（有机化学专业论文）杯芳烃的功能化及其对氨基酸识别.pdf

硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 分子识别是类似 锁和钥匙 分子问或分子内不同部分之间的专一性结合 它 是生物体高度组织化过程赖以进行的基本作用方式 杯芳烃虽结构简单 但由于它 和冠醚 环糊精一样具有独特的空穴结构 故曾被称为是继环糊精 冠醚之后的 第 三代超分子 兼有环糊精和冠醚之长 具备更高的选择性 随着生命科学 材料 科学及信息科学等领域的高速发展 分子识别成为现代科学技术中富有挑战性的一 个热门课题 从二十世纪八十年代初以来 其合成及其性质受到极大的关注 尤其是对有机 小分子识别功能是一个重要的分支领域 近年来对功能化修饰杯 4 芳烃及其它对 有机小分子识别的研究方兴未艾 论文分为五章 各章内容概述如下 第一章概述杯芳烃的研究概况 在对杯芳烃的合成 结构 化学修饰 分子 识别等总结的基础上 提出本学位论文研究的立题思想 第二章分别介绍了对叔丁基杯 4 芳烃 脱叔丁基杯 4 芳烃和对磺酸基杯e 4 芳烃等杯 4 芳烃母体的合成及其表征 第三章分别研究了含7 一甲氧基香豆素香豆素 6 7 一甲氧基香豆素 蒽醌 芘 基团修饰的杯 4 芳烃及其冠醚的合成及其表征 第四章研究了含7 一甲氧基香豆素基团修饰的杯 4 芳烃 利用荧光光谱和紫外 光谱滴定方法 对氨基酸进行滴定的相互作用 首次发现对l 色氨酸对该化合物有 较强响应 表现为荧光光谱增强 紫外光谱减弱 计算得到它们间的结合比为1 1 及其结合常数k l e 氯t 3 9 1 1 0 2 l m o l 第五章研究了含6 7 甲氧基香豆素基团修饰的杯 4 芳烃 利用荧光光谱和 紫外光谱手段对鸟嘌呤 腺嘌岭 l 一组氨酸 l 一蛋氨酸 l 一赖氮酸 l 半光氨酸 l 色氨酸 l 脯氨酸 l 谷氨酸 l 异亮氨酸 l 一酪氨酸 l 苯丙氨酸 d 苯丙 氨酸进行滴定 发现其对腺嘌呤 l 苯丙氨酸有较强的选择性分子识别作用 表现 为荧光光谱增强 紫外光谱减弱 求出了它们之间的结合比1 l 其结合常数k l w t 1 0 9 x l rl m o l k b 2 1 1 0 z l m 0 1 关键词 杯芳烃 合成 分子识别 嘌呤 氨基酸 a b s t r a c t t h em o l e c u l er e c o g n i t i o nl i k et h el o c ka n dk e yt h a tt h ev a r yp a r to fm o l e c u l eo r m o l e c u l ei n s i d ec o m b i n e i ti sb a s i c a c t i o nf a s h i o nw h i c hi ti so r g a n i s mh i g h n e s s s y s t e m a t i z a t i o n t h es t r u c t u r eo fc a l i x a r e n e si ss i m p l e r b u ti th a v ei n i m i t a b l ec a v i t y s t r u c t u r el i k et h e c y c l o d e x l r i n s a n de t h e r s c a l i x a r e n e sh a v eh i g h e rs e l e c t i v i t y c o m p a r e dw i t hc y c l o d e x t r i u sa n de t h e r s w h i c ha r et ob ec o u n t e da st h et h i r dg e n e r a t i o n o fs u p e r a m o l e c u l e sa f t e r c y c l o d e x t r i n sa n d c r o w ne t h e r s t h e i rf u n c t i o n si nt h e m o l e c u l a rr e c o g n i t i o na r ew i d e l yu s e di nm o d e r ns e p a r a t i o ns c i e n c e t h es y n t h e s i sa n dc h a r a c t e ro fc a l i x a r e n e sw e r ea t t e n t e di n l 9 8 0 s i t sr e c o g n i z e f u n c t i o nf o ro r g a n i cs p e c i e si si m p o r t a n tb r a n c h t h ef u n c t i o n a l i z e do fc a l y x 4 a r e n e sa n d r e c o g n i z ef o ro r g a n i cs p e c i e sw a sr e s e a r c h e db yt h em o r ep e o p l e t h i st h e s i si n c l u d e st h