（有机化学专业论文）8羟基喹啉类衍生物的合成及其阴离子识别的研究.pdf

摘要 由于阴离子在生命科学、药物领域、化学催化、环境等方面起着重要的作用和影响， 近年来，阴离子的研究引起了相关领域科研工作者的高度重视。阴离子的配位研究包括 阴离子识别和阴离子传感两个过程。识别与传感阴离子的关键是设计合理的主体分子， 主体分子由识别基团和信号报告基团组成。当阴离子与识别基团结合时，改变了信号报 告基团的微环境，表现出吸收光谱或荧光光谱的变化，从而实现阴离子的光学传感。 通过对不同阴离子显色现象的观察，以及对其紫外谱图和核磁共振图的研究，讨论 了这些8 羟基喹啉与阴离子作用的机理，得到了一些对于阴离子显色试剂的设计有指导 意义的结论。本文主要的研究内容如下： 一、介绍了超分子化学的相关概念及阴离子识别的发展现状，分析其发展缓慢的根 源，概述己建立的阴离子识别体系，包括阴离子的结构特点、阴离子识别研究中所涉及 的分子间相互作用力、方法等。 二、8 羟基喹啉主体化合物的合成。首先，通过方法改进合成了1 5 个5 取代8 一羟基 喹啉偶氮类化合物。通过5 取代8 羟基喹啉偶氮苯甲酸酰化再与二胺及二醇反应得n 5 个双8 羟基喹啉偶氮，产物经过红外及氢谱验证。然后，以取代苯甲醛和芳二胺为原料， 经过单希夫碱的合成、重氮化，再与8 羟基喹啉偶联反应合成了一类带有碳氮和氮氮双 键的双官能团的8 羟基喹啉衍生物，其结构经i r 、n m r 和元素分析进行了表征。接着， 通过杂环芳胺的偶联反应，与8 羟基喹啉偶联反应合成了一类含有杂环的5 取代8 羟基 喹啉偶氮化合物。最后，通过8 羟基喹啉的甲酰化，后于芳肼和芳胺反应，得n 2 个7 取代8 羟基喹啉苯腙和3 个双8 羟基喹啉希夫碱类化合物。 三、8 - 羟基喹啉主体化合物的阴离子识别研究。首先，无机盐的阴离子加到主体化 合物的乙腈( 或d m s o ) 与去离子水的混合溶剂中，通过紫外和核磁共振谱图的研究， 筛选出结构优良的8 羟基喹啉化合物。然后，四正丁基铵阴离子加到主体化合物的乙腈 ( 或d m s o ) 中，通过紫外和核磁共振谱图的研究，筛选出结构优良的8 羟基喹啉化合 物。 关键词：超分子化学，8 羟基喹啉，阴离子识别，偶氮化合物，合成 a b s t r a c t a n i o nc o o r d i n a t i o nr e s e a r c hh a sr e c e n t l yb e e nah o tt o p i co fs u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r yb e c a u s eo ft h e i m p o r t a n tr o l ei naw i d er a n g eo f c h e m i c a la n db i o l o g i c a lp r o c e s s e s ，a n dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o nh a sb e e n f o c u so nt h ed e s i g no fh o s tm o l e c u l e st h a tc a nr e c o g n i z ea n ds e n s ea n i o ns p e c i e ss e l e c t i v e l yt h o r o u g h o p t i c a lr e s p o n s e s c o i o r i m e t r i ca n df l u o r e s c e n td e t e c t i o na n ds e n s i n ga r ew i d e l yu s e de i t h e ro w i n gt ot h e l o wc o s to rl a c ko fe x p e n s i v ee q u i p m e n to ri t sh i g hs e n s i b i l i t ya sav e r s a t i l et o o li na n a l y t i c a lc h e m i s t r y ， b i o c h e m i s t r y ，c e l lb i o l o g y w eo b s e r v e dc o l o rc h a n g e sw h e nd i f f e r e n ta n i o n sw e r ea d d e dt ot h es o l u t i o no f t h er e c e p t o r s ，s t u d y e d t h ef a m i l yo fs p e c t r ai nu v v i sa n d1 h n m ra n dd i s c u s s e dt h ei n t e r a c t i o ns c h e m e s b e t w e e nt h e s e c h r o m o g e n i cc h e m o s e n s o r sa n da n i o n s w eg o ts o m em e a n i n