 等【5 0 】采用红外光谱和拉曼光谱检测对包合物的 结构进行了表征。 1 3c d 多聚( 准) 轮烷 轮烷就是由一个或多个环状分子( 作“转子”) 和一条或多条线形分子( 作“轴”) 由非共价键组装成的超分子体系，当线状分子两端用大基团封闭时称为轮烷；而 没有对线性分子进行封端得到的超分子配合物称为准轮烷。轮烷的主体主要有 c d s h 、冠酬5 2 1 、杯芳烃等。多聚( 准) 轮烷 ( p s e u d o ) p o l y r o t a x a n e s 是- - 种通过非 价键相互作用组合得到的超分子结构，当“轴”与“环”之间相互作用力较小的时 候，多聚( 准) 轮烷的产率较低；当“轴”与“环”之间的相互作用较强的时候多聚 ( 准) 轮烷的产率就高，可以看出，“轴”起到了模版的作用。c d 与大分子间 的组装以其选择性、可调控性和生物相容性等优势引起广泛关注。 c d 成为重要的多聚( 准) 轮烷主体化合物之一，主要由于：首先是来源丰 富，易于纯化，有较好的化学稳定性；第二，与冠醚等分子相比，c d 所具有的 天然的桶状三维结构，能与许多小分子或高分子链形成结构独特的包合物；另外， c d 分子空腔大小可以