e f o l l o w i n gf i v em a i np o i n t s i nc h a p t e rl t h eg e n e r f ls i t u a t i o no fc a l i x a r e n ew a se x p o u n d e d t h es y n t h e s i s s 心u c t t t r e m o d i f y r e c o g n i t i o no fm o l e c u l ea n di o n c r o w ne t h e ro fc a l i x a r e n ew a s s u m m a r i z e dc l e a r l y a n dt h et h o u g h to f t h i st h e s i sw a sl o d g e d i nc h a p t e r2 s y n t h e s i sa n dc h a r a c t e r i z a t i o no ft h em a t r i xo fc a l i x 4 e n e p b u t c a l i x 4 e n e c a l i x 4 e n e p s u l f o n a t o c a l i x 4 e n e w a se x p o u n d e d i n c h a p t e r 3 s y n t h e s i s a n dc h a r a c t e r i z a t i o no f c a l i x 4 e n e c o n t a i n i n g a n t l t r a q u i n o n e 7 m e t h o x y c o u m a r i n 6 7 d i m e t h o x y c o u m a r i n p y r e n ea n de l o w ne t h e r i nc h a p t e r4 t h ec h a r c t e ro f c a l i x 4 e n ec o n t a i n i n g7 m e t h o x y c o u m a r i nw a ss t u d i e d b yf l u o r e s c e n tt i t r a t i o ne x p e r i m e n t sf o r 锄i i l oa c i d w ef o u n dt h a ti te x h i b i t sh i g h s e n s i t i v i t ya n ds e l e c t i v i t yt o w a r dl t y r t h ef l u o r e s c e n ti n t e n s i t yw a so b v i o u s l y i n c r e a s e d t h ec o m p l e xr a t i o w a s1 la n d t h e b i n d i n g c o n s t a n t w a s3 9 1 x l 酽l m 0 1 i nc h a p t e r5 t h ec h a r c t e ro f c a l i x 4 e n ec o n t a i n i n g6 7 m e t h o x y c o u m a r i nw a s s t u d i e db yf l u o r e s c e n ta n du vs p e c t r at i t r a t i o ne x p e r i m e n t sf o rt h ea d e n i n e t h eg u 出l i n e a n da m i n oa c i d l h i s l m e t 广l y s l c y s l t i p l p r o l g l u l l i e l t y r l p h ea n d d p h e w ef o u n dt h a ti te x h i b i t sh i g hs e n s i t i v i t ya n ds c l o c t i v i t yt o w a r dl p h ea n d a d e n i n e t h ef l u o r e s c e n ti n t e n s i t yw a go b v i o u s l yi n c r e a s e d t h eu vi n t e n s i t yw a s o b v i o u s l ys u b d u e d 1 f 1 蝣c o m p l e xr a t i ow a s1 1 a n dt h eb i n d i n gc o n s t a n tw a s1 0 9 x l o l m o la n d2 1 1 0 2l t 0 0 1 k e y w o r d s c a l i x 4 a r e n e s y n t h e s i s r e c o g n i t i o n p u f i n a m i n oa c i d 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 