（分析化学专业论文）β—环糊精与某些二茂铁衍生物的超分子化学性质研究.pdf

宁夏大学硕士学位论文 摘要 摘要 超分子化学属于一个新兴的跨学科交叉的前沿领域，它涉及了化学科学的所有学科门类 以及生物化学和材料科学等等。由于超分子化学是解决一直困扰化学工作者的选择性问题的 有效手段，因而从其理论提出以来，就得到了巨大的发展。其中，环糊精( c o s ) 是超分子 化学研究较深入的重要的主体分子之一，它们可以很好的改善客体分子的各项性能。 本论文是以b 一环糊精作为主体分子，利用它特殊的锥筒状分子结构，内疏水、外亲水 的空腔能够选择性结合许多有机、无机分子的性质，将具有显著生物活性的重要的金属有机 化合物一= 茂铁类衍生物引入其中，使它们水溶性增加、改善了稳定性、有效提高其生物利 用度。 在固相法合成了乙酰二茂铁缩氨基硫脲( t a f ) 、乙酰二茂铁缩氨基脲( s a f ) 、苯甲酰二 茂铁缩氨基硫脲的( t b f ) 的基础上首次用饱和水溶液法和固相微波法合成了它们相应的b 一环糊精的超分子包合物，然后，通过红外光谱、x - - 射线粉末衍射、紫外一可见光谱对其 性质做了详细研究。元素分析及溶解度曲线测定结果证明t a f 和s a f 均形成了1 ：1 型包合 物。室温下，包合常数k 分别为2 2 7 1 0 z l m o l 和7 8 2 l o l m o l ，说明b c d 与s a f 的 结合强度大于与t a f 的结合。i b f 分子中由于茂铁环和苯环两个富电子基团的存在，等摩尔 连续变化法研究其形成的是2 ：3 型的包台物。室温下，包合常数k = 5 0 4 x1 0 ”l 4 m o l 4 。同 时，从微环境的角度研究了不同溶剂对各客体和包合物的紫外光谱的影响以及在水溶液体系 中p h 值的变化对客体和包含物的影响特征。结果表明溶液中不同微环境对客体及超分子包 合物的电子光谱有着显著不同的影响。这一研究将为今后的拓展研究奠定必须的理论基础。 关键词：超分子包合物，一环糊精，乙酰二茂铁缩氨基硫脲( t a f ) ，乙酰二茂铁缩氨基脲 ( s a f ) ，苯甲酰二茂铁缩氨基硫脲( t b f ) ，电子光谱，微环境效应 h i a b s t r a c t s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y ，t h ee m e r g i n ga n du p - t o - d a t ec r o s ss u b j e c t ，i n v o l v e sa l ls u b j e c t s o fc h e m i s t r y ，b i o c h e m i s t r ya n dm a t e r i a ls c i e n c ee t c i nv i e wo fs u p r a m o l e c u l a rc h e m i s l r yc o u l d o f f e ra ne f f e c t i v em e t h o df o rc h e m i s t st os o l v et h el o n 9 4 e l i np u z z l eo fi m p r o v i n gs e l e c t i v i t y ， w h i c hh a sg o r e nag r e a td e v e l o p m e n tf r o mt h et h e o r yb e i n gp u tf o r w a r d ，e s p e c i a l l y ，i n c h r o m a t o g r a ma n do p t i c a la n a l y s i s c y c l o d e x t r i n ( c d ) ，o n eo ft h em o s ti m p o r t a n th o s to f s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y , c a nb e u s e dt oi m p r o v ea l lq u a l i t i e so f g u e s t s i nt h i st h e s i s ，b - c y c l o d e x t r i nw a su s e da st h eh o s t t a k i n ga d v a n t a g eo fi t sl a r g e i n t r a m o l e c u l a rc a v i t yw i t l lc y l i n d r i c a ls h a p e a n dt h ec h a r a c t e ro fs e l e c t i v e l yf o r m i n gi n c l u s i o n c o m p l e x e sw i t hs o m eo r g a n i c0 1 i n o r g a n i cm o l e c u l e s ，b - c y c l e d e x t r i ni n c l u d e ds o n i