（物理化学专业论文）几种具有疏水空腔的合成主体对客体分子的键合行为.pdf

攘要 超分予化学的研究娥当前化学、嫩命化学和材料科学的前淞领域之一。环糊精和 辐芳烃荦筝瓷两类重要煎趣努子俸系，不仅霹以作为努予受搭识掰多释育掘、秃辍戬及 生物分予形成主一客棒藏超分子配台物，而且可戡作为优良的酶底物相互作用模型被 应用于多种科学技术锁域。本文主要采用量热滴建法研究了拥谢疏水空腔的这两类主 体褥生秘慰窖碡分子键会瓣蒸力学蛙爨，包捂离予谖囊零舅子识巅，溪述了不两透素 对键合能力的影响。其_ 燕要内容如下： l篱要奔绥了趣分予健学懿壤嚣，势凳蘩黯鞋环糊耩嚣嚣芳径必受薅熬分子谈裂熬 力学性质研究豹主瓣成果和最新谶展进行了论述。 2 采蕉撇爨燕滇定魏方法硬究了水溶牲葬鞠势烃麓圭麓与，释轻稀礴敬盐配整 作用的热力学性质，扶热力学观点考察了尺寸珏配、静电相互作用戳敷脱溶帮效 应等闲索对配合物稳定性和不同离子之间的选梅性的影响。并证实了焓熵补偿关 系鹣眷在，熟力学数摇表骥戆粪毽结嚣兔震予熵驱饕过程。 3 采用微最热滴定的方法研究了环糊精和水溶性杯芳烃衍擞物与四种拳胺盐阳离 予帮蕊对氨基酸对浃髂趣结露薅鲍熬力学瞧藤，探讨了各种弱辐互箨瘸在分子谖 别串的贡献，比较了两类主体空靛疏水性的差辫，从热力学的观点揭示了主客体 络合作用的驱动力。 4 设计并合成了一种梯芳烃衍生物的两个异构体，并利用单晶x - 射线衍射测定了结 构，探讨了主体化含物结构与配位性能之间的漱系。 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 i so n eo f t h em o s ta t t r a c t i v ef i e l d si nc h e m i s t r y , l i f es c i e n c e a n dm a t e r i a l ss c i e n c e c y c l o d e x t r i n sa n dc a l i x a r e n e s ，w h i c h a r et h em o s ti m p o r t a n t s u p r a m o l e c u l a rh o s t s ，n o to n l yc a r l b et a k e na sm o l e c u l a rr e c e p t o r st or e c o g n i z eaw i d e v a r i e t yo fo r g a n i c ，i n o r g a n i c a n d b i o l o g i c a lg u e s tm o l e c u l e sf o r m i n gh o s t g u e s tc o m p l e x e s o rs u p r a m o l e c u l a rs p e c i e s ，b u ta l s oh a v eb e e na p p l i e dt os e v e r a la r e a so fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g ya sa ne x c e l l e n tm o d e ls y s t e mm i m i c k i n gt h es u b s t r a t es p e c i f i ci n t e r a c t i o no f e n z y m e s i n t h i st h e s i s t h e i rb i n d i n g p r o p e r t i t e sw i 瞧g u e s t m o l e c u l e sw e r ei n v e s t i g a t e db y m e t h o do fc a l o r i m e t r i ct i t r a t i o na n dt h ed i f f e r e n ti n n u e n c e so fs e v e r a lf a c t o r so nt h e r e c o g n i t i o np r o c e s sw e r ef u r t h e re x p a t i a t e d t h i st h e s i si n c l u d e st h ef o l l o w i n gm a i np o i n t 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 。