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 独立进行研究工作 所取得的研究成果 除文中已经标明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出贡献的个人和集体 均已在 文中以明确方式标明 本声明的法律结果由本人承担 作者签名 旁 箬孚日期 哕年j 月砂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权 保留并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 本人授权华中师范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 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库 并通 过网络向社会公众提供信息服务 作者挑诲 鲜 日期 每r 月l 此 导师签名 日期汉口d 7 本人已经认真阅读 c a l l s 高校学位论文全文数据库发布章程 同意将本人的 学位论文提交 c a l l s 高校学位论文全文数据库 中全文发布 并可按 章程 中的 规定享受相关权益 囤丞论塞埕銮卮迸卮i 旦坐生 旦 生 旦三生筮查 嚣 黝眺日期 如刁年歹月 咱 日期 硕士擘位论文 m a s t e r s1 t h e s i s 本论文主要创新点 本论文主要合成了 7 一甲氧基香豆素 6 7 甲氧基香豆素 蒽醌 芘基团修 饰的杯 4 芳烃 并利用自己合成的物质 通过荧光光谱和紫外光谱滴定实验 分 别探讨了它们对氨基酸和嘌呤的识别作用 发现7 一甲氧基香豆素修饰的杯 4 芳烃 在对l 一色氨酸滴定时 得到了荧光增强随l 色氨酸浓度的增强而增强 证实了主 体物对l 一色氨酸有识别作用 并求出了结合比为1 1 结合常数为3 9 1 1 0 2 l m o l 发现6 7 甲氧基香豆素修饰的杯 4 芳烃 对腺嘌冷也有识别作用 并分别求出了 结合比为1 l 结合常数为2 1 1 0 2 l m o l 也发现6 7 甲氧基香豆素修饰的杯 4 芳烃对l 一苯丙氨酸有识别作用 求出了结合比为1 1 结合常数为1 0 9 x 1 0 3 l m o l 探讨了化合物6 7 甲氧基香豆素修饰的杯 4 芳烃与l 苯丙氨酸作用机理 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 1 1 大环化学的进展 第一章绪论 大环化学是一门新兴的化学分支学科 其研究内容与生命科学 材料科学等有 着密切联系 近年来大环化学的发展突飞猛进 己经成为一个日渐活跃的研究领域 0 3 1 1 9 8 7 年 c j p e d e r s e n 和j m l e h n 研究这一工作而荣获了这一年的诺贝尔化学 奖 由c r a m 由于在大环化合物领域的开创c r a m l e h n 发展起来的主 客体化学 b o a g u e s tc h e m i s u 3 t 4 超分子化学 s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y i s 的重要意义也因此 被人们真正认识到 对以非共价键弱相互作用力键合起来的复杂有序且具有特定功 能的分子集合体 即超分子化学的研究 可以说是共价键分子化学的一次升华 一 次质的超越 被称为是 超越分子概念的化学 弱相互作用力的协同作用普遍存 在于生命体的各种过程中 如酶和底物的结合 抗原和抗体的结合 膜的传输 神 经脉冲传递 蛋白质配合物的形成 神经质和细胞识别等 此外 超分子的生成还 与基因密码的读出和转录 遗传信息的储存等有着密切关系 因此 这种研究在生 命科学领域具有深远意义 所谓超分子即源于w e r e r 提出的分子化合物 由两个或多个分子通过分子问的 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 超分子化学作 为广义配位化学 它将配位化学中配合物的 中心原子 和 配体 两个主要组成 部分的内容变得更宽 采用了两个更广义的专门术语 底物 客体g u e s t 和 受体 主体h o 哟 超分子的客体 对应于通常配合物中的中心原子 可以是无机 有机和 生物中的各种阳离子 阴离子和中性分子 而能以一定强度和选择性与客体相结合 的部分则是主体 对应于通常配合物中的配体 超分子体系主要具有识别 转换和传输功能 分子识别 m o l e c u l a rre c o g n i t i o n 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 c r a m 曾预言 到本世纪末 3 0 到4 0 的化学家将要运用 2 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 分子识别某些方面的知识来解决所面临的问题 特别是在色谱 催化和药物控制释 放等方面 目前的研究己证实了这一预言 最近在简单的醇一胺配合物中发现了分 子识别的存在 这更表明分子识别的普遍性 6 l 四面体 和 化学评论 杂志分 别于1 9 9 5 年和1 9 9 7 年出了 分子识别 专刊 