cf e r r o c e n e d e r i v a t i v e si n t h i ss e r i e ss t u d i e s t h u st h e s ef e r r o c e n ed e r i v a t i v e s w a t e r - s o l u b i l i t y , s t a b i l i t y , a n d b i o a v a l l a b i l i t yw e r ea l le f f e c t i v e l yi m p r o v e d f i r s t l y , a c e t y l f e r r e c e n e - t h i o s e m i c a r b a z o n ( t a l 9 ，a c e t y l f e r r e c e n e - s e m i c a r b a z o n e ( s a f ) a n db e n z o y l f e r r o c o n e - t h i o s e m i 伽- b a z e n e ( t b dw e r eg o t t e nt h r o u g hn o v e ls o l i ds t a t es y n t h e n s i s a n dt h e nt h e i ri n c l u s i o nc o m p l e x e sw i t hb - c y c l o d e x t r i nw c i er e s p e c t i v e l yp r e p a r e di nk n e a d i n g m e t h o da n dm i c r o w a v em e t h o d c h a r a c t e r i z a t i o n so ft h e s ei n c l u s i o n c o m p l e x e sw e r e s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e db yu v , f t i ra n dx - r a yd i f f r a c t o m e t r y e l e m e n t a la n a l y s i sa n dt h es o l u b i l i t y d e t e r m i n a t i o np r o v e dt h a tt a ta n ds a fa l lf o r m e dl ：1i n c l u s i o nc o m p l e x e sw i t h1 3 一c d i n r o o mt e m p e r a t u r e ，t h e i ra s s o c i a t i o nc o n s t a n t sw e m2 2 7 x1 0 z l m o l ( t a f ) a n d7 8 2 1 0 2 l m o l ( s a f ) 。w h i c hc b ee x p l a i n e dt h a tt h ec o m b i n a t i o no ft a f - 1 3 - c dg o e sb e y o n ds a f - b - c d o w i n gt oh a v i n gt h er i c h - e l e c t r e nr a d i c a l , b e n z e n ea n df e r r e c a n y l ，c o n t i n u o u sv a r i a t i o np l o t p r o v e dt h a tt b fa n db c df o r m e d2 ：3i n c l u s i o nc o m p l e x i nr o o mt e m p e r a t u r e i t sa s s o c i a t i o n c o n s t a n tk = 5 0 4 1 0 ”l 4 m o l 4 f u r t h e r m o r e t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n ts o l v e n t sa n dp ho nu v s p e c t r u mo f t a f , s a f , t b fa n dt h e i ri n c l u s i o nc o m p l e x e sw e r ed i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y t h er e s u l t s s h o wt h a td i f f e r e n tm i c r o - e n v i r o n m e n th a sa p p a r e n t l yd i f f e r e n te f f e c t so ne l e c t r i cs p e c t r ao f g u e s t s a n di n c l u s