t h en e w p r o g r e s s a n d i m p o r t a n t a c h i e v e m e n t so nm o l e c u l a rr e c o g n i t i o no fc y c l o d e x t r i n sa n d c a l i x a r e n e sw e r er e v i e w e d 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 s o fw a t e r - s o l u b l ec a l i x 4 l a r e n ed e r i v a t i v e sw i t h e i g h tl a n t h a n o i & i i on i t r a t e si na q u e o u s s o l u t i o nw e r es t u d i e db yt i t r a t i o nm i c r o c a l o d m e t r y t h es i z e - f i tc o n c e p t ，e l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o nb e t w e e nl i g a n d sa n dc a t i o n sa n dd e s o l v a t i o n e f f e c tu p o nf o r m a t i o no fh o s t - g u e s tc o m p l e x e sw e r ed i s c u s s e df r o mt h et h e r m o d ，7 n a m i c p o i n t o fv i e w a tt h es a m et i m et h e e n t h a l p y - e n t r o p yc o m p e n s a t i o np r i n c i p l e w a s e x a m i n e di nt h e c o m p l e x a t i o no fl a n t h a n o i dw i t hc a l i x a r e n e s ，a n d t h et h e r m o d y n a m i c q u a n t i t i e si n d i c a t e d t h a tt h e i rb i n d i n gb e h a v i o ri sd r i v e na b s o l u t e l y 姆e n t r o p y 3 m i c r o c a l o r i m e t r i et 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 et h e r m o d y n a m i c p a r a m e t e r sf o rt h ec o m p l e x a t i o no f f o u rq u a t e r n a r ya m m o n i u mc a t i o n sa n dt w oa m i n oa c i d e n a n t i o m e rp a i r sw i t hw a t e r - s o l u b l ec a l i x a r e n ea n dc y c l o d e x t r i nh o s tc o m p o u n d s 。t h e c o n t r i b u t i o no f s e v e r a lw e a ki n t e r a c t i o n st om o l e c u l a r r e c o g n i t i o na n d t h ed i f f e r e n c eo f t h e t w oh o s t s h y d r o p h o b i cn a t u r ew e r ed i s c u s s e dc o m p a r a t i v e l y t h ed r i v e nf o r c eo ft h e f o r m a t i o no f h o s t - g u e s tc o m p l e x e sw a sd i s c u s s e df r o mt h ev i e w o f t h e r m o d y n a m i c s 。 珏 4 ap a i ro fc a l i x a r e n ed e r i v a t ei s o m e r sw a s s y n t h e s i z e d u s i n gt h e i rc r y s t a ls t r u c n l r e d a t a ，w es t u d i e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r u c t u r eo ft h eh o s tc o m p o u n d sa n dt h e i r b i n d i n ga b i l i t i e st o w a r d s t b ” 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 ed e r i v a t i v e s ，m o l e c u l a r r e c o g n i t i o n ，c a l o