内容履盖面很广 从化学到生物 从天然主体到人工合成主体 从较简单体系的分子识别到复杂生物体系的分子识 别 以及催化等等 j 冠醚 c r o w n e t h e r 是一类人工合成的受体 主体 由于其对碱金属 碱土金属 离子的特殊选择络合作用而被大量地合成并广泛地研究 由此而开创了大环化学这 新的学科领域 由j m l e h n 合成的穴醚 c r y p t a n d 更扩展了对金属离子的配位作 用 d j c r a m 合成了具有刚性结构的冠醚类化合物 以显著的主体识别能力络合客 体 推动了主一客体化学的发展 另外 通过在较刚性的冠醚分子中 引入额外的 亚甲基 改变冠醚分子的对称性 是设计和合成高选择性主体化合物的一个新途径 g w g o k e l 在冠醚环上引入功能侧臂 增加了对于金属离子的配位能力 推动了一 类新型冠醚一臂式冠醚 1 a r i a te t h e r l 的发展 s j 设计和合成在一个分子内拥有两个冠醚 单元的化合物 即双冠醚 b i s c r o w ne t h e r 在配位过程中通过两个冠醚单元的协同 配位作用 与较大尺寸的阳离子形成夹心结构来增加其配位能力 因此 双冠醚的 桥链长度 结构和桥头电子效应对于配位过程起着关键作用 桥链长度决定着配合 物的结构 可形成分子内闭式蛤型 c l o s e dc l a m 开式蛤型 o p e nc l a m 合物 偶氮式 双冠醚可以进行光的异构和转化 这对于金属离子的输送具有重要的应用价值 一 系列双冠醚配位作用的热力学研究表明 双冠醚在配位过程中类似于大环抗生素 即发生大的构型变化和广泛的脱溶剂效应 具有三维配位作用的特征剀 环糊精 c y c l o d e x t r i n 是第二代主体化合物 具有疏水的空腔和亲水的外壁 能 够包结各种中性无机 有机或生物分子 形成主一客体或超分子配合物 是一种性 能优良的分子受体 其中一些是成功的酶模型体系 被广泛地应用于科学与技术的 多个领域i lo j 环糊精及化学修饰环糊精分子识别的重要标志是几种弱相互作用力的 协同作用 包括范德华力 氢键和疏水相互作用等 深入研究其成键规律 对分子 识别和组装具有重要意义 i n o u e 和刘育等用量热方法 lj j 研究了天然环糊精与多种蔡磺酸盐的包结配位作 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 迸一步表明 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 环糊精对客体分子的识别主要取决于客体分子是否适合进入环糊精的空 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 腔 杯芳烃 c a l i x a r e n e 作为继冠醚 环糊精之后的第三代超分子主体 由于其同时 具有离子载体和分子识别两大功能 并且还具有可改变构象 空腔大小可调 易于 进行化学修饰等诸多特点 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 1 2 1 近年来在主一客体配位化学 超分子化学中的地位日趋上升 但由于杯芳烃的溶解度的缘故 目前性质研究多局限于各种杯芳烃与余属离子 尤 其是碱金属 碱土金属及某些重金属离子 的配位作用研究 在有机溶剂中几乎未 见与中性有机分子的配位作用的研究报道 水溶性杯芳的制得为研究其在水相中 水溶性杯芳烃的制得为研究其在水相中与有机分子的配位作用奠定了基础 但迄今 为止这种体系报道也比较少 另外 目前已有众多的杯芳烃的类似物 或称杂杯芳 烃 被合成出来 1 2 杯芳烃母体合成 苯酚类杯芳烃的合成c d g u t s c h e 在重复别人的实验时发现 合成的产物不是 单一的化合物 而是有一定分布的混合物 并对其分子构象 反应条件变化对产物 分布的影响 分离方法 表征测试作了奠基和指导性的细致工作 其工作的深度和 广度都具有系统性 并且在概念范畴方面进行了奠基性的工作 从合成上 有三种路线 一种是一步法合成 z i n k e l l 3 4 4 率先采用对叔丁基苯酚 与甲醛在碱性条件下直接缩合的方法制备了对叔丁基杯 4 3 芳烃 此反应操作方便 产率适中 是目前广泛使用的合成方法 一种是多步法合成法 在一步合成法中所 制备的杯芳烃苯酚单元上拥有相同的取代集团 拥有不同取代集团的苯酚经过多步 反应可环化成杯芳烃 这种多步合成法最早由h a y e s 和h u n t e r f 所阐述 他们由对 甲基苯酚为起始物 经过溴化反复的经甲基化和脱溴化得到线形四聚体 最后在高 度稀释的条件下成环反应制备了对甲基杯 4 烃 反应到十步之多 另一种是片段 缩合法 德国化学家b o h m e r l l 6 1 对多步合成法进行了改进 即将杯芳烃的结构碎片 以 3 i 2 1 另外还有 2 2 1 7 1 2 1 2 x l 2 2 1 1 9 1 4 xl 2 0 l 等几种方法 片段合成法由于减少了反应路线的长度 因此在某种程度 上提高了目的产物的总收率 片段合成法与前面的多步合成法最大的区别在于 前 者为分子问关环反应 而后者为分子内关环反应 这些经典的合成方法 经过后人 的改进 不仅产物分布包括环状八聚体 环状六聚体 环状四聚体 而且能从反应 条件推断出产物分布 