i o nc o m p l e x e s t h er e s e a r c hw i l ll a yt h ee s s e n t i a lt h e o r e t i c a lg r o u n d w o r kf o rf l l r t h e r d e e ps t u d y k e y w o r d s ：i n c l u s i o nc o m p l e x ，b - e y c l e d e x t r i n ( b c d ) ，a c e t y l f e r r o c e n e - t h i o s e m i c a r b a z o n ( t a l 9 , a e e t y l f e r r o c e n e - s e m i c a t b a z o n e ( s a f ) b e n z o y l f e r t o c o n e - t h i o s e m i c a r h a z o n e ( t b l 9 e l e c t r i cs p e c t r u m , m i c r o - e n v i r o n m e n t a le f f e c t s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得宁夏大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 张况 时间： 鲥旷年，月吵日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解宁夏大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。同意宁夏大学可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：张魂 导师签名。印卸 时间： 时间：加玎年，月节日 咚每玉勇印日 宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 超分子化学概述 第一章绪论 确立了超分子概念的j m l e h n ，创立和发展了主体客体化学理论的d j c r a m ，与发 现并合成出大量冠醚分子的c j p e d e r s o n ，由于对“发展和应用有特殊结构和高选择性的 分子”做出了重大贡献，1 9 8 7 年同时获得了诺贝尔化学奖。从此超分子概念很快被科学界 接受，并引起了的普遍关注。 何谓超分子? 超分子化学昵? 首先要明确超分子体系与原子问的化学键作用形成分子 不同，它是在主体与客体分子匹配的条件下，通过分子间非共价键作用缔合形成的复杂有序 且具有某种特定功能和性质的实体或聚集体，或者称为超级分子。主体对客体具有特异性的 选择作用。非共价键力一般包括：静电引力、范德华力和氢键力等分子间弱的相互作用，其 物理本质是永久多极矩、瞬时多极矩、诱导多极矩三者之间的相互作用。超分子体系中的相 互作用多呈现加和与协同性，并具有一定的方向性和选择性，其总的结合力可以不亚于化学 键”1 。这是一个全新的结合层次，这就决定了超分子具有不同于分子层次的结构和功能，下 图描述了超分子体系的三大基本功能： 多种分子。主客体分子， 上组装。， 识别 ( r e c o g n i t i o n ) 信息存储与读出 转化 ( t r a n s l o c a t i o n ) 定域选择反应 立体选择反应 输运 ( t r a n s f o r m a t i o n ) 载体 经过近2 0 年的快速发展，超分子化学也已远远超过了原来有机化学主客体体系的范畴， 形成了自己独特的概念和体系：如分子识别、分子自组装、超分子器件、超分子材料等等， 构成了化学大家族中一个颇具魅力的新学科“4 “。同时，超分子的思想使人们重新审视许 多传统的但仍具有很大挑战的学科分支，如：配位化学、液晶化学、包合物化学等，并给它 们带来了新的研究空间。超分子化学的一个重要特征是：它处于化学、生物、物理学的交汇 应效 子il_it 分超 宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 处，体现在这些学科从不同角度揭示分子组装的推动力及调控规律。在与其他学科的交汇融 合中，超分子化学已发展成为超分子科学，被认为是2 l 世纪新概念和高技术的一个重要源 头“。 无论是超分子化学还是超分子科学，主体分子的合成与应用研究始终是它的关键所在， 随着超分子科学的发展先后出现了三代不同主体的超分子体系，它们分别是以冠醚为主体、 以环糊精为主体、以杯芳烃为主体的超分子体系。其中，环糊精从七十年代以来就成为构筑 超分子的重要主体，它们的应用大部分涉及到包合物超分子体系的形成，因为它们能根好地 改善客体分子地各项性能，如：溶解性，见光、见氧的稳定性，客体分子的化学反应活性“ 等等。所以环糊精被广泛用在工业和化学分析方法中，低毒性又使其更进一步用在食品和香 精、化妆品、包装材料、纺织品、分离技术、环境保护、发酵和催化工业等多个领域。 