r i m e t r i c t i t r a t i o n ，1 1 1 e i l o d y n a r n i cp a r a m e t e r s ，c r y s t a ls t r u c t u r e i i l 南开大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 超分子化学概述 1 9 8 7 年n o b e l 化学奖授予了c j p e d e r s e n ，j m l e h n 和d j c r a m ，标志着化 学的发展进入了一个崭新的时代，发韧于p e d e r s e n 对冠醚的基本性发现而分别由 c r a m 和l e h n 发展起来的主客体化学【2 】、超分子化学刚1 的重要意义也因此才被人们真 正认识到。 所谓的超分子即源于w e m e r 提出的分子化合物，由两个或多个分子通过分子间 的弱相互作用一氢键、范德华力、静电作用和短程斥力等生成的复杂有组织体系。超 分子化合物的光、电、磁性质以及超分子中存在的电子和空间的特定识别与组装功能， 在材料科学和生命科学的应用和高技术开发上有着光明的前景。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 em o l e c u l e ) ”【5 】，它涵盖了比分子本身复杂得 多的化学物种的化学、物理和生物学特征，并通过分子间( 非共价) 键合作用聚集、组 织在一起的。它所研究的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，是对共价键分子化学的一次质变和升华。各种弱相互作 用力的协同相互作用普遍存在于生命体系的各种过程中，因此，超分子化学所研究的 分子间相互作用，对于理解和揭示高级特异性生物过程，如酶或受体与底物的结合、 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 现象有着重要的意义。共价键结合的分子单元通过静电( 离子偶极，偶极偶极，偶极 一诱导偶极) 、v a nd e rw a a l s 力、疏水、氢键、7 c 呱堆积和电荷转移等非共价键相互作用 力协同作用构成的分子聚集体称为超分子，其具有识别( r e c o g n i t i o n ) 、转化 ( t r a n s f o r m a t i o n ) 和位( t r a n s l o c a t i o n ) 的基本功能【6 1 。通过多个超分子的分子亚单元的 自组织( s e l f - o r g a n i z a t i o n ) 或自组装( s e l f - a s s e m b l y ) 能够得到稳定的、具有特定空间构象 或功能的大分子聚集体，可以潜在地作为分子器件或超分子器件得到应用。 超分子化学的发展使其概念和研究对象充满活力，浑然一体，并逐渐生长出或深 入到新的研究领域。而且研究对象从低级结构向高级结构发展，从环状结构向多种结 构的分子发展，然而对各种类型大环化合物的研究进展始终代表着超分子化学的研究 水平。在超分子化学研究中，大环化合物的分子识别与组装行为是超分子化学研究的 南开大学硕士学位论文 最重要内容之一，因此除对冠醚的广泛研究外，对一些人工合成的受体如穴醚、环糊 精、杯芳烃、环番、环多肽和卟啉等大环化合物与各种客体分子的作用机制研究，对 于理解酶底物、抗体抗原相互作用有重要意义，因此也受到广大化学工作者的关注， 并且不断有各种结构新颖和性能优异的大环配体被合成与制备出来【7 】。分子识别是超 分子化学的核心概念，既是分子器件信息处理的基础，又是组装高级结构的必由途径。 所谓分子识别就是主体( 或受体) 对客体( 或底物) 选择性结合并产生某种特定功能的过 程，是组装及组装体功能的基础，分子识别主要可分为对离子客体的识别和对分子客 体的识别。分子识别现象广泛地存在于复杂的生物体系和简单化的人工合成的主客 体体系，通过对受体分子识别过程热力学数据的定量和定性分析，可以加深我们对化 学和生物体系中控制超分子相互作用的机理和因素的综合理解，尤其是分子识别热力 学起源的研究对于理解分子组装过程的驱动力具有重要意义。 本论文的研究工作主要着眼于以环糊精及杯芳烃为受体的分子和离子识别过程 的热力学性质研究，因此下面将对这两类合成受体分子识别的热力学研究工作进行简 要综述。 1 2 环糊精分子识别的热力学研究 环糊精是由淀粉通过酶促降解得到的一类环状低聚糖。其中最常见和应用最广泛 的是分别由6 、7 和8 个d 吡喃葡萄糖单元通过a ( 1 - 4 ) 糖苷键结合而成的a 、p 一和y 环糊精。分子外观为截锥状结构，其中葡萄糖单元均采取未扭曲的椅式构象( 见图1 1 示意p 9 1 。 ( a ) ( b ) 图l - 1 p - 环糊精的分子填充模型( a ) 为从小口端的俯视图( b ) 为侧视图 模型的构筑根据文献【9 】中晶体结构数据进行 2 南开大学硕士学位论文 环糊精空腔的内壁由糖苷氧原子以及葡萄糖单元的c 3 和c 5 氢原子( h 3 ，h ，5 ) 构 成，为富电性的疏水微环境：其桶状结构的上缘和下缘分别由葡萄糖c 6 上的伯羟基 和c 2 、c 3 上的仲羟基构成，使外壁表现出亲水性。