合成工艺的成熟 为进一步合成各种特定结构 进行 人工 酶 模拟 提供了良好的实验基础 4 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s n 毫 图1 1 一步法合成对叔丁基杯 4 芳烃 啼一骱 n 毒 图1 2 多步法合成对叔丁基杯 4 芳烃 在使用不同的溶剂 从而具有不同的回流温度时 采用合适的碱就可的得到环 大小不同的坏状化合物 经典的合成这类杯芳烃的条件 产物和产率 见表卜1 反 应物为对叔丁基苯酚和多聚甲醛 表1 1 合成杯芳烃的条件 产物和产率 宰括号中为碱相当于所用的对叔丁酚的摩尔比 1 3 杯芳烃的化学修饰 杯芳烃有多个反应活性点 目前可以从上缘 下缘 问位 亚甲基 杯芳烃骨 架等内处位置进行化学修饰 迄今为止 杯 4 芳烃的选择功能化研究得较为成熟 杯 6 的选择性功能化也已被广泛报道 杯 5 杯 8 的选择性化学修饰亦取得一 审渊伞 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 定进展 下缘的选择性功能化主要是利用杯芳烃的酚轻基有较强的分子内氢键导致各 个羟基具有不同酸性的性质 通过控制反应条件 如碱的种类 用量 反应物计量 比 反应时间等得到选择性功能化的产物 主要方法包括醚化 酯化及羟基的脱除 或转化为其他基团等 上缘的功能化则一般通过先脱除对叔丁基 2 然后通过亲电 取代 2 2 1 克莱森重排例 氯甲基化伽 季胺盐化1 2 s 曼尼奇反应1 2 6 1 磺化口7 1 磷 酰化 2 s j 等反应来进行 杯芳烃的间位化学修饰一般先在上缘引入较强的定位基团如 o r 一n h c o c h 3 等 然后在问位进行硝化或溴化 间位修饰可以控制杯芳烃的构象及得到结构不对 称的杯芳烃例 对杯芳烃骨架进行修饰一般有两种方法 一种是将苯酚单元部分或全部氧化为 对苯醌单元 嬲 得到的杯芳烃称为c a l i x q u i n o n e 另一种将苯酚单元还原为环已 烷单元 3 2 桥联亚甲基的功能化报道较少 杯 n 芳烃 n 4 6 8 在c r 0 3 作用下 桥联亚甲基可部分或全部氧化为酮 3 3 g u s t c h e 等人通过片段缩合法也制得过亚甲 基功能化的杯芳烃 圳 杯 4 芳烃中存在着强烈的分子内氢键的作用导致各个羟基具有不同的酸性 这就为选择性功能化提供了可能 杯 4 芳烃下缘的所有取代模式 单取代 1 2 一二 取代 1 3 一二取代 三取代以及四取代 3 5 3 6 1 的衍生物都己被广泛报道 对杯 4 芳烃的其它位置如上缘 间位 亚甲基 骨架等的修饰 3 7 4 1 也已十分深入 1 4 杯芳烃结构特征 杯芳烃 c a l i x a r e n e 是一类具有特殊环腔结构的大环化合物 通常由对叔丁 基苯酚和甲醛在碱性条件下缩合而成 由于这类大环化合物中最普通的四聚体 具有类似希腊圣杯的立体构象 见图1 3 因而得名杯芳烃 c a l i x a r e n e 图卜3 希腊式酒杯和杯 4 芳烃的结构 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s g u t s c h e 于1 9 7 8 年提出以 杯芳烃 c a l i x a r e l l e 命名这类化合物 4 2 j 后来这一概 念被用来泛指苯酚衍生物形成的环状低聚物 为了区分环腔大小不同的杯芳烃 通 常在 杯 c a l i x 和 芳烃 a r e n e 间插入 n 其中 n 代表环状低聚物中苯酚 单元数目 如杯 4 芳烃 c a l i x 4 a r e n e 对于更复杂的杯芳烃 可按美国化学文摘 的方法将其骨架编号 标明所有取代基的名称和位置 对叔丁基杯 4 芳烃的系统 命名为 5 1 1 1 7 2 3 一四叔丁基一2 5 2 6 2 7 2 8 四羟基杯 4 芳烃 见图卜4 由于该种命名方法复杂 一般较少采用 通常情况下将杯芳烃带轻基端称为下缘 l o w e rr i m 苯环对位称为上缘 u p p e rr i m 图1 45 1l 1 7 2 3 一四叔丁基 2 5 2 6 2 7 2 8 一四轻基杯 4 芳烃 虽然直至1 9 7 8 年才有了杯芳烃的概念 但早在1 8 7 2 年a b a e y e r 4 s 己发现苯酚 与甲醛的水溶液反应可得到一种坚硬的 树脂状物质 但由于当时的实验手段所限 对其结构还无法进行表征 二十世纪四十年代 z i n k e l 4 4 等在制备线型酚醛树脂时 又意外得到了一种高熔点的晶体 并推断其结构是环状四聚体 进入七十年代后 随着核磁共振仪 质谱仪 电子显微镜 x 一射线衍射仪等先进测试技术的广泛应 用 杯芳烃的结构才可能得以确证 杯 4 芳烃具有四种基本的构象 杯 锥 式 c o n e 部分杯 锥 式 p a r t i a lc o n e 1 3 一交替式 1 3 a l t e r n a t e 和l 2 一交替式 1 2 a l t e r n a t e 见图卜5 7 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 跫带v 淡 弹i 叫 坼 图卜5杯 4 芳烃具有四种基本的构象 1 hn m r 法是研究溶液中杯芳烃构象的最有力的工具 4 5 l 