1 2 环糊精( c d ) 及环糊精超分子包合物 1 8 9 1 年y i l l i e r s 从芽孢杆菌属淀粉杆菌的淀粉消化液中发现“术粉”。1 2 年后，即1 9 0 3 年s c h a r d i n g e r 用分离的菌株消化淀粉得到了两种晶体化合物，确认它们与“木粉”属同一 类物质。为了区别这两种晶体，把与碘一碘化钾反应生成蓝灰色晶体的叫作a 一环糊精( a - - c y c l o d e x t r t n ) ；生成红棕色晶体的叫作e 一环糊精( b - - c y c l o d e x t r i n ) ”。从此环糊 精逐步进入了众多化学工作者的研究领域，历经制得纯品环糊精、确定结构、毒理实验到 2 0 世纪7 0 年代以来的环糊精化学的鼎盛发展时期，目前环糊精已成功步入了化学、人工酶 模拟、药物、食品、农业、生物、化妆品等等诸多研究和应用领域”“。 1 2 1 环糊精基本结构与性质“”1 环糊精的基本构成单元是a d 一吡喃型葡萄糖，它们均以未扭曲的1 c t 椅式构象存在， a - - i ，4 一糖苷键将其连接成一系列截项中空的圆锥状大分子。目前研究较多且具有实际应 用价值的是含有6 、7 、8 个毗哺型葡萄糖单元的n 一，b 一，y 一环糊精，其结构见图卜1 。 根据x 一射线晶体衍射、红外光谱及核磁共振波谱分析确定，吡哺型葡萄糖拥有4 c ，椅式 构象，结果使环糊精所有的伯羟基均位于环的一侧，即葡萄糖单元的6 位羟基构成了截锥状 图i - 2 环糊精分子结构 2 次面( 第二面) 结构的主面( 较窄面) ；而 所有的仲羟基位于环的另 一侧，即2 位和3 位羟基 构成了环糊精截锥结构的 次面( 较阔端) ( 见图卜2 ) 。 环糊精的内壁是由指向空 腔的c 3 和c 5 氢原子以及 配糖氧桥原子构成，配糖 氧桥原子的非键合电子对 指向空腔中心，使环糊精 空腔内部产生较高的电子 宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 云密度，因此表现出一些路易斯碱的性质。 图1 - l d 一、b 一、y 一环糊精结构图 由于以上的结构特点，环糊精第二面的仲羟基使其大口端和外壁表现出亲水性，而 3 主蔓查兰堡主堂垡笙苎 一一：= ：= = ：呈耋呈= = i ! 兰 其空腔内部则为疏水性环境。尽管环糊精的主面也由羟基构成，但6 位亚甲基的作用，使其 第一面也表现出一定的琉水性 环糊精的葡萄糖单元上的2 位仲羟基与相邻葡萄糖单元上的3 位仲羟基之间可以形成分 子内氢键。但由于a 一环糊精的六个葡萄糖单元中有一个处于扭曲的位置，因此具有非共面 结构，也就使其第二面的氢键网络不完整，一个分子中只有四个氢键形成。与之相反，b 一 环糊精的第二面可形成完整的氢键带，使其锥形圆环结构对称并有刚性，这也许可以解释1 3 一环糊精在水溶液中有相对较低的溶解度。y 一环糊精由于环尺寸较大，表现出一定的柔性， 因此其水中溶解性在三种环糊精中最高。比较这三种环糊精的二级羟基的h d ( 氢一氘) 的交换平衡常数，b 一环糊精是0 6 5 ，a 一环糊精是0 7 5 ，y 一环糊精是0 8 5 ，表明b 一 环糊精有最强的氢键”3 ，也可以说明以上的溶解状况。表1 1 列出了这三种环糊精的一些 物理常数以作更直观比较。 表卜1d 一，b 一，y 一皿的一些重要物理参数 8 ( 1 = 1 0 0p l n ) 参数 n c db c dy c d 葡萄糖单元数 678 分子量9 7 21 1 3 5 1 2 9 7 室温下水中溶解度 1 4 51 8 52 3 2 ( g l o o m l ) 比旋光度 1 5 0 0 51 6 2 5 0 51 7 7 4 0 5 d 。矩( 。) 外圆周直径( a )1 4 6 0 4 1 5 4 0 41 7 5 0 4 空腔直径( ) 4 7 0 5 3 06 0 0 6 5 0 7 5 0 8 3 0 空腔高度( a ) 7 9 o 17 9 4 - o 17 9 o 1 空腔大致体积( ) 1 7 42 6 24 2 7 结晶水( 重量)1 0 21 3 2 1 4 58 1 1 7 7 水中结晶形状六角板状单斜晶平行四边形 方形棱柱体 1 2 2 环糊精超分子包合物及其表征 环糊精的“内亲油，外亲水的空心锥台”的特殊结构，可以与范围极广的固体、液体、 气体化合物相互作用形成超分子包合物。通常我们将环糊精分子称为“主体”，而这些被包 入环糊精空腔内的固体、液体、气体化舍物称为“客体”。 4 宁夏犬学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 ，2 1 环糊精形成的超分子包合物模式 迄今，根据各类文献报道大概可以总结出7 种包合模式，如图示 c d ：客体= l ：1 c 0 0 h c d ；客体= 1 ：2 图卜3b c p 氟哌酸包合物结构示意图 图1 _ 4b c d 与十二烷基硫酸钠的包合模式 c d ：客体= 2 ：l 图卜5b _ c d 一胆红素包合物结构图 5 宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 ：幻扣一嘞u j z c d ：客体= 3 ：1 图卜6a - b r n p 一1 3 一c d 包合模式 图卜7b _ c d 与胆固醇包合物的结构模式 c d ：客体：客体= 2 ；1 ：2 图1 _ 8b 吒d 芘叔丁基一改性剂三元包合物的包合模式 c d ：客体：客体= 2 ：2 ：1 图1 - - 9 y c d 、1 2 一冠一4 与k 形成2 ：2 ：l 型包合物的晶体结构 6 宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 ，2 2 2 环糊精超分子包合物的形成条件 可以与环糊精形成包合物的客体分子种类很多，包括直链或支链的脂肪族化合物、醛类、 酮类、醇类、有机酸、脂肪酸、芳香族化合物和一些极性化合物，如：卣素、含氧酸和胺等。 