同时由于上缘和下缘均由羟基形 成了氢键网，因此环糊精具有刚性的半锥状结构。环糊精的结构特征使其可以在水溶 液中结合各种各样的无机、有机和生物小分子形成包结配合物，并可作为一种优良的 酶底物相互作用模型 1 0 a i 】，因此在科学和技术的诸多领域有广泛的应用。 环糊精对客体分子的包结作用主要是通过几种弱相互作用的协同作用来完成的， 这些弱相互作用主要包括：( 1 ) 疏水相互作用；( 2 ) 范德华相互作用；( 3 ) 氢键；( 4 ) 偶极 一偶极相互作用；( 5 ) 静电相互作用；( 6 ) 脱溶剂效应。一般认为，环糊精配位热力学 中最重要的贡献来自于客体分子的疏水部分进入环糊精的空腔和客体分子的脱溶剂 化作用，前者有时可以被认为是单纯的范德华力，而通常这两种贡献均可归结为疏水 相互作用。其它各种弱相互作用力在环糊精的分子识别过程中很难上升为主要驱动 力，但是它们对配位热力学表现出一定的贡献。深入研究环糊精与客体分子之间识别 过程的热力学起源，对分子识别和组装具有重要的战略意义。 环糊精的空腔由于边缘羟基问的氢键网络作用而具有一定的刚性，因此，客体分 子与空腔间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，a - 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【1 2 】。尽管在通常情况下， 尺寸适合的概念适用于解释天然环糊精配位过程热力学的量的总趋势，同时可以预期 尺寸最匹配的主客体化合物间可以给出最高的配合物稳定性，但通过对其的定量和 定性分析可以加深对配位过程的大多数热力学数据的理解。人们已经非常系统的研究 了a - 、1 3 、y - 环糊精和一些修饰环糊精与各种客体分子( 脂肪醇、酚类、环醇、萘衍生 物以及芳香化合物等) 在2 5 0 c 形成化学计量1 ：1 的配合物的稳定常数及相应的热力 学参数值。 刘育等【l3 】采用圆二色谱滴定法研究了芳香有机硒修饰d 环糊精对客体脂肪醇的 分子识别作用，发现在主客体包结配位过程中，主体构像变化的敏感因子o 【的大小与 所用环醇的环尺寸有关，即客体环醇的尺寸越大，配位过程中构像变化的敏感因子 值越大。这表明大体积客体分子进入环糊精空腔后，取代原有修饰基团占据的位置而 将自包结的取代基逐出空腔。当客体分子尺寸较小，而环糊精空腔相对较大时，主客 南开大学硕士学位论文 体间形成超分子配合物的过程中，修饰环糊精的取代基可能反而更深地包入环糊精空 腔，以使客体与空腔间的尺寸更加匹配。 i n o u e 和刘育等【1 4 1 用量热方法研究了天然环糊精与多种萘磺酸盐在磷酸缓冲液中 的包结配位作用，发现各识别因素的协同作用可调节客体分子在主体内的取向，并可 对客体分子的微小差别进行识别，p 环糊精对p 萘磺酸盐、0 萘磺酸盐的分子选择性 高达1 0 0 。他们推断萘环以轴向进入环糊精空腔形成包结配合物( 如图1 2 所示) 。 n i s h i j o 和u s h i r o d a 【l5 采用核磁共振手段证实2 萘磺酸上的6 和7 位氢从第二面插入 到环糊精的空腔。而磺酸基团则暴露于空腔之外，但是他们所报道的主客体间的配 位稳定常数却远小于以前的文献值。k b l i p k o w i t z 等用核磁、色谱结合量化计算研 究了天然环糊精对色氨酸和部分含有双键的有机小分子的分子识别及手性识别机制， 并给出了详细的讨论 1 6 , 1 7 。i t a b u s h i 等人在p 一环糊精衍生物上引入过渡金属离子后， 可以通过包结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【1 8 1 。这些研究进一步表明“锁- 钥学说( k e y l o c kt h e o r y ) ”或尺寸形状 适合( s i z e s h a p e f i t ) 、多点识别机制和诱导楔合( i n d u c e d - f i t ) 作用在生物受体选择底物中 的重要作用。 一 涮睁8 0 3 k s = 25 1x 1 0 3 蚝。2 3 4x 1 0 5 图1 - 22 - 萘磺酸和2 - 萘磺酸与1 3 一环糊精包结配位的可能模式 r e k h a r s k y 和i n o u e 1 9 1 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d 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。因此，可以说天然环糊精 与手性对映体客体分子的包结配位一般很少表现出显著差异的热力学参数和手性识 别能力，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 2 0 l 采用量热法测定了d ( + ) ，s ( ) 樟脑( c a m p h o r ) 手性对映体与。 