g f u lc o n c l u s i o n sf o rt h eg u i d a n c eo fd e s i g n i n g a n i o nc h r o m o g e n i cc h e m o s e n s o r s i nt h i sp a p e r , t h es t u d yr e a d sa sf o l l o w s ： p a r to n e ：t h er e l e v a n tc o n c e p t so fs u p r a m o l e c u l a rc h e m i s 时a n dt h e d e v e l o p m e n to fa n i o n r e c o g n i t i o nw e r ei n t r o d u c e d t h er e a s o nw h a tc a u s e da n i o nr e c o g n i t i o nd e v e l o ps l o w l yw a sa n a l y s e d t h e a n i o nr e c o g n i t i o n s y s t e mw h i c hh a s b e e ne s t a b l i s h e dw a ss u m m a r i z e d ，i n c l u d i n gt h es t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c so fa n i o na n dt h ei n t e r a c t i o nf o r c eb e t w e e nt h em o l e c u l e sa n dm e t h o d sw h i c hi n v o l v e di nt h e s t u d yo fa n i o nr e c o g n i t i o n p a r tt w o ：t h es y n t h e s i so fm a i nc o m p o u n d so f8 - h y d r o x y q u i n o l i n e f i r s to fa l l ，5 - b e n z o i c - 8 - h y d r o x y q u i n o l i n ea z oc o m p o u n d sw a ss y n t h e s i s e dt h r o u g hi m p r o v i n gt h em e t h o d a f t e r5 - ( 4 - b e n z o i c a c i d ) - 8 一h y d r o x y la z ow a sa c y l a t i o n ，t h ep r o d u c tw a sr e a c t e dw i t hd i a m i n ea n dd i o l ，t h ep r o d u c tw a s5 - ( 5 8 - h y d r o x yq u i n o l i n y l a z o ) o f8 - h y d r o x yq u i n o l i n y l a z ow a sa c q u i r e da n dv e r i f i c a t e db yi n f r a r e d s p e c t r o s c o p ya n dn m r t h e n ，a f t e rs y n t h e s i sa n dd i a z o t i z a t i o n o ft h er a wm a t e r i a l ss u b s t i t u t e d b e n z a l d e h y d ea n ds u b s t i t u t e da n i l i n eb ys i n g l es c h i f fb a s e ，a n dt h e no n et y p eo f8 h y d r o x y q u i n o l i n e d e r i v a t i v e sw h i c hh a v ec a r b o na n dn i t r o g e na n dn i t r o g e nn i t r o g e nd o u b l eb o n dw a sa c q u i r e db yc o u p l i n g r e a c t i o nw i t h8 - h y d r o x y q u i n o l i n e ；t h e i rs t r u c t u r e sw e r ec h a r a c t e r i z e db yi r ，h n m ra n de l e m e n t a l a n a l y s i s t h e n ，t h r o u g ht h ec o u p l i n gr e a c t i o no ft h eh e t e r o c y c l i c a r o m a t i ca m i n e sa n dac