但是选择客体分子的时候必须要注意和主体分子的匹配性，总的来说其形成条件可归纳为： 尺寸适合 影响环糊精与客体分子形成包合物的因素很多，但由于环糊精空腔边缘羟基间的氢键网 络作用，具有一定的刚性，因此起决定作用的还是客体分子大小要和主体分子的空腔尺寸匹 配适应。n 一、p 一和y 一环糊精的空腔容积分别为0 1 7 4 r m 3 、0 ，2 6 2 n m 3 和0 4 2 7 m n 3 ，这样， 大尺寸的客体分子将无法进入环糊精的空腔。而尺寸过小的客体则不能与环糊精产生强的疏 水作用和范德华力作用，从而也不易给出包合物。一般来说，n 一环糊精的空腔尺寸适于包 合低分子量的客体分子或者有脂肪侧链的化台物，b 一环糊精的尺寸与芳香族和杂环化台物 尺寸相匹配，y 一环糊精空腔就可以容纳更大的分子，如大环化台物和甾族化合物。不过形 成包合物并非要求将整个客体包入环糊精空腔，只要有部分客体功能团或取代基被紧密包合 便可。因此，环糊精可以包合比其自身大得多的客体分子。 口客体分子的疏水性 包合物的形成与否及其稳定性也与客体分子的极性有关。通过a 一射线晶体结构及核磁 菇振研究观察到，被包合的客体分子在环糊耩空腔中所处的位置总是利于其疏水基团与环糊 精疏水的空腔有最大程度的接触，而客体的亲水基团则尽可能远离空腔，向外部伸展。可以 说，一个环糊精包合物的稳定性与客体的疏水性成正比。在客体的合适部位上若有诸如甲基、 乙基之类的取代基团存在，均能增加其分子疏水性，从而促进形成稳定的环糊精包合物。 包合物形成体系中环糊精、客体、溶剂三者之间的热力学作用 包含物的形成是一个平衡过程，见图卜3 。初始的平衡建立很快，只需几分钟就可以。 然而最终的平衡却要很长的时间才能达到。同时，对于一个包合物的形成，必须要有一些 图卜1 0 环糊糟包合物形成示意图 使上述平衡右移的有利的净能量驱动才会使客体分子进入环糊精形成包合物。通常，这种使 包合平衡移向包合物形成一方的推动力主要来自四个方面：如图1 1 0 可以看到环糊精在未 包合其他客体分子之前，空腔中充满的是具有较高能量的极性的水分子，所以尺寸合适的疏 水性客体分子或其某个疏水基团进入非极性的环糊精空腔取代其中的水分子将是第一种驱 使包合平衡正向移动的作用力，这是由于非极性一非极性的结合在热力学上有较大的稳定 性；当环糊精空腔中的水分子释放到环外大体积的水分子环境中，就会有更多的氢键形成， 宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 这就是第二种使包合平衡右移的作用力；第三种正向作用力就是由于包合物的形成疏水的客 体分子与环境中水分子的相互排斥力减弱；那么，客体分子进入非极性的环糊精空腔疏水作 用力会增强就是第四种推动力。 另外包合物的形成还受反应时间、反应温度、搅拌( 或超声震荡) 时间及反应物浓度 等各种其它条件的影响。一般延长反应时间、搅拌时间、提高环糊精浓度有利于包合物的形 成。大部分包结作用可以在室温下进行。从机理上分析，升高温度会引起分子运动加剧，对 形成的包合物起破坏作用，不利于包结作用进行，并降低其稳定常数。 1 2 2 3 环糊精超分子包合物的制备 1 2 2 3 1 固体包合物的制各 纵观国内外文献，包合物的制备方法很多，但没有一个通用的方法可以适用于所有的包 结客体，所以根据客体物质的溶解性差异，包结化合物的制备主要是在溶液和固相两种状态 下进行“，见图卜1 1 。 r1 在水或水为主要成分的溶液中制备包合物 i i2 共增溶剂存在下制各包合物 厂湿法1 3 在悬浮液中生成包结化合物 i【4 其他方法：渗透法、气腋界面法 固体包合物的j 制各方法、 i f 1 共研磨法 l l固相法 2 在封闭容器内加热 【3 室温摇动法 图卜1 1 固体包合物的制各方法分类 基于上面的这些基本方法和原理，目前具体主要形成了以下几种常用方法： a 共沉淀法：”“3 又叫饱和水溶液法。在搅拌的状态下将客体化合物或其溶液加入环糊精饱和水溶液中， 对于b 一环糊精，如果客体化合物的熔点较高的话，其浓度可以再高出2 0 。而对于水不 溶性的客体化合物要先以少量的适当有机溶剂溶解，再加入。激烈搅拌这一混合溶液同时适 当增加温度( 一般为6 0 8 0 ) ，使主客体均达饱和，然后将溶液冷却至室温搅拌足够的时 间后，取下放入3 5 c 过夜，环糊精包结化台物会从均相溶液中结晶析出，通过滗析、离 心、过滤得固体包合物，干燥。 b 共研磨法： 取合适配比的主、客体化台物( 液体或晶体) ，在一般湿度( 相对湿度：6 0 7 5 ) 条件 下强力研磨，即可形成包含物。