杯 4 芳烃m c h 2 a r 质子1 hn m r 的变化给出很多构象的信息 对于采取锥式构象的杯芳烃 常温时 亚甲基的1 hn m r 出现一个峰 而低温下出现一对双峰 这是由于杯 4 芳烃亚甲 基的两个质子所处环境不同 低温时相互转化较慢 1 hn m r 谱可以检测到这两个 质子的耦合 而较高温度时转化加速 质子被平均化因而变成单峰 以此可以鉴定 杯芳烃分子的锥式构象 杯 4 芳烃另外三种构象的亚甲基的化学位移位置较复杂 并且有各自的特征峰 四种构象中亚甲基的 h n m r 的信号峰谱型见表卜2 表卜2 杯芳烃亚甲基的构象和氢谱谱型 构象谱型 杯 锥 式 c o n e 部分杯 锥 式 p a r t i a lc o n e 1 2 一交替式 1 2 a h e r n a t e 1 3 交替式 1 3 一a l t e r n a t e 一对双峰 两对双峰 1 1 或一对双峰 1 1 加一支单峰 一支单蜂加两组双峰 1 1 一支单峰加两组双峰 1 1 对于苯环数目更多的杯芳烃 其构象更为复杂多变 杯 5 芳烃有一种八种典 型构象i 蛔 杯 6 芳烃在低温时采取锥型或翼锥型构象 4 7 1 杯 8 芳烃在低温时采取 折叠环构象 4 川 在下缘引入较大的基团难以固定杯 6 杯 8 这类大环杯芳烃的构 象1 4 9 1 只能采取上缘或下缘迸行桥联的方法 杯芳烃的氢键对其构象的稳定性有重要影响 x 射线研究结果表明 由于强烈 的分子内氢键作用 晶体中杯 4 烃多采用杯式构象 在溶液中杯 4 芳烃室温下也 主要以杯式构象存在 但约以百分之一秒的速度从一种杯式构象翻转到另一种杯式 构象 杯 4 芳烃的构象转变与上缘取代基的大小关系不大 主要受下缘取代基的 影响 当酚氧原子上连有大于乙基的基团时 苯酚单元因位阻不能翻转 构象被固 定下来 杯芳烃具有如下特点 1 合成方法简单 宜于大量制备 2 具有由亚甲基相 连的苯环所构成的大小可调的空腔和环状排列的酚轻基 可分别与离子及中性分子 8 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s 形成包合物 3 具有易于引入官能团或用于催化反应的酚经基 4 上缘的烷基易 于通过逆f r i e d a l c r a r f t s 反应脱去 留下的空位可进行各种亲电取代反应 5 具有 多种可能的构象 且可能通过引入特定的取代基使构象得到固定 6 具有与酚醛 树脂相似的化学稳定性和热稳定性 正是由于杯芳烃化合物的这些特点 使其成为 继环糊精及冠醚之后 在超分子化学领域有着广泛的应用前景的第三代主体分子 1 5 杯芳烃的识别作用 1 5 1 识墨n 原理 杯芳烃实质上是一种特殊的环 具有结构灵活多变 尤其是构象变化 易于修 饰等特点 在环的上缘 u p p e rr i m 和下缘 1 0 w e rr i i n 引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 阳离子一二作用及诱导楔合等非共 价键协同作用来识别客体分子 从而实现配合 催化 能量转换等特殊功能 理想 的人工类似物和生物受体一样 其识别过程在于其与底物之问的精巧互补 5 0 j 超分 子配合物的结构单元之间的结合力主要是指主体和客体之间的选择性和亲和力 它 决定于二者之间的互补性和约束作用 互补性为主客体亲和提供了基本的必要条 件 约束性则加强了两者之间的亲和力 互补性就是主体和客体之间大小 形状等 因素的一致性 是能量和电荷的相容性 约束性就是主体的拓扑结构和刚性条件 在满足互补性的情况下 约束性强的主一客体能形成稳定的配合物 在杯芳烃上下 缘引入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 不同性质的客体分子相匹配 如与有机分子 阳 离子 阴离子形成配合物 识别配位作用取决于杯环大小 构象及环上取代基的性 质 且由于杯环的柔韧性 而具有特别良好的诱导楔合能力 5 1 1 1 5 2 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 g u t c h 等几个研究组报道杯芳烃能识别多种有机小分子 并与其形成固态或 液态包结物 如对叔丁基杯 4 能识别包结甲苯 苯 氯仿 茵香醚1 5 引 对叔丁基杯 5 芳烃可与异丙醇 丙酮形成包结物l 对叔丁基杯 7 芳烃能包结 甲酵d 6 1 对叔丁基杯 8 芳烃能包结氯仿 5 7 1 同时众多的杯芳烃衍生物也能包结一 些中性有机分子 如 c h 3 2 s 0 4 c h 3 c n c h 3 c o o 2 二醇类 糖类 二羧酸类 氨基酸等睛8 5 9 分子识别方式是以氢键 c h 丌作用 疏水作用为主要推动力 以 9 硕士擘住论文 m a s t e r st h e s i s 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 s h i n k a i 研究了水溶性杯 n 芳烃对三 甲胺型阳离子客体的识别作用 发现其与客体形成1 l n 4 6 或1 2 n 8 配合 物 并且杯芳烃的多种构象异构体中只有锥式异构体才能与客体良好地匹配 静电 作用 对于磺化杯 4 和疏水作用 对于磺化杯 6 和杯 8 6 0 6 2 1 同时他又合成了 