l a s so f i i i h e t e r o c y c l e sc o n t a i n i n gt h e5 一h e t e r o e y c l e ) - 8 一h y d r o x y q u i n o l i n ea z oc o m p o u n d sw e r es y n t h e s i z e db y c o u p l i n gr e a c t i o nw i t h8 - h y d r o x y q u i n o l i n e f i n a l l y , a f t e rf o r m y l a t i o no f8 - h y d r o x y q u i n o l i n e ，t h ep r o d u c t e r r e a c t e dw i t ha r y lh y d r a z i n ea n dta r o m a t i ca m i n e sa n dt h e nt w os u b s t i t u t e d 7 一( 8 - h y d r o x y q u i n o l i n e ) p h e n y l h y d r a z o n ea n dt h r e e5 - 5 8 - h y d r o x yq u i n o l i n ) o f 8 一h y d r o x yq u i n o l i n y l a z os c h i f f b a s e s p a r tt h r e e ：t h ea n i o nr e c o g n i t i o no fm a i nc o m p o u n d so f8 - h y d r o x y q u i n o l i n e f i r s to fa l l ，t h ea n i o no f i n o r g a n i cs a l t sw a sa d d e dt ot h em i x e ds o l v e n t sw h i c hc o n t a i n i n ga c e t o n i t r i l e ( o rd m s o ) a n dd e i o n i z e d w a t e rt h em a i nc o m p o u n d t h r o u g ht h er e s e a r c hw i t hu va n dn m rs p e c t r a , t h e8 一h y d r o x y q u i n o l i n e c o m p o u n d sw h i c hh a v ef i n es t r u c t u r ew e r es c r e e n e do u t t h e n ，t h ea n i o no ft e t r a b u t y l a m m o n i u mw a s a d d e dt oa c e t o n i t r i l e ( o rd m s o ) o ft h em a i nc o m p o u n d t h r o u g ht h er e s e a r c hw i t hu va n d1 h n m r s p e c t r at h e8 - h y d r o x y q u i n o li n ec o m p o u n d sw h i c hh a v ef i n es t r u c t u r ew e r es c r e e n e do u t k e yw o r d s ：s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y , 8 一h y d r o x y q u i n o l i n e ，a n i o nr e c o g n i t i o n ，a z o c o m p o u n d s ， s y n t h s i s i v 独创性声明与论文使用授权的说明 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位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 经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河南师范大学或其他教育机构的学位或证书 所使用过的材料。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。 签名： 眺生牡 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河南师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权河南师 范大学可以将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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 签名：芈导师签名：雄日期：2 牡 6 3 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 超分子化学可定义为“分子之外的化学”，是有关两个或两个以上的化学物种通过分 子之间作用力缔合在一起而形成的具有更高复杂性的有组织实体，它作为化学的一个独 立的分支，已经得到普遍认同。