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 4 摩开大学碛学键谂交 以将实验测得的焓值区分为包结过程的赢接反应热和溶剂重组引起的焓变，且有7 5 瓣烩变滚窦予溶赉l 戆耋组，势通过繇究不瓣瀣疫下焓交与湛疫粒线犍关系褥至了樟| l 亵 ( c a m p h o r ) 对映体的比热容( d o ) 。 为了提高其识别能力殿选择性，天然环糊精的修饰被广泛地研究，化学修饰环糊 耱不纹霹淤改变母薅鹣溶籁凌、稳定惶等携理晓学毪矮，嚣豆：i 丕改交了嚣壤穗鹃分子 识别能力。刘肖等口m 3 1 通过紫外和量熟法研究了各种修饰环糊精与备种氨基酸客体包 络配位的稳定常数，结果表明修饰环糊精比天然环糊糟有更大的结会常数，这应该归 瓣予主窖薅瓣冒戆存在鹤黪奄赣互终穗，然瑟霜露逐发硗尽警修舔繇獭精每天然嚣 糊精的分子识剐一样，范德蔓挣力和疏水作用是分子识别过程的主要驱动力，疏水性取 代基的引入有可能降低环糊糟空腔疏水相互作用和范德华力豹作用效果1 2 4 司。对取代 蒸毫子云密度瓣主薅整结醚经戆力懿影豌遴一步疆交发凌，琵蕴稳定常数夔苯环主取 代基的吸( 供) 电子效应改变，这可能是由于苯环上的电性影响取代旗的自包结稔度， 进而影响对客体分子的配位能力1 2 4 m 。 勇箨l 毯z z a r c l l i 等瑟5 j 鸯疆究了每魏裁，6 凄 氨基圣繇期耱锅疆1 ) 终合耱与l i t ) 嚣氮 酸、l d 苯丙氮酸和l d 包氨酸的包结配位作用，袭现出较小的币性选择性，根据 其热力学参数，尽管也得到了很好的焓一熵补偿线性关系，但给出了棚对小的a 值( 0 6 0 ) 霸缀嵩夔t a s ( 5 6k c a lt o o l ) ，这霹毙羯弱子羲墓酸审懿氮基巍羧蕊与锅( 毯离子之溺 较强的配位作用。 i n o u e 等【2 ”人利用量热研究了6 氨基6 脱氧1 3 环糊糟和天然b ，环糊精在磷酸缓冲 滚( p h = 6 辫每孛毪客薄，及繁骞芷、受惫荣熬窖俸豹终合终矮和手魏谖鬟。磷究教筏， 带有电荷的生- 客体的静电作用与通过龟结进入空腔的客体与空腔的相互作用( 如疏 水作用，v a nd e rw 捌s 作用，溶剂脱溶剂效应，氢键等) 之间存在潜平衡，而这种平 餐控露l 蓍蒂蠢爰电蘅懿主髂秘带毒毫芬嚣俸静奄结终台作用及手瞧谈巍雩亍为。 桥联环糊精由于与客体分子的包结配位可以给出很离的配位稳定常数，配位过程 放出大量的热能，从而使采用量热滴定手段测定其配德过程的热力学参数变得非常困 难，这静禺疆撩慰予获热力学藏熹理解耩鞍舔糊耪配像俸蔫兹驱动力有一定貔戳筏。 剿目前为止只有b r e s l o w t 2 s 研究组报道了几种含硫桥联$ 环糊精与几种拥有大基闭取 代基的客体分予的包结配位作用，给出了形成超分子配合物的稳定鬻数和相应包结配 鬣遗程的熔交秘演交；缩暴袋疆它稻豹繇经过程绘密了夫静蠢由麓燹，在这类穆镰嚣 南开大学硕士学位论文 糊精主体的配位过程中通常给出大的焓变，而这一数值会或多或少的被不利的熵变所 削弱，表明此类强相互作用是焓驱动的。由于主体和客体分子在配位过程中的构象被 严格固定，降低了作用分子的自由度，因此给出不利的熵变。 此外，r e i n h o u d t 等【2 9 】也报道了通过量热法研究两种桥联环糊精1 ，2 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，同时比较两个 主体桥联环糊精，由于丹酰基团阻碍了客体的包结，1 与客体的包结作用相对于2 表 现出更高的稳定性。 l2 图1 3 大量关于天然和简单修饰环糊精与有机、无机和生物分予识别的热力学研究表明 主客体间的尺寸适合概念对包结配合物的稳定性起着重要的作用，范德华力是生成 环糊精包结配合物的主要驱动力，并且以环糊精为主体的包结配位过程中普遍存在着 焓一熵补偿关系。从理论上讲，负的焓变源于主、客体间的范德华力和偶极偶极相互 作用而分子几何形状引起的空间障碍和空腔相对于客体分子平移和旋转自由度的限 制是负熵变的起因。对于疏水性客体分子在进入空腔之前需要脱去水壳并释放结合 水，这一过程将伴随正的熵变。对环糊精及其衍生物与客体分子包结配位的热力学研 究表明3 1 】，尽管环糊精与模型底物结合的驱动力是v a nd e rw a a l s 力和疏水相互作 用，配位过程中通常给出负的熵变和有利的焓变，即包结配位是由焓驱动的；然而， 当环糊精上带有正电荷3 2 司或负电荷【3 2 6 1 后，其与拥有相反电荷的客体结合时给出的焓 变和熵变均有利于配合物的形成。虽然配位过程中的主要弱相互作用力不同于离子键 合过程，环糊精的包结行为同样可以用焓熵补偿效应来解释，即无论环糊精配位过程 中的热力学参数的具体数值为多少，其配位过程的焓变( a h ) ； 1 1 熵变( t a s ) 均存在线性 补偿关系，即两者之间线性相关。以焓变( h ) 对熵变( t s ) 作图，线性拟合的斜率( ) 和截距( t a s o ) 分别是配合过程中构型变化和脱溶剂程度的定量度量。 6 塞茎奎鲎鍪主兰簦笙兰 一 1 3 杯芳烃分予识别的热力学研究 杯芳烃( c a l i x a r e n e ) 是苯酚环在酚羟熬邻位由亚甲麓连接而成的一类新型大环亿 合物。