一系列水溶性杯芳烃 并研究其与线形或非线形有机客体分子的识别行为 线形分 子能深深的包入杯芳烃的洞穴 而非线形分子则只能很浅地包入 6 3 杯芳烃主体也能识别较大的有机分子 与多种醌 二茂铁 甾体 氯化血红素 核黄素 v b l 2 碳笼及多种染料分子 6 4 6 6 1 等均能形成稳定的配合物 显示了很大的 应用潜力 1 5 3 对金属阳离子的识别 在杯芳烃上引入酰基 酰胺基 羧基等构成的人工受体对主族元素 镧系 锕 系以及过渡金属元素均能识别 与其形成稳定的配合物 并可显示独特的性能 1 5 3 1 对主族元素的识别 研究表明 杯 4 类化合物对n 矿显示最大选择性 而对l i 迁移均无效 杯 6 类化合物对n a 亲和力小于k 对r b c s 显示高的选择性 杯 8 类化合物对碱金属 离子均无明显的亲和力和选择性 杯芳烃对位的叔丁基一定程度上增加了对n a 的 选择性 杯芳烃及其衍生物对i 气i i a 阳离子具有选择性识别作用 亲和力和选择 性的规律可概括为 杯芳烃环空腔大小和离子大小的匹配性 杯芳烃不同构象对阳 离子的配位选择性 对位取代基不同对离子选择性的影响 杯芳烃下缘取代基的种 类和数目的影响 如醚 醋 酮对i a 亲和力大于对i i a 而酞胺则相反 m u r a k a m i 等 6 7 合成了一种新型的杯芳烃受体 其结构特点是 杯芳烃平台上具有一氢键受体 部位 近旁还有一离子载体部位 当金属离子 n n 结合到离子载体部位时 受体部 位便被活化 从关闭转到打开状态 只有这时 客体才能与受体部位结合 金属离 子的作用是作为打开受体部位的起动器 这类受体作为 金属开关 分子受体 m e t a l s w i t c h e d m o l e c u l ar r e ce p t o r 在分子器件等领域具有应用价值 d o n e l d 等报 道嘲 将杯 4 芳烃与电活性基团 e l e c 廿o a c t i v e gr o u p 连接 制得的杯芳烃阳离子载体 可用作氧化还原开关的材料 在离子输送和传感技术等领域具有良好的应用前景 1 5 3 2 对过渡金属离子的识别配位性能 近年来杯芳烃受体对过渡金属离子的配位识别引起特别的关注 l o e b e r 6 9 合 成了一类含磷的杯芳配体 c a l i x a r e n e p h o s p h a n e 它具有特殊的配位催化性能 对 l o 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i 过渡余属离子有优良的识别能力 能与p t p b r u 等金属离子形成鳌合物 在催化 反应中具有对活性部位的特殊选择性 将重氮基 偶氮基等生色团引入杯芳烃中可 以形成一类具有选择性识别作用的受体 在与金属离子形成配合物时伴随颜色变化 或生成有色物质 c l m w l a 7 报道了一系列生色杯芳烃受体与n i 2 c 0 2 f d 和c u 2 形成黑 棕 红色配合物 陈淑华等 7 3 j 报道的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 0 2 n i 2 c a 2 z 1 1 2 p b 2 c d 2 h g 和u 1 均有识别 能力 尤其对u 2 和c u 2 的选择性很高 并且在生成配合物时颜色发生变化 s o r r e l l 等利用间苯二酚与甲醛缩合形成一类特殊的碗形 b o w l s h a p e d 杯芳烃受 体 c a l i xs o r c i n a r e n e 能与过渡金属形成坎坛 c a v i t a n d 配合物 从而可开发一些 新的选择性催化剂和酶模型 1 5 3 3 对稀土离子的识别 杯芳烃羧酸 酞胺类受体对稀土金属具有优良的选择性识别作用 杯芳烃羧酸 可用作稀士金属的选择性萃取剂 杯芳烃酞胺与l u 形成的配合物具有通过能量传 递实现光转换的功能 这类超分子体系可用作光化学分子器件 生物标记和分子探 针等1 7 p 7 3 杯芳烃受体与一些镧系元素的配合物具有新颖的催化性能 如杯 8 芳 烃与c o i v 形成的筒型双金属饰一杯 8 芳烃配合物 能在温和条件下催化底物酚 实现区域性氢化从而开发了一种区域选择性氢化的新方法 1 5 4 对阴离子的识别 1 9 9 4 年r u d k v c h t4 7 4 l 报道了一类杯芳烃 萨罗汾双功能受体 其兼具对阴 阳离 子的结合部位 能选择性的识别n a 和p 0 4 针离子 这类受体可用于液膜输送和分离 碱金属磷酸盐 1 9 0 0 年b e e r 等报道了上沿修饰的双胺取代杯 4 芳烃可作为阴离子 受体 1 5 5 杯芳烃分子识别发展趋势 最近杯芳烃受体的识别作用从单部位识别发展到多部位或多重识另t m u l t i p l e r e c o g n i t i o n 并向不对称发展 新的受体类型层出不穷 识别引起的特殊功能日益 丰富 多重识别是分子识别的新兴领域 它比一般的单部位识别具有更高的选择性 及诱导适应能力 d e l a i g u e 等 7 5 合成了一类新颖的多穴受体0 v l u l t i c a v i t a n d 这类受 体对苯 甲苯等多种有机分子具有选择性包结性能 选用各种不同的取代基将杯芳 烃通过上下缘键连 