它始 ：p e d e r s e n 对冠醚的发现及其性质的深入研究f jj ， 发展于c r a m 和l e h n 的主客体化学【2 ，3 】，它是一个交叉学科，涉及无机与配位化学、有机 化学、高分子化学、生物化学和物理化学，由于能够模仿自然界已存在物质的许多特殊 功能，形成器件，因此它也构成了纳米技术、材料科学和生命科学的重要组成部分。 分子识别是超分子领域中的一个重要分支，是超分子的基本构造规则。1 0 0 多年前， e f i s h e r 曾以“锁和钥匙”的配合来类比分子间的专一性结合，并称之为识别，对应于生物 学中底物和受体的概念。仿此，人们广义地把分子识别过程中相互作用的化学物种也称 为底物( 较小的分子) 和受体( 较大的分子) 。分子识别是指主体( 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，是类似“锁和钥匙”的分子间专一性结合，维系 分子间作用力的是几种弱相互作用力的协同作用，其强度不次于化学键。分子识别包括 所有阳离子、阴离子及中性有机、无机或生物分子的识另j j t 4 d j ，然而由于阴离子受制于 自身的结构特征，其研究发展较缓慢。 阴离子广泛存在于生物体内和环境中，在生命科学、药物领域与化学过程中起着重 要的作用。例如，缺乏氟易引起龋齿；氯离子对患有泡状纤维病的人群有抑制作用【6 j ： 氟离子对大脑皮层的高级神经活动有一定的调节作用【7 】；磷酸阴离子在信息处理、能量 储存和传递方面有重要作用等。基于阴离子在医学、环境和生命科学中发挥着重要的作 用、阴离子识别人工受体己在阴离子传感器【8 1 ，膜传输载体9 1 等方面展现了独特的应用 前景；设计与合成对阴离子具有选择性识别功能的受体分子已成为目前超分子化学领域 的热点课题之一【1 0 , 1 1 】。 1 2 阴离子的结构特点及其对主体设计的影响 阴离子在生命科学和化学过程起着重要的作用，但可应用于阴离子识别的体系并不 多，主要受制于阴离子自身的结构特点【1 2 1 ：第一，阴离子的离子半径较等电子的阳离子 8 一羟基喹啉类衍生物的合成及其阴离子识别的研究 的大、电子云密度相对较低，因此与受体间的成键能力弱；第二，具有不同的几何构型， 如球型( 如f ，c i ，b r - 和i ) 、直线型( 如n 3 。，c n 和s c n ) 、平面三角型( 如n 0 3 ，c 0 3 2 ，和 r c 0 3 ) 及四面体型( 如p 0 4 3 、s 0 4 厶，和c 1 0 4 ) 等，要求受体分子具有与之相匹配的空间 构型；第三，具有强的溶剂化趋势，并对酸度特别敏感，只能存在于一定的p h 范围。从 上可知，阴离子不能与主体分子形成强的共价键，而仅以非共价作用力( 如静电作用、 氢键、疏水等) 维系着，并且多数阴离子主体仅在有机溶剂中才对阴离子识别作用。基 于阴离子的独特性质，设计和合成用于识别阴离子的主体具有挑战性，其设计与合成需 要兼顾阴离子的几何构型和碱性强弱以及溶剂的特性，主体分子和阴离子结构的互补性 是决定选择性的关键因素，包括键合位点的适当分布，非共价键的种类和数量等。 1 3 阴离子识别 关于阴离子识别的系统理论研究还处于起步阶段，集中于设计合理的识别体系，正 呈现“百花齐放，百家争鸣”之势。各种理论模型有待进一步研究商榷。在识别研究中充 分利用光、电、磁等信息揭示主体分子与阴离子之间的相互作用。主要的检测手段有紫 外可见光谱、荧光光谱和1 h n m r 谱等。其中1 h n m r 谱研究是揭示阴离子配合物作用的 直接证据，但在应用于阴离子的识别有一定的局限性，有待发展多种传感模式。 阴离子识别以非共价互相作用力( 如静电作用、氢键、疏水力等) 结合着，这就要求 主客体分子问应利用超分子体系中各种协同作用形成络合物，才实现对阴离子的识别。 阴离子与化合物分子间的识别作用强弱首先取决于阴离子，不同阴离子客体与同一化合 物分子间的作用力随阴离子的碱性增强而增大；同时阴离子的几何形状关系到主客体分 子之间的空间构型匹配，直接影响识别作用的选择性及阴离子配合物的稳定性；第二、受 制于主体分子自身，主体分子与阴离子客体间非共价作用常涉及质子或氢原子的传递过 程，特别是基于氢键作用的主客体配合物，分子问通过氢键桥连为一体，因此化合物分 子的酸性增强将有利于主客体分子间的相互作用1 1 3 】。本节将按主客体分子间的作用力性 质分类，简要介绍阴离子识别过程中常见的几种分子间的相互作用力。 1 3 1 静电相互作用 静电作用是基于主客体分子间的电荷性质不同而产生的。此类化合物多为环状多 胺，在一定的酸度条件下，化合物分子质子化而带正电，与带负电的阴离子( 主要为卤 素离子) 通过静电作用和空间尺寸效应达到识别的目的。在早期的研究工作中，s c h m i d t c h 2 第一章绪论 合成了大三环四铵主体l 和2 1 1 4 , 1 5 】，并发现这些受体能与不同的阴离子客体在水溶液中形 成配合物。