杯芳烃鼹结构简单，但由于它和澈醚、环糊精样具有独特的空穴结构，因而 葵後纯性能与黪的专一性佟照有羞掠入戆摆钕毪，赦被穆为是继嚣粳精、冠醚之蘑豹 第三代主客体大环纯合秘。由子其环四聚体得c p k 分子模型在在形状上与称作e a l i x c r a t e r 的希腊式酒杯相似，绷此g u t s c h e 将其命名杯芳烃( c a l i x a r e n e ) 。 与冠醚敷联糊糙摺毖，抟芳烃具有缀多特点：( 1 ) 易予一步合成，虽曩辩纛徐寡 彳薅；( 2 ) 是一类合成的低聚体，它的空腔大小的调节县肖较大的自融度；( 3 ) 在其上下 绦易于引入各种官能团，制得各类衍生物；( 4 ) 构象能够发生变化，可通过模板效应 藏引入适当取代基霞褥到蹶游棱象；( 5 ) 热稳定牲与纯学稳定性荮，荔予分亵；( 国嗣 时其有离子载体和分子识别两大功能；( 7 ) 成用领域广泛，实用性强等。近年来杯芳 烃在主客体配位化学，超分子化学中的地位日趋上升，在分析检测、浓缩分离、催化 访囊、嚣凌保护等领域氇杏黄缀磐懿应惩耱豢【3 3 1 。 在主一客体化学中，一般来说，对主体分子冠醚丽吉，其客体大多数为离子战离 子型化合物；而对主体分子环糊精而言，典客体则多是q e 离子型化合物。从结构上麓， 餐芳烃豹上缘怒藏东缝豹蕊麓基霞，彝苯繇一莛稳戍蠛承淫蕻装空黢，下缘是整齐羲 列的亲水性的酚羟基。很最然，前者能与中性有机分予形成主一客体包结物，后糟则 能螯合和输送阳离予及离子烈化合物。在分子结构和分子包结行为方面，它几乎熄冠 醚释舔凝麓瓣缝台舞。毽魏，g u s t c h e 设憋这类耽台携爨骞可调静窑簸，霹鑫鼹僚一 类篼具广泛性的模拟酶。通过改进文献合成方法，终予优化出一步法合成芳烃的成熟 路线，并根据所采用的条件的不同，可以含成出空腔大小不同的杯势烃1 3 ”q 。 棒莠殛实璇七是一羲穆辣鹣戆嚣蠢溆蠢y c l o 痨黼谚，翼毒绥褥灵活多交，荔子 修饰的特点。程环的上缘( u p p e rr i m ) 和下缘( l o w e rr i m ) sj 入适当基团所得到的主体， 能借助于氢键，静电作用，范德华力，疏水作用，阳离子_ 尢作用，就芤作用及诱母楔 台簿菲共徐键露鬻亲识饕客体分子，簸瑟实魏琵经，穰纯，能量转羧等特殊臻憝。糖 膏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、祭水性和离予载 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、配能。 谖爨黎位终趸取次子藜嚣夭，l 、棱象及萎l ：主教戴基豹秣嫫。显壶予秘繇熬柔耱瞧，箍 南开大学硕士学位论文 具有良好的诱导楔合能力【3 ”。 ( 1 ) 对有机中性分子和有机离子的识别 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。c d g u t s c h e 等 3 8 - 4 1 1 几个研究组报道杯芳烃能包结多种有机小分子，并与其形成 固态或液态包含物。同时众多的杯芳烃衍生物也能识别包结一些中性有机分子，如 ( c h 3 ) 2 s 0 4 ，o h 3c n ，( c h 3 c o o ) 2 ，二醇类，糖类，二羧酸类，氨基酸等 3 8 - 4 0 1 ，其包结 形式为e x o e n d oc a l i xc o m p l e x 。分子识别方式是以氢键，c h 作用，疏水作用为主要 驱动力，以孔穴大小，几何匹配作为选择性的主要根据。同时杯芳烃上，下缘取代基 的数目，种类的不同以及构象的变化对识别亦有影响。 k u n s a g i m a t e 4 2 1 利用荧光光谱法检测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，并通过j o b s 法和v a n th o f f 理论得到相应的络合稳定常数 和热力学参数，同时发现主客体络合作用的强弱主要取决于杯芳烃主体空腔的扭曲程 度。 u n g a r o 等【4 3 】通过核磁研究发现水溶性杯【4 】芳烃2 4 在水溶液中能包结溶解在溶液 中的乙醇、丙酮等有机小分子，从而提供了一种通过盐析从溶液中提取这类小分子的 简便方法。 杯芳烃在与烷基胺中性分子配位时，首先发生主客体问的质子转移，后经过离 子对的过渡态形成稳定配合物。因此，可以认为在本质上这是杯芳烃负离子对有机阳 离子的识别过程。c d g u t s c h e 4 4 , 4 5 1 最早研究了杯芳烃和有机胺阳离子的包结行为。 通过n m r 法研究表明其包结过程分成两步：第一步是杯芳烃下缘的羟基质子转移给 胺，形成离子对包结物；第二步是有机胺的- n h 3 + 部分深入到杯芳烃洞穴里形成 t r i p o d 1 i k e 缔和的包结物。包结常数大致在1 0 5 1 0 6 。 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 n k a i 等【4 6 1 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 开了水溶液中杯芳烃对阳离子客体的识别研究。