采用这种固相包结技术，初始环糊精的的含湿量起重要作用。 宴 主墨查堂堡圭兰竺兰苎一：窒圣至兰= = ：! 坠垒 这种方法对水溶性大的包合物的制各更为有利“。 c 超声波法： 加入客体的环糊精饱和水溶液，混合均匀后代替前述的搅拌，即用超声波清洗机，选择 合适的超声强度和时间使其反应。后处理同共沉淀法。 d 浆状法“： 环糊精和客体化含物均不需要溶解，仅在一定的温度下通过剧烈搅拌，将它们悬浮于少 量水中，使用超声波可以促进固相的分散。把客体物质加入到搅拌好的环糊精悬浮液( 在 2 0 x ，将n ( c d ) ：n ( k 0 ) = 1 ：2 搅拌而成) ，反应混合物在轻油中搅拌4 8 小时，在重油 中搅拌几天( 2 4 7 2 h ) 。 e 微波法： 自从g e d y e 1 报道可以将微波技术引进到化学反应中，微波辐射促进有机化学反应的研 究已经成为有机化学领域的一个研究热点，人们发现在微波辐射作用下的有机反应的速率比 传统的加热的方法快数倍甚至上千倍，且具有操作简便、收率高、后处理简单等特点，因而 微波在有机台成中得到广泛应用并迅速发展。兰州大学的马学毅教授1 首次将微波法用于一 系列环糊精包合物的制备，取得了理想的结果。反应时，将环糊精、客体化合物及少量的溶 剂放入反应瓶中，置于微波炉内，在合适的温度下反应几分钟就可以的到包合物。用这种方 法制备环糊精包合物。反应物瞬间就能获得很高的能量，反应时间比常规方法大大缩短”“。 1 2 2 ，3 2 单晶的制备 这将为晶体化学的研究提供更广泛的理论依据。 绝大多数环糊精与修饰环糊精包结物的单晶都是在水溶液中制备的，水分子作为客体以 氢键键合到空腔中，或充满分子问的空隙处。但从混合溶剂中得到的晶体，内部却不都含有 溶剂分子。 制各单晶最常用的方法是将环糊精、修饰环糊精或它们与等摩尔的客体水溶液在室温下 放置，令晶体慢慢生长。由于环糊精包合物在水溶液中存在平衡，因此体系中总是同时存在 环糊精、客体和包合物三个物种。在包合物的溶解度低于前二者的情况下，将方便单晶的制 备i 反之，如果包合物的溶解度大于客体时，可以将溶液在升温情况( 如4 0 、9 0 。c ) 下 放置，使之慢慢蒸发。对于溶解度很大的环糊精如s 一环糊精的单晶制各，采用将其溶解于 乙腈：水( 1 ：1 ) 溶液中，室温放置的方法。 1 2 2 4 环糊精超分子包合物的表征 环糊精包含物不仅能以固体状态存在，也能存在于水以及某些有机溶剂中。依据具体情 况，对于不同状态下存在的包合物可以采用相应的方法表征。 对于固体包合物，其表征检测手段很多，如：x 射线粉末衍射( x r d ) 技术是判断是 否生成固体包台物的以及包合物纯度的有效方法。当客体是气体或液体时其自身不会产生 衍射峰，但包合物都是粉末状的晶体，它们在衍射图上都有特征峰。如果客体原来就是晶体， 在生成包合物后其原本的特征峰消失，环糊精的特征峰也会消失，衍射图上产生新的特征峰。 般在具体的实验中都是将环糊精、客体、包合物和物理混合物( 环糊精+ 客体) 的衍射图 组合起来进行比较、说明。热分析，主要是热重( t g 或t g a ) 和导数热重( d t g ) 、差示扫 描量热( d s c ) 等的检测。t g 或d t g 分析可以用于区别样品是包结物还是混合物以及在样品 9 主基古耋耍主兰售鲨苎： 。筮= 主堂乙i 溶液中环糊精与客体的相互作用可以用吸收光谱、荧光光谱、核磁共振谱、微量量热、 电化学、毛细管电泳、高效液相色谱和圆二色谱等多种方法进行分析。其中最主要的方法是 荧光光谱法和核磁共振法。在电化学法中客体分子必须有电活性，毛细管电泳法只适用于离 子型客体分子( 但体系中有胶束和离子型环糊精存在时除外) 。 最近，人们采用分子力学计算与计算机模拟技术相结合的方法来预测环糊精包台物的最 优化结构也成为一个热点例如m e r i n o 等嘲利用此法预测了b 一环糊稽盐酸普鲁卡因的最 优化构型，它与l m 哝技术所得的结论完全吻合。天津师范大学的缪方明教授“做了b 一环 糊精一三乙醇胺超分子体系的量子化学从头算的研究，结果表明超分子体系的稳定性来自于 生客体分子间的非键相互作用以及偶极相互作用无明显的电荷转移迹象，包含物的稳定性与 客体分子的尺寸和氢键生成能有关，与实验测定的晶体结构数据相一致。 包台形成常数k ，熵变s ，焙变a h 等是表征环糊精包合物的几个重要参数。 总体来说，环糊精和客律分子在水溶液中形成包台物是一个动态平衡过程。k 值的表达 式如下： m h + 以g 寻垒苎巩g ( 8 啦) ( b - n x ) x 所以： ，- 再爿罨而( 脚也一1 ) ) 测定k 值能对包合平衡作以定量描述，因为k 值的大小可以反映环糊精与客体分子之间的结 合力的强弱。另外，只有当温度、p h 、溶液一定时才有确切的k 值。温度增加k 值迅速下降； 当溶液p h 1 2 时，环糊糖烃基解离，包结化台物极不稳定。 通常，前述提到的检测分析方法大都可被进一步用来估算k 值，每种方法亦各具优点和 局限性，应根据具体情况酌情选用这些方法分别是：分光光度法”“1 、指示剂竞争法、 荧光法”( b e n e s i - l i l d e b r a n d 法和芘为荧光探钎法“) 、核磁共振法”、表面张力法 “卿、高效液相色谱法3 、毛细管电泳法、相溶解度法豫删、圆二色谱法、电化学法( 包括 极谱法、伏安法“1 、恒电流库仑滴定法、电导率法嗍、电位法咖) 。 ， 表征包台物形成的另外两个热力学参数as 和厶h 的数据表明，包合物形成时往往伴随 负的焓变，熵变为负的或较小的正值，故包合作用生要来自焙的贡献。 尽管通过估算包台常数以及s 和a h 两参数的涌定，已经能够基本说明包含的主要机 理，但如欲进一步深入探究，还须用更糟确的方法技术。首先是与包合平衡常数密切相关的 包台比的研究。溶液中常采用紫外( u v 。摩尔比率法、等摩尔系列法) 、荧光 ( b e n e s i - h i l d e b r a n d 法、荧光双倒数法”) 、核磁共振( 哝，摩尔比率法、连续变化法) 、 相溶解技术、差示扫描量热等方法来确定包合比。对于晶体环糊精包结物，包台行为比较复 采，其很少有固定包结比。 再者，了解一个环糊精一客体包合物在溶液中的空间构象最有效的试验手段首推核磁共 振谱，因为环糊精空腔内壁的h 3 和h - - 5 氨原子分别靠近较大和较小的开口端。它们包台 窨体时所引趋的微扰程度与有关氢核的相对位置有很大关系。实验证明，如果客体从较大开 宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 杂，其很少有固定包结比。 再者，要了解一个环糊精一客体包合物在溶液中的空间构象最有效的试验手段当首推核 磁共振谱，因为环糊精空腔内壁的h 一3 和h 一5 氢原子分别靠近较大和较小的开口端。它们 包合客体时所引起的微扰程度与有关氢核的相对位置有很大关系。实验证明，如果客体从较 大开口端进入环糊精空腔，则包合后的h 一3 的化学位移比h 一5 的出现更大程度的向高场漂 移。除化学位移外。核磁共振法中有一项核极化增强效应( n u c l e a ro v e r h a u s e re n h a n c e m e n t ， n o e ) 技术尤为适合于包台物结构的研究。其原理是：凡空间上十分接近的氢核之间会产生 一种穿越空间的偶合作用，由这种偶合导致的n o e 效应随核间距离增大而急剧减小，因此 n o e 技术对空间结构非常敏感。环糊精空腔内径约在5 8 a 之问，当客体被包入空腔后，其 上氢原子与h - - 3 和h 一5 可能十分接近，故可以测到这种分子间的n o e 来确定包合物结构 【h m 1 2 2 5 环糊精超分子包合物的应用和前景 环糊精发现已逾百年，但是由于早期制取环糊精的生成酶稳定性差，产量低，分离提纯 时加入的有机沉淀剂又使其产生毒性等原因，致使环糊精的研究和应用受到限制。直到上世 纪七十年代中期才实现了一定规模的工业生产，短短的三十年环糊精的研究已经达到前所未 有的程度。 环糊精具有刚性和良好的疏水空腔，是无机离子、有机分子、药物和生物客体形成超分 子包合物的首选宿主。被包合的客体分子处于一个低介电常数的琉水微环境中，其化学和物 理性质都有可能得以改善： 口对光、氧敏感物质的稳定性增加。 口客体分子的化学反应活性改进。 口极易挥发物质的稳定。 口物质溶解性的改善。 口液体物质改型为粉末状固体化合物。 口保护客体分子免受微生物的降解。 口掩饰油类物质的气味和口味。 口掩饰某些物质的色泽。 口环糊精选择性地结合客体分子后，在一定的条件下，洞口的羟基可起到亲核试剂的 作用，使客体分子的键活化或介入反应从而起到催化作用，即环糊精存在下化学反 应速率显著增加，并且有特异选择性。 此外，环糊精内腔是手性的，能为不对称合成提供手性条件；环糊精还可以加速某些物 质的异构化，而用于配位催化反应。与冠醚相比，环糊精的结构和性能与酶所具有的微环境 更为相似( 酶的高效催化活性也是通过与低物形成包结物而获得) ，环糊精作为酶模型研究 已有很多报道“”。从结构方面来看，大环化合物和胶柬是作为人工酶的最优骨架。由于环糊 精中在空腔两侧的伯、仲羟基是活跃的质子供体，并且立体的分布在空腔的周边，极易与客 体分子达到有利的配置状态，分子内疏水环境也有利于对客体分子的选择结合和定位，所以 环糊精是最早作为酶模型的基本骨架。b r e s l o w 等帆“1 发现苯甲醚在n 一环糊精包结下的对 位选择氯化反应，同时设计了核糖核酸酶模型呱删。从此，酶模型的研究成为生物化学研究 宁夏大学硕士学位论文 第一苹 绪论 的重要课题。可以预料随着酶学基础研究的不断深入，一定能得到更多的与天然酶催化效率 相匹配的人工酶体系“3 ；也会使更多的通常条件下难以进行的反应，在环糊精催化下得以 顺利实现。 同时，也由于环糊精及其衍生物的这些特性。使其在农业、食品、香料、化妆品、环境 工业中得到了广泛应用。目前，在药剂学领域的应用也日渐增多。凭借特殊结构环糊精可以 与药物客体分子形成稳定的超分子包合物，但若在一定的条件下，客体分子又可以从包合物 内溶出而显示药效；对于难溶、稳定性差以及有异味的药物被环糊精包结后可以大大提高 药物的溶解度、稳定性、生物利用度和减少药物不良反应。同时，由于包含物是呈分子状态 的，易于通过生物细胞膜和血一脑脊液屏障，进而改善药物的生物利用率和药效。目前，环 糊精作为一种有效的药用赋型改良剂也越来越受到重视。