l 的空腔内径( 4 6a ) 与i 。直径( 4 1 2a ) 接近可形成稳定的配合物。晶体结构 显示阴离子被“密封”在大三环中1 1 6 1 。较大的受体2 也能与较大的离子对硝基苯酚离子形 成配合物。受体1 和2 均荷正电，其它带相反电荷的离子会与阴离子竞争结合位点。为了 克服这点，s c h m i d t c h c m 合成了是中性的受体3 和4 。1 h n m r 实验表明：水相中化合物4 较1 与卤素离子( 如c l 。，b r ，1 3 形成更为稳定的配合物。 1x = - ( c h 2 ) 6 2 x b h 3 胗口 、 礞4x-、(chz)6-。 偶极键也能用于离子识另i 1 1 7 , 1 5 】，其作用也是静电相互作用。磷化氢氧化物二亚砜大环5 含有一个收敛的偶极键，因此能在大环环下定义一个阴离子键合点。1 h n m r 在c d c l 3 c d 3 0 d ( 9 8 2 ) 揭示了能与c l 。形成一个弱的配合物( k = 6 5 m 。) ，也可以与其它的离子形成弱 的配合物。 1 3 2 氢键作用 氢键具有方向性，可据此设计具有特定几何构型的化合物以识别几何形状各异的阴 离子。这类化合物中含有氢键供体基团，如酰胺、( 硫) 脲、胍、吡咯、偶氮酚等，通过 氢键与阴离子结合形成稳定的配合物。以下将按氢键供体基团进行分类阐述。 ( 1 ) 酰胺类化合物 酰胺键是肽链的功能结构单元，通过氢键形成复杂的生命现象，因而酰胺作为氢键 的供体在阴离子识别中发挥着重要的作用。1 9 8 6 年，p a s c a l 等【l9 】合成了第一个酰胺阴离 子受体6 ，在d m s o d 6 中可以识别f 。1 9 9 3 年，r e i n h o u d t 等【2 0 】报道了系列含酰胺基团的 三足化合物7 1 2 ，同时r 印o s o 等1 2 1 j 也报道了同类结构的化合物1 3 。上述分子均为c 3 对称 结构，因柔性链状分子可自由“缠绕”阴离子，通过多重氢键形成稳定的阴离子配合物， 故该类化合物能选择性结合四面体构型的阴离子女 i p 0 4 3 - 等。何永炳等【2 2 2 5 1 合成了酰胺型 8 一羟基喹啉类衍生物的合成及其阴离子识别的研究 阴离子化合物1 4 1 6 ，通过多重氢键作用，对含芳环的阴离子p - 0 2 n c 6 h 4 0 p 0 3 2 。和 p 0 2 n c 6 i - 1 4 0 具有较好的选择识别能力。同时他们还研究合成了一类新型冠醚17 - 2 0 ，该 化合物对对硝基酚氧阴离子( p - 0 2 n c 6 h 4 0 ) 具有良好的选择性识别作用，源于化合物分 子具有酰胺单元的平面结构和相对较大的刚性，其空腔与平面s s s 型的对硝基酚氧阴离 子在空间和构型上相匹配。 6 o7r ：c h 2 c ih n p o 8r = ( c h 2 ) 4 c h 3 r i 9r = c 6 h 5 10r = 4 一m e o c 6 h 4 o 1q n h 1 j b j o ， 蠢h 厂岁舀节 、 ，2 r ：4 m e c 6 h 4 h o n 牵；o 13 r = 2 n a p h t h y l r o ( n hh n ) 1 4 c h o i 和h 锄i l t o n a 成了双通道阴离子荧光受体2 1 2 6 1 ，键合阴离子后通过静电相互作 用稳定了电荷转移激发态( c t ) ，同时诱导荧光团出现局部正电荷使得质子酸性增强易于 发生分子间激发态质子转移( e s p t ) 。刘斌和田禾【2 7 】设计合成了一种以酰胺为识别基团含 萘酰亚胺荧光团的f 。比色和荧光比率化学传感器2 2 。 4 ( ? 0 一 丫r o o八r 第一章绪论 超分子体系中大环效应在能量因素和熵因素上均有利于提高超分子体系的稳定性， 阴离子识别中充分利用了“大环效应”。a n s l y n 等；1 2 8 】设计合成了具有刚性结构的三角形笼 状酰胺化合物2 3 ，由于分子中的n h 按三角棱镜排列，它们能配位到平面三角形构型的 阴离子( 如r c 0 3 2 。和n 0 3 - ) 的n 电子体系中。研究表明a c o 。通过氢键结合至笼状化合物分 子的腔体内。 p f e f f e r 等【2 9 】合成的化合物2 4 ，在d m s o d 6 中，与h 2 p 0 4 通过氢键作用形成1 ：1 的阴离 子配合物。同时化合物2 4 也能与其它阴离了女i a c o 。结合，但萘氨基的n h 不参与形成氢 键。这主要归因于h 2 p 0 4 离子的四个o 原子可分别与萘氨基的n 。h 和硫脲的n h 结合。 j u r c z a k 等1 3 0 】合成了系列大环四胺化合物2 5 2 8 ，研究了化合物与阴离子形成的配合物强弱 与化合物分子的空间大小有密切关系，从而为阴离子选择性识别大环化合物提供有效证 据。同时j u r c z a k 等p l 】又合成了含2 ，5 二氨基嘧啶和1 ，3 二氨基苯官能团的化合物2 9 ，结 果表明化合物2 9 与阴离子形成良好的预组装，可能由于大环结构和2 ，5 二氨基嘧啶刚性 的结果。