上缘磺化的杯芳烃能包结许多金属离 子和有机阳离子，在这种复杂的包结过程中，范德华力疏水作用仍是主要驱动力，但 磺酸根与客体正电荷之间的静电作用以及正电荷与杯芳烃的富电子芳香环之间的阳 离子m 作用同时也起着重要的作用，尤其是对于生物客体分子的识别过程尤为重要。 鸯开丈拳蠖士学位论文 s h i n k a i 镣【4 7 舯1 率先开展了水溶性杯游烃与有机阳离子的配位研究，并通过核磁 滚定法臻究了求溶缝拣鎏】国哟，6 ，s ) 芳烃麓定凌2 对三擎基苯铰鞫疯子客终豹谈臻 乍 用，发现其对磺酸基杯 4 和杯 6 】芳烃与客体形成化学计量1 ：1 配食物，而对磺酸基 杯【8 芳烃与客体形成化学计照1 ：2 配合物，并且杯芳烃的多种构浆异构体中只商锥 式算梅薅才戆与客毒摹蕤荮熬瑟瑟。熬力学臻突表骥，繇【4 】芳烃熬懿含镑澎或麓烩驱 动的，而杯【6 】和杯【8 芳烃则是熵驱动的。因此对于磺化杯【4 】芳烃，识别的主要推动 力为静电作用；对于杯【6 和杯f 8 】芳烃的配位驱动力是疏水作用。同时h g 他们还通过 毙港法研究了一系羁瘩溶羧耧芳烃与绞甏竣饕线登鸯穰窖薅分子豹谈鄹行鸯，臻豢表 明线型分子自& 深深的包入杯游烃的洞穴，而非线型分子则只能很浅地包入，显示了良 好的分子形状选择性。g a r e n a 5 0 1 通过h - n m r 和量热滴定研究了水溶性杯【4 势烃3 犟羹芳香黢粥离子戆毽结褥麓，结采表饔，书l ：【4 】芳烃上缘豹磺酸基瓣存在有利予键维 进行，并且络含过程为焓控制，同时【钉l 又研究了它们岛几种芳香或脂肪链的l 氮基 酸的选择性键会行为， n 2 ( n = 4 ，8 ，8 ) 图1 4 4 o c h 2 c o o h 3 毛e 趣等疆引邋过h - n m r 磺究了磺纯梅芳滚与乙酸旋碱及其它零羰薤疆离子瓣谈 剐行为，发现稀芳烃能与这烘客体之间形成稳定的配物，并给出较大的位移，激明 客体分子可能捅入到杯芳烃的苯环空腔中。s t o d e m a n 摊【5 3 】进而通过量热从热力学角 瘦磅究7 磺纯棒劳烃圭薅与不弱链长戆黢蓬褰子夔鬯续费舞，毽稍豹络莱显示耱芳烃 与客体之间的包结因客体链长的不同，丽替致不同的毹结模式和主袋驱动力。 b a r r a l 5 4 通过紫外光谱报道了不同单冗的水溶性杯蒡烃与苯胺衍生物的络合常数 耱熬力学参数，象翻露绫豹强弱专主嚣尺寸大小之溺程程一定豹关系：柩圈 季gc 磐+ 懿 选择性很高，擞成配合物时颇色发生变化。 ， ( 2 3 ) 对稀土离子的识别 近年来，耨芳烃愆生耪冬缮主离子酝念貔静发毙霞在荧光免疫分轿莘瑟发光榜料躲 开发上有潜在的应用价值，弓l 起了人们极火的兴趣 7 6 - 7 8 1 ，人们已经含成了一系列带有 羧凝、毗啶、翻羰基等官能鞠的杯 4 芳烃衡生物，并程非农溶剂中能敏他稀土离子 发兜。 鬻拜大学鞭士学位论文 r e i n h o u d t 等【7 9 , 8 0 研究了些杯芳烃衍生物与镧系窳属离子的发光性质。例如， 飘尹饔霄+ 在臻子鍪溶裁稻警醇孛与嚣溅隽烃三羧酸愆生物聚使薅，发走寿愈楱瓣予 蕊自身大大增强，这可归因于在配合物中金属离子被从溶剂中屏蔽出来。杯芳烃的苯 琳骨架与稀土斑属离子之间存在电荷的传递。 麓弯等箨l j 蘑薰热浚定法测定了怼毅丁苯羁吲莠爨掰生凌4 焱光瘩乙疆中辩轻 稀土硝酸盐的识别作用，他们的结果表明，4 a 和4 b 袭现出截然不同的离子键合能力 和选择性次序，两者对l 矿+ 和c e 3 + 表现般橱对较高的分子键合能力。4 b 对l a 3 + 腿u 3 + 逡铎往秀3 0 ，瓣4 8 薅咒耱轻褥主离子绘爨尼手疆溺浆琵住稳定鬻数。熬力学数撵 袭明，配位作用是烩驱动的，配位过程中杯芳烃的构魏固定化导致熵的损失。 4 a ：r4 c n 4 b ：r = c h 2 n h 2 豳1 5 b o n z j 等1 8 勰又遥过量热方法深入研究了本溶牲掇【碡】芳经与褥离子在酸性承溶 液中静络台行为，并比较了它们与碱土金属离子( c a 2 + 和m 矿+ ) 以及几种胺正离子的热 力学参数的区别。发现对于焱属离子包结是焓不利而熵有利的过程。 剃育等 3 3 】援遴了承溶瞧耨闻芳烃袋缘物3 与稳t b 3 + 影戒配食物浆荧必行为， 缩聚表明乙酸修饰的磺化杯( 4 1 芳烃在永湃液中不仅能对t b 3 + 进行裔效的能量传递， 彤成高效的能爨传递发光体系，而且也能妁t b 3 + 形成稳定的配合物弗具有较高的荧光 爨予产率，在较宠豹p h 菝豳蠹，荧光强度足乎不变。 ( 3 ) 对阴离子的识别 有现金属耪芳烃通常缝够识别鬻离予。曼d 。b e e r 镣f s 4 j 5 臻电化学豹方法醪究了 二茂铁取代的稀【4 】芳烃9 对掰离子的识剐的行为，结聚表明其对埯p 0 4 - 选择性最高。 j l a t w o o d i s 6 椁研究了一系列有机金属化的杯芳烃对卤素离子的识别行为，结果表 明选择蛙取决予掰离子豹大小。剃爱形成氯链来识别弱壤子是设；卡骥蒜子受薅豹一个 熏黉原则。