制成环糊精包结物还可以达到使药 物缓释和改善剂型的作用，所以环糊精及其衍生物作为一种有前途的包结材料已广泛使用。 相对于简单包合物，最近十几年来以环糊精及其衍生物包合物为基元组分构建结构复杂 的功能性化合物的研究也愈来愈引起人们的重视。其中最引人注意的领域之一就是环糊精及 其衍生物与聚合物的包合作用，在一定条件下预包合，再用较大的端基连接到聚合物的两端， 可以使环糊精及衍生物停留在聚合物链上( 图1 - 1 2 ( a ) ) ；此外利用环糊精包合物的聚合作 用也可以获得聚合物包合物( 图1 - 1 2 ( b ) ) 。这一类奇特的聚合物包合物大大改进了聚合 物的性能，可以获得某些具有特殊性质的高分子材料”“1 。 + o ：。弭。曲妯面 h ，聚合物的包合物 ( b ) 包合物的聚合物 圈1 1 2 两种形成方式的聚合物与环糊耩包合物 鉴于环糊精特殊的理化性质和优良的生物学特性，有关环糊精包合，同时还有修饰、配 位、聚合和应用研究将仍然是人们感兴趣的课题。特别值得提出的是环糊精作为酶模型以及 自组装与分子识别的主体将有着不可估量的发展前景。随着超分子化学和现代分析测试仪器 的迅速发展，可望合成一些自然界可能不存在的。但在分子储存信息、转移信息和催化功能 的新型超分子结构或体系，使超分子化学在生命科学、材料科学和信息技术等方面发挥更大 的作用。 1 2 宁夏大学硕士学位论文 第二章实验研究 b 一环糊精与二茂铁系列衍生物超分子 包合体系研究 2 1 二茂铁类衍生物性质和功能概述 1 9 5 1 年p a u s o n 等合成二茂铁，自此对= 茂铁及衍生物的研究方兴未艾”1 。科学家们对 其为什么会投入了如此大的兴趣，主要是因为二茂铁衍生物在其性质和结构方面的一些特殊 性； 首先二茂铁衍生物具有芳香性，能够象简单地芳环化合物一样，不容易发生加成反应， 但容易发生如下的取代反应：金属化反应、酰化反应、烷基化反应、磺化反应、甲酰化反应 等，以及配合体交换反应，而且它们易于塑造；但是它们又不同于一般芳香化合物，例如二 茂铁衍生物的夹心结构使这类分子具有一定的厚度，这特点能阻止二茂铁衍生物接近某些 酶的活性部位，因而它又具有选择性； 二茂铁衍生物具备一般化学药品所不具备的低毒性； 二茂铁衍生物具有氧化还原的可逆性，所以能在酶的作用下参与代谢作用； 二茂铁衍生物具有亲油性，能够顺利地通过细胞膜，这就为它同细胞内各种酶作用提 供了条件。 所以它在不对称催化、羟醛缩合、烯烃常压氢化、苯酮氢化硅烷化等反应中得到广泛应 用“。同时，极化的二茂铁衍生物具有独特的电化学和光学特性，连接吸电子基共轭体系 的二茂铁衍生物表现出很大的二阶非线性光学响应”。利用二茂铁基团的可逆氧化还原特 性，则有可能通过可逆的电化学来控制其衍生物的光化学特性，实现氧化还原开关效应，这 类氧化还原开关材料在电致变色、光电记忆和光通讯领域具有较大的应用价值。 基于前述的特性，二茂铁衍生物还在生物学、医学、微生物学等领域得到广泛应用，现 在已将其用在抗肿瘤、杀菌、杀虫、治疗贫血、抗炎、调节植物生长、抗溃疡、作为酶抑止 剂等等方面。例如：= 茂铁甲酰基衍生物对动物和人的贫血症有一定治疗效果；含二茂铁甲 酰基的硫脲衍生物均有一定的植物调节活性和杀菌活性，对小麦赤霉、番茄早疫、棉花立枯、 苹果轮纹、芦笋茎枯等植物病菌均有很好的抑止抗菌活性，平均抑止效果达6 4 7 ，对植 物的生长具有促进作用，活性最高可达5 7 5 “”1 。一些酰胺基( 硫) 脲及其有关衍生物除 具有一定程度的促进植物生长的功效外，还具有抗结核菌等生理活性。 此外，在添加剂和敏化剂方面二茂铁衍生物也发挥了很大功用，二茂铁具有2 个环戊二 烯“键结合的层状结构，n 键结合对称分子所具有的芳环性质，使其具有很高的辛烷值及抗 爆性“，在节油、消烟、结炭、抗爆、提高辛烷值等方面有着重要的作用。同时，将二茂 铁及其衍生物或聚二茂铁化合物微量加入到一些材料中，可增加其敏化性能”1 。 在分析化学中，依据有机溶剂中二茂铁可被氧化为二茂铁正离子的性质，而二茂铁是橙 黄色的，f e 2 + 是蓝绿色的，可以用比色分析测定f e 3 + 、m o ”、r e ”等离子，灵敏度高于通常 方法。二茂铁还可用于a g 、v 、h g 、p b 、a u 等元素的安培法滴定分析。二茂铁酰基冠醚类化 宁夏大学硕士学位论文 第二章实验研究 合物对某些金属阳离子，如碱金属阳离子有高亲和性，能有效分析这些离子”1 。在免疫分 析方面，继g i z a w a “等人将羧酸用于免疫分析后，w i l s o n “讣组叉将其成功的用于电催化 鲁华诺化学发光免疫分析，从而大大推动免疫分析的发展，其中2 一二茂铁乙酸是这种分析 方法中采用的关键试剂。 近些年，二茂铁化学的发展是更加迅速，= 茂铁及其衍生物的合成、性质与结构的研究 工作异常活跃，二茂铁衍生物、类似物等新物种层出不穷不断拓宽了金属有机化学研究的范 畴，开辟了金属有机化学的一个新领域。但其中有些衍生物由于较差的水溶性及不稳定性和 某些毒副作用使其应用受到限制，具有药性的分子还会影响到它在体内的生物利用度。还有 一些衍生物是想引导其有更好的化学反应性“1 ，所以在分析了分子极性和可能的结构尺寸的 基础上考虑用环糊精包台改善这种状况，或许还可以找到新的分子识别的敏感材料。而且目 前