c o s t e r o 等【3 2 】合成了阴离子化合物3 0 3 2 ，加入f 离子，化合物3 0 f f l 3 1 都有颜色 变化，归因于电荷转移。而加入其它阴离子，化合物3 0 与阴离子形成的配合物结构相似， 化合物3 1 与阴离子形成的配合物结构则不同于与f 。离子形成的配合物结构，这与化合物 3 1 的空腔尺寸和溶剂效应有关。化合物3 2 的二甲氨基基团取代了硝基，故未产生明显的 颜色变化。何兰等【3 3 】系统的研究了化合物3 2 ，3 4 的构象及对吡啶有选择识别能力。 n 能 h 锚琳恰 0 2 51 1 - - 0 ，2 6n = 1 2 7n = 2 ，2 8n = 3 0 苫 h n 5 h 洲 h n h h y s n n -一42 8 一羟基喹啉类衍生物的合成及其阴离子识别的研究 r ( 2 ) ( 硫) 脲类化合物 o o 硫脲衍生物是一类应用较为广泛的阴离子受体，其结构简单、易于合成。受体常以苯 基硫脲为基本结构，其信号报告基团多为芳香烃，借助于芳烃的吸收光谱、荧光光谱、氧 化还原电位和硫脲分子中氮氢质子1 h n m r 化学位移的变化，以达到识别阴离子之目的。 通过改变与硫脲相连的取代基，可调节受体对阴离子识别的选择性和灵敏度。脲和硫脲 n h 具有一定酸性，与阴离子之间通过较强的多重氢键发生有效键合。n a m t 3 4 】等分别在萘 环的1 ，8 位引入苯脲基，合成出高效选择性识别氟离子的受体分子3 4 ，在3 7 9 n m 处有特征荧 光发射峰。加入f 后，其荧光光谱4 4 5 n m 处出现新峰，且强度较大。而在其他卤索阴离子存 在下，只能观测到3 7 9 啪处荧光强度的变化。根据荧光光谱滴定计算出的络合常数，3 4 对 f 的选择性是c l 。的4 0 倍左右。研究表明，萘环不仅是荧光基团，而且是决定键合选择性的 模板。 u m e z a w a 等【3 5 】合成了系列钳形硫脲分子3 4 和3 5 ，3 5 与h 2 p 0 4 - 在d m s o d 6 中的结合常 数高达1 9 5 x1 0 5 m o l l ，化合物对h 2 p 0 4 的选择性源于化合物裂缝式互补型空间结构，使 每个h 2 p 0 4 与化合物间能形成四重氢键。张有明等【3 6 】合成了三种新型化合物3 6 3 8 ，该 类化合物对阴离子的识别作用源于化合物分子在基态时发生的分子内电荷转移。 6 q9 n hh n 7 o 文n hh n ：o s h 、旷刷弋s i i 一、南一r 9 八，温；3 电 k o n d o 等【3 7 1 设计合成- j 8 ，8 二硫脲2 ，2 联二萘3 9 ，该化合物对阴离子具有高选择性 第一章绪论 来源于它的结构可以自由转动，加入阴离子则形成了平面结构，限制了它的转动。吴世 康等【3 伽研究了柔性三足硫脲类化合物4 0 ，与对应的线型双取代化合物相比，由于三足 链的柔性使其可提供多重氢键结合位点，易与h 2 p 0 4 。和h s 0 4 形成稳定的氢键配合物， 其结合常数分别为3 3 6 x 1 0 4 和9 4 8 x 1 0 3m o l l 一。之后他们又合成了含二萘脲基的化合物 4 1 4 1 1 ，研究表明它对一系列的二羧酸阴离子具有识别作用，尤其对庚二酸根阴离子具有 最佳匹配的构象，此特性表明两个脲基间的距离刚好和庚二酸根的链长吻合，增强了相 互间的氢键结合作用。何永炳等【4 2 】设计合成了三种新型中性化合物4 2 4 4 ，在d m s o 中， 由于碳链的长度致使化合物4 5 4 7 都对己二酸有较好的选择性。化合物4 5 对己二酸离子 的选择性高于化合物4 6 矛1 4 7 ，己二酸根离子的加入能促进了硫脲基上富电子的n 向缺电 子的对硝基苯间的电荷转移是产生这种差异的关键。颜朝国等【4 3 l 合成了两种新型间苯二 酚杯芳烃硫脲衍生物4 6 和4 7 ，它们对a c o 。，h 2 p 0 4 。，h s 0 4 等阴离子通过氢键作用形成较 稳定的配合物。 厂、 f f f 州沙 4 1 h 卜f h p h r = h ，z = ( c h 2 ) 6 ：r = h ，z = c h ( c h 3 ) c h h o n g ：等t 删将三个硫脲与三个芳香环相连接，合成了c 3 对称性的大环阴离子化合物 4 7 。当硫脲n h 同时朝向大环空腔排列，则可提供阴离子结合的氢键腔体。1 h n m r 滴定 显示：4 7 b 对阴离子识别的选择性顺序为h 2 p 0 4 - a c o 。 c i 。虽然h 2 p 0 4 的碱性较a c o 。弱， 但因化合物分子的定域构型与h 2 p 0 4 - 空间结构相匹配，故表现出更强的亲和力。4 7 a 对 阴离子识别的选择性顺序为a c o h 2 p 0 4 - c i n 3 b r 。，与阴离子碱性强弱顺序一致。 4 7 b 对阴离子的亲和力明显强于4 7 a ，取代基诱导化合物分子中硫脲n h 预组装排列是产 生这一差异的关键。t e r a m a e 等【4 5 , 4 6 合成了系列苯基硫脲分子4 8 5 0 ，向4 8 和4 9 的1 水 7 o 州、1 h n 一一 州如(州v nh 歹m v 州p 8 一羟基喹啉类衍生物的合成及其阴离子识别的研究 9 9 乙腈( v v ) 混合物溶液中滴2 f l a c o 。