含裔繇基、磺酰胺、酰胺或羟蒸取代的杯势烃的衍生物对阴离子识别融有 1 2 南拜大学磷士学位论文 许多报道。d ，n r e i n h o u d t s 7 9 0 ) 等报道的下缘脲基或硫脲基取代的辑芳烃对c l 一的高 选铎缝，磊下缘敬莰夔酸羧秘磺聚骏掭莠烃对h s 0 4 - 鸯蓬选择链。r u n g a r o 9 1 1 嚣在 杯 4 芳烃上缘接上具有手性的取代基，得到化合物1 0 。1 hn m r 研究表明，篡对羧 酸根离子的选择性要高于对球形阴离子的选择性；同时外消旋体( k a s s = 4 3 5 ) 对羧酸根 离子豹选择毪癸舞予m e s o 髂( k a s s - - - 2 0 0 ) 。然瑟菲手镶豹征台穆l l 翊对球形赘溺壤予 ( b r - ) 的选择性舞高于羧酸根。显然选择性与阴离子的几何构象有关，由四个羟艇形 成的孔穴更易于包结球形的阴离子。 9 f c f 3 h 1 4 蠹熬滴定法筒介 入们在自然界中所观察剿的任何现象，例如物理变化、化学变化、生物代谢等过 稷璃有热效应鹃发生。久 f j 辩子这种蒸效藏的认识蓉患采謇魅囊。薅慧久靛认识静不 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 懈j 在1 9 1 3 年蓠次进行了量热的不连续滴定，但是直到上世纪六十牮代 牵时，这项技术才被意识熨 誉为一耱零矮、方便的王爨鬻对测定反藏平衡常数，躐喾 布斯自由能变化以及焓变【9 3 】。l i n d e 等【9 4 】于1 9 5 3 年报道了使用电热调节器的量热滴 宠法，w a s i l e w s k i 等【9 习于1 9 6 4 年将直接没射法引入到擞热学中，r u z i c k a 和h a n s e n l 9 6 】 鬻及维广了流动注射静分轿羧术，蔽及诸如峰焓量热f 州、高灵敏流动量热【9 戳、懿璧 热 9 9 】等等相关的技术和仪制1 0 0 4 叫共同确立了今天高灵敏度、小体积的量热技术。 研究主客体包结配位过穰热力学的方法有很多，如：紫外光谱、荧光光谱、躁二 惫谱法、核磁濂定等交溢下霜v a n th o f f 方程可良褥列毽结平衡过躐的热力学量，然 南开大学硕士学位论文 而量热滴定法是研究配位热力学的最可靠的方法，也是唯一能够直接和同时确定反应 焓和平衡常数的方法。因为在比较这些体系对金属离子、无机以及有机小分子的识别 能力时，常以其溶液中配位反应的热力学函数( 稳定常数、热焓、熵、吉布斯自由能) 和动力学数据作为量度的基础，这方面的数据积累对于非共价键的结合，即弱作用力 的研究至关重要，对于推动在交叉学科中诞生的前沿学科起着直接重要的作用。 化学和物理过程都含有能量变化。量热学的特殊之处就是直接计算这些能量变化 的值。状态变化和化学反应的能量变化就构成了热力学学科的内容。因此，量热法不 仅测量最普通的一切反应的性质、能量变化，而且也提供了解释化学历程的方法。此 外，量热计的测量在整个反应的过程、开始和结束、速率以及平衡中等于任何其它分 析方法。用量热计定量的测量在反应过程中所放出和吸收的热变，并可根据量热计提 供的数据计算平衡反应时的焓变值( 厶酽) ，象络合物的形成和电荷转移络合的形成。 从这样一个焓滴定程序可计算出1 到1 0 6 ( 0 1 0 9 r 6 ) 的平衡常数值。反应的自由能 ( g ) 和熵变( 蚴通过公式( 1 ) 和公式( 2 ) 计算得到。 g = 一r t i n k a s = ( 址4 - a 口t 1 5 论文选题 ( 1 ) ( 2 ) 综上所述，可以看到以分子识别为基础、分子组装为手段、组装体功能为目标的 超分子化学是一个正在迅速发展、并充满活力的新型交叉学科。目前水溶性大环化合 物在超分子化学中发挥着越来越重要的作用，对它们的研究可以帮助我们更深入的理 解主- 客体识别过程特别是许多生物反应体系的内在驱动力，进而设计新型功能化人 工受体。杯芳烃作为一类结构特殊的大环化合物，尽管其合成方法不断完善，其构象 和性能的关系逐渐被揭示，但是新型功能化杯芳烃衍生物主体的合成以及它们在水溶 液中与有机分子的包结配位研究还有待深入。特别是有关从热力学角度研究水溶性杯 芳烃与客体分子的包结行为，以及杯芳烃与环糊精疏水空腔的比较方面的报道更是有 限。由此，我们将主要开展以下几个方面的研究工作： 1 4 堕堑盔堂堡主兰垡丝兰 1 2 3 4 5 6 7 1 ) 设计合成一些简单的含新型官能团的杯芳烃衍生物，并研究其晶体结构与性 能之间的关系。 2 ) 采用微量热滴定法研究水溶性杯芳烃衍生物与稀土离子包结的热力学数据及 其规律。 3 ) 采用微量熟滴定法研究水溶性杯芳烃和环糊精两类受体与几种有机客体分子 包结的热力学行为，并探讨其作用的热力学起源，进而比较两种受体空腔疏 水性的差异。 参考文献 p e d e r s e n ，c j a n g e w c h e m i n t e d e n g l1 9 8 8 ，2 7 ( 8 ) ，1 0 2 1 c r a m ，d j a n g e w c h e m i n t e d e n g l1 9 8 8 ，2 7 ( 8 ) ，1 0 0 9 l e h n ，