形成多种双杯芳烃和三杯芳烃受体 对客体有很强的多重识别 能力 杯芳烃与环糊精键连可构成具有不同疏水性质的双部位受体 d i e n s t i l 7 6 1 将 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s i s p c d 与杯 4 芳烃上缘键连得到的主体 对荧光染料a n s 和t n s 的结合性能大大 增强 杯芳冠醚作为一类新型的主体 近年来日益受到重视 仆7 9 1 近来报道的多种双 杯冠醚 d o u b l e c a l i x 4 c r o w n 三杯冠醚 t r i p l e c a l i x 4 c r o w n 及双冠醚 杯芳烃 d o u b l e c r o w n e dc a l i x a r e n e 多位识别受体1 8 5 嘲对碱金属离子有优良的识别配位 能力 杯芳烃与具有催化功能的基团如眯唑哺o l 朴啉1 8 1 键连构成的多重识别受体 如 杯 4 芳烃朴啉 具有独特的识别性能 并有望作为仿酶模型化合物 朴啉环与n a 配位 四个 o c h 2 c o 一基形成的孔穴能包结n a 而由n h c c h 3 h c o n h 构成的空 腔特别适合于结合i 离子 1 6 立题思想 随着主客体化学的深入研究 杯芳烃的功能化修饰及应用成为该领域的研究热 点 其中杯芳烃下沿引入多识别基团是研究方向之一 其中大多数表现出对钠 钾 铯 钙等碱金属 碱土金属和重金属离子有识别响应 而对有机小分子的识别研究 较少 而近几年 杯芳烃的功能化修饰及其对有机小分子的识别成为热点 我们寻找带有荧光且能与氨基酸作用的物质 鉴于香豆素对氨基酸有一定的作 用并有较强荧光 我们合成了含有香豆素结构的杯芳烃衍生物 运用荧光光谱滴定 和紫外光谱滴定的方法 对几种氨基酸和腺嘌呤进行滴定 并研究了它们之间的识 别作用和作用机理 推导结合常数和结合比 求出结合常数和结合比 从而探讨了 它们之间作用方式 参考文献 1 吴成泰等 危蘧钇学 北京 科学出版社 第一版 1 9 9 2 p p l 一3 5 图书 2 b e n d e r m l k o m i v a m a m c y c l o d e x t r i nc h e m i s t r y s p r i n g e r v e r l a y b e r l i n 1 9 7 8 v o l2 p p 1 2 0 1 3 0 图书 3 g u t s c h e c d m u t h u k r i s h n a n r c a l i x a r e n ela n a l y s i so f t h ep r o d u c tm i x t u r e s p r o d u c e db yt h eb a s e c a t a l y z e dc o n d e n s a t i o no f f o r m a l d e h y d ew i t hp a r a s u b s t i t u e dp h e n o l s d o r g c h e m 1 9 7 8 4 3 5 0 4 9 5 期刊 4 c r a m d j a n g e w f r o mc a l i x a r e n et om a e r o e y c l i cp o l y m e r c h e m i n t e d e n 9 1 1 9 8 8 2 7 1 0 0 9 1 0 2 0 期刊 5 b o h m e r v c a l i x a r e n e m a e r o e y c l e sw i t hu n l i m i t e dp r o p e r t i e s d n g e w c h e m i n t e d e n g 1 9 9 5 2 1 7 13 7 1 5 期刊 6 w a n g j s g u t s c h e c d c o m p l e x a t i o no ff u l l e r e n e sw i t hb i s c a l i x a r e n es y n t h e s i z e db yc l a i s c nr e a r r a n g e m e n t l a m c h e m s o c 1 9 9 8 1 2 0 1 2 2 2 6 1 2 2 3 1 期刊 7 a h a m i l t o n a d m o l e c u l a rr e c o g n i t i o n t e t r a h e d r o n 1 9 9 5 5 1 3 4 3 6 4 8 b g e l l m a n s h m o l e c u l a rr e c o g n i t i o n c h e m r e v 1 9 9 7 9 7 1 2 3 1 1 7 3 4 期刊 8 n a g a s a k i t ar i m u r a t an e wc a l i x 6 a r e n e b a s e du r a n o p h i l ew i t hph o s p h o n a t e g r o u pa sl i g a n d s b u l l c h e m s o c j p n 1