可观察到溶液由无色转变为黄色。化合物与a c o 结合后，硫脲基团中n 原子电荷密度增加，促进硫脲基向硝基方向的电荷转移，从而导 致吸收光谱变化。n 苯基取代基效应研究表明：强拉电子取代基( 如n 0 2 ) 可增强化合物分 子中硫脲基团中的n h 质子的酸性，有利于化合物与阴离子间的结合。该小组还报道了 系列含长链烷基的化合物5 0 在水界面上与阴离子的结合作用，结果表明：化合物5 0 在水中 的簇集作用随脂肪烃链的增长而增强，且吸收光谱发生红移，与阴离子的结合常数亦随 碳链增长而增大。k u b o 等【4 7 】采用高压非催化法合成了n 吡啶硫脲化合物5 1 ，化合物中 的吡啶和硫脲均能提供氢键结合位点，可与具有重要生理功能的二苯磷酸根离子结合。 r 是弋。 r a h n 丫s ( 3 ) 吡咯类化合物 0 2 n n 4 9r = p - n i t r o p h e n y l q n 员n ，r 5 0r = c n h 2 n + 1 ，n = l 一8 q n 员n q hh 吡咯n h 基团能与阴离子形成氢键，常采用杯【n 】吡咯为骨架，利用杯吡咯的大环效 应与阴离子形成稳定的超分子体系。杯吡咯是由吡咯和s 杂化碳原子通过吡咯环0 【位连 接而组成的大环化合物，被称之为杯芳烃的类似物，其结构具有杯芳烃的特点，也与生 命体中存在的多聚吡咯化合物，j t l l ：血红素、叶绿素和维生素b 1 2 结构很相似，但杯芳烃 化合物对金属离子以及中性分子的识别主要依赖苯环所构成的空穴结构及疏水基团的 作用，对杯吡咯的现阶段研究表明，这类分子受体对阴离子、中性分子或带电荷体( 如 d n a ) 的识别能力主要是通过母体多个吡咯单元上大氨基基团的多氢键作用与客体选择 键合，杯吡咯超分子化学研究已引起各国化学家的高度关注。作为一类新型的分子受体， 引起了更多人的研究兴趣。特别是近年来，杯吡咯的合成与修饰及其分子识别作用研究 取得重要进展，以s e s s l e r 和g a l e 为代表的相关研究工作的文献大量出现 4 8 - 5 5 l 。这类经典 分子具有对中性小分子、阴离子有识别能力，在分子识别、分子自组装以及超分子催化 8 第一章绪论 等方面有着潜在的研究和应用价值。在阴离子键合、传感器、色谱分离新技术以及用作 相关药物载体和抗病毒药物传输等方面的研究结果都己显示其潜在的研究价值和应用 前景，并将继续得到充分的重视和发展。 1 9 9 6 年，s e s s l e r 等1 5 6 】报道了杯 4 吡咯5 5 与f 。间的配位作用。间八甲基杯【4 】吡咯在 c d 2 c 1 2 中与f - , c 1 和h 2 p 0 4 形成氢键配合物，稳定常数分别为1 7 2 0 0 ，3 5 0 ，1 0 0 m o l l 。固 相结构表明大环构象随着阴离子配合物的形成而剧烈变化；自由态的杯吡咯与l ，3 交替 构象为优势构型，与其邻近环则处于不同的方向。化合物5 2 与c l 形成配合物的晶体结构 显示c l 与四个吡咯环中的n h 形成四重氢键，整个配合物的结构为锥形。 ( 4 ) 含羟基类化合物 含有硝基的偶氮酚类化合物，基态时可发生分子内电荷转移( i c t ) ，具有较大的偶极 矩，对介质环境极为敏感可望发展为高效的阴离子显色体系。h o n g 等l s t , 5 s 1 报道了偶氮酚 类化合物5 3 ，酚羟基作为电子给体，通过苯环与电子受体硝基形成大的共轭体系，阴离子 与酚羟基的结合，增加酚羟基上氧原子的电荷密度，促进化合物的分了内电荷转移，使 化合物分子的c t 吸收带红移至可见光区，从而实现阴离子的裸眼识别。吴芳英等【5 9 j 合 成了喹啉类偶氮化合物5 4 5 7 ，5 7 与f 形成的配合物的结合常数达5 6 x 1 0 6 m o l l 。化合物 对f 的选择性来源于化合物分子与取代苯以偶氮键相连，增强电子供体的给电子能力， 1 h n m r 光谱显示羟基的化学位移随取代基拉电子能力增强逐渐向低场移动，表明化合 物分子中羟基活性增强，使其对阴离子的亲合力进一步增强。江云宝等【6 0 】合成了偶氮化 合物5 8 ，通过n h 与f 形成氢键。5 8 与阴离子形成的配合物的结合常数达1 7 2 x 1 0 5 m o l l ， 这由于化合物分子中苯甲酰苯胺部分的平面构型，其苯甲酰苯环上的质子协助参与阴离 子的氢键作用。 h n 稍n 0 2 r n ，n b 。h o 旷n 协慨 5 4 r 三c h 3 5 5 慧i h n5856r c n5 7 r = = n o ， 吴世康等【6 l 】通过目视比色法对一类含羟基的分子内电荷转移化合物5 8 6 3 的阴离子 识别进行了研究，其与阴离子产生颜色变化与阴离子的空间构型有很大关系。吴世康等 6 2 1 又报道了两种具有c 3 结构的s c h i f f 碱类6 4 和6 5 ，与金属形成的配合物能与p 0 4 3 - 离子相 互作用，源于两者问良好的空间取向和位点分布等方面的匹配。吴世康等【6 3 】还研究了化 9 8 一羟基喹啉类衍生物的合成及其阴离子识别的研究 合物6 7 6 9 与阴离子间的相互作用，化合物6 8 对f 。具有良好的选择性，而对其他阴离子均 无任何响应；含羟基的化合物6 7 对f 。也有较好识别作用，但它同时也对某些含氧阴离子如 a c o 或h 2 p 0 4 有作用；含硝基的s c h i 册或化合物6 9 对大多数阴离子的变色响应不明显，这 取决于敏感化合物分子内氢键供体基团的周围环境，以满足敏感分子对某种阴离子物种 识别中的特殊选择性。 y 洲 5 8 h 攫 h u n q ( 5 ) 胍类化合物 从结构上看，胍( s z 称亚胺脲) 在一般生理环境中胍处于完全质子化状态，质子化后 得到一个中介的、非常稳定的胍翁离子睇 c h 6 n 3 + , 其共振结构式见s c h e m e 7 0 。 h = ；= 苎 n h 2 h 2 n 7 0 b r 。o o 。一 _ _ _ _ _ _ - _ j n h 2 h 2 n s c h e m e 7 0 o n h 2 胍基化合物具有同样的电子和空间结构特点：如大的本体体积、正电荷、高度的离域 性、抗衡负离子的高淌度等。从分子识别角度讲，有几个特点：( 1 ) 胍离子官能团在分子平 面中拥有三个氨基，胍类依靠氨基的质子化，可以与带负电荷的有机阴离子发生配合，以主 客体配合形式形成超分子，如在精氨酸侧链中可形成五个氢键。这种特殊的结构使得胍基 化合物在分子识别和阴离子键合化学中成为万能分子【6 5 1 。且对于保持蛋白质的三级结 构具有重要的意义，在不同的反应机理和进程中，对解释胍的生理活性有着重要作用【6 州；( 2 ) 作为主体的胍基化合物中包含多个配位点。随着主客体化学从单点识别到多重识别或多 点识别并向不对称识别方向发展f 6 刀，胍基化合物越来越显示出其含有多个配位点的优越， 1 0 第一章绪论 可以同时配合一个或多个客体。如胍离子可通过6 个氢键识别三聚大环化合物【6 研；( 3 ) 胍类 化合物可作为强碱性试剂应用于分子识别【6 9 1 。 胍基化合物对d n a 的分子识别主要也有3 种形式【7 0 1 ：静电结合、沟内结合和嵌插结 合。胍基小分子通过镶嵌或嵌插于d n a 碱基或螺沟中，或作用于磷酸骨架，阻碍d n a 信息 的正常表达，达到对细菌或病变细胞生长、繁殖的破坏。也由于该类主体分子具有这样的 识别能力而成为新药设计的研究对象。1 9 9 6 年，b l a a s k o “”】将胍与d n a q h 的核苷酸相互 作用，形成d n a 聚合体，可扩大d n a 及r n a 在抗敏感和抗原方面的应用。f u k u t o m i 等【7 2 1 研究表明，由于d n a 的a t 沟区负的静电势大于g c 富集区，使其具有特异性，便于带正电的 胍基识别。这样，胍基化合物能够作为碱离子对氢键供电子体和芳香基的分子链接，与双 链d n a 按照特殊序列精确地组装键合，对基因的复制和转录起到调制作用，对生命科学具 有重要意义。2 0 0 0 年，b r a w k a r 等【7 3 】稳定电荷的胍离子与中性d n a 序列经全自动固相合成 的嵌合体，可用于治疗学的生物探头和抗原。而抗原与抗体生物分子的自组装被认为是生 命进化的关键和生物合成的必须步骤。这对于启动了免疫过程，实现免疫功能具有重要意 义。同时，胍基化合物对d n a 中的核苷酸的分子识别，充分利用了多位点作用，为主客体分 子提供了一有利的微环境，如液气界面或微胶束体系，从而实现对碱基的识别。o n d a 等【7 q 研究发现，核苷酸能够通过弱相互作用力( 氢键、静电引力) 与含胍基官能团的液体胶束和 双流体进行分子识别作用，进一步开拓了胍类化合物在超分子化学领域的应用。目前设计 和合成具有功能性基团的新型胍基化合物作为各种反应的催化剂及作为超分子主体探 讨主客体分子的相互作用规律及其功能性基团的特性，已成为近年来化学、生物学和药学 领域的一个新的研究热点。胍基化合物具有分子识别的特征对从分子水平上模拟生物功 能，研究生物体内各种信息传递及酶与底物相结合过程等具有重要的理论和实践意义，它 的应用也为发展特异性、专一性的分析方法提供了广阔的前景。 1 3 3 静电和氢键的协同作用 利用氢键和静电作用的协同效应是提高阴离子化合物灵敏度和选择性的有效途径之 一，质子化的环状多胺是此类研究的范例。早在1 9 6 8 年p a r k 等合成了系列双环多胺笼 状化合物，卤素离子与质子化的化合物通过氢键和静电作用相结合。 c o s t a 掣7 6 j 设计合成了一系列的四方铵化合物7 1 7 5 ，通过静电和氢键的协同作用，与 s 0 4 2 - 和h p 0 4 2 。形成配合物，四面体阴离：y s 0 4 2 - 和h p 0 4 2 的两个o 原子与化合物结合，而 另两个则在溶剂中。在乙醇水( v ：v = 9 ：1 ) 中，7 6 对h p 0 4 2 - 的选择性高- 于s 0 4 2 - 四方铵之间的 8 一羟基喹啉类衍生物的合成及其阴离子识别的研究 距离是产生这一差异的关键。 一二 b 一产x 饥o o 声 2 r 质子化的多胺化合物在阴离子识别结合过程中需严格控9 1 p h 范围，使得在一定的酸 度条件下化合物分子质子化而阴离子则未质子化。胍基分子识别磷酸酯的作用是静电力 与氢键的联合，氢键作用是专一性的保证。报道称【7 7 1 ，该类主体分子与磷酸酯主要有三种 不同的氢键排列方式