（有机化学专业论文）氰基杯芳烃与季铵离子识别作用及多位点识别受体合成.pdf

中山大学硕士学位论文魏影 摘要 分子识别是现代科学技术中富有挑战性的一个热门课题，由于阳离子如碱金 属离子和季铵离子在生命体系中的信息传递等方面起着非常重要的生理作用，研 究其特异识别受体，特别是在生理条件下的识别作用就特别有意义。 本论文的工作分为两个部分，一是新型四氰基双酚类杯芳烃1 对季铵离子 定量识别作用的研究，一是新型多位点识别杯芳烃受体的合成研究。 第一章综述了目前对季铵离子识别的研究现状，并介绍了本课题组的成果： 所合成的新型人工受体四氰基双酚类杯芳烃1 实现了生理条件下对乙酰胆碱及 其他大体积季铵离子如四丙铵和四丁铵的识别作用。 第二章阐述了利用荧光竞争法定量研究四氰基双酚类杯芳烃l 对六种季铵 阳离子包括生物重要分子乙酰胆碱、胆碱、四甲铵、四乙铵、四丙铵以及四 丁铵的选择性识别性能，并利用n m r 获取杯芳烃1 与四甲铵、四乙铵、四 丙铵以及四丁铵所形成复合物的结构信息。结果表明杯芳烃1 不仅对这六种季 铵离子有很强的亲和作用；而且能够区分他们的大小。对四丙基季铵离子相对较 强的结合作用和较高的特异选择性则说明杯芳烃1 作为中性水溶液中识别四丙 基季铵离子的高特异性的人工受体有潜在的应用价值。 第三章论述对季铵阳离子具有多点识别性能的环糊精一双酚类杯芳烃受体的 初步合成结果，最终产物的合成及结构确证尚待进一步进行。 关键词：双酚类杯芳烃，季铵离子，分子识别，人工受体 i l 中山大学硕士学位论文魏影 a b s t r a c t t h em o l e c u l a rr e c o g n i t i o ni sac h a l l e n g i n gf i e l di nt h em o d e ms c i e n c ea n d t e c h n o l o g y d u et ot h ec a t i o n s ，s u c ha sa l k a l ic a t i o n sa n dq u a t e r n a r ya m m o n i u m c a t i o n s , ，p l a yi m p o r t a n tr o l e si nt h es i g n a lt r a n s d u c t i o no fb i o l o g i c a ls y s t e m s , t h e r e s e a r c ho nt h eh i 对d ys e n s i t i v er e c e p t o r se s p e c i a l l yr e c o g n i t i o nu n d e rp h y s i o l o g i c a l c o n d i t i o n si sw o r t h f u l t h i st h e s i sc o n t a i n st w om a i np a r t s ：o n ei sa b o u tt h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ft h e r e c o g n i t i o nb e t w e e nt e t r a c y a n o r e s o r c i n 4 a r e n e1a n ds e v e r a lq u a t e r n a r ya m m o n i u m c a t i o n s ，t h e o t h e ri sa b o u tt h e s y n t h e s i s o fan o v e l r e c e p t o r c y c l o d e x t r i n - r e s o r c i n 4 a r e n ec o n j u g a t ew i t hm u l t i p l e - s i t er e c o g n i t i o na b i l i t y c h a p t e r1r e v i e w e dt h ep r o g r e s so ft h er e c o g n i t i o no fq u a t e r n a r ya m m o n i u m c a t i o n s a n dt h e nt h ea c h i e v e m e n to u r g r o u po b t a i n e dw a si n t r o d u c e d ：t h es y n t h e s i z e d n o v e la r t i f i c i a l r e c e p t o r , t e t r a c y a n o r e s o r c i n 4 a r e n e 1r e v e a l st h eh i g h b i n d i n g a f f i n i t i e st o w a r da c e t y l c h o l i n ea n do t h e rb u l k yg u e s t ss u c ha sp r 4 n + a n db u 4 n + u n d e r p h y s i o l o g i c a lc o n d i t i o n s i nc h a p t e rt w o ，t h es e l e c t i v er e c o g n i t i o no ft e t r a c y a n o r e s o r c i n 4 a r e n e1t o w a r d s i xq u a t e r n a r ya m m o n i u mc a t i o n s b i o l o g i c a l l yi m p o r t a n ta c e t y l c h o l i n ea n dc h o l i n e ， t e t r a m e t h y la m m o n i u m ，t e t r a e t h y la m m o n i u m ，t e t r a p r o p y la m m o n i u ma n dt e t r a b u t y l a m m o n i u m - w a ss t u d i e dq u a n t i t a t i v e l yb ym e a n so ff l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p i c m e t h o d ， a n dt h e s t r u c t u r a li n f o r m a t i o na b o u tt h e c o m p l e x e s o f t e t r a c y a n o r e s o r c i n 4 a r e n e1w i t hm e 4 n + ，e t 4 n ，p r 4 n + a n db u 4 n + w a so b t a i n e df r o m n m rt i t r a t i o ne x p e r i m e n t t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt e t r a c y a n o r e s o r c i n 4 a r e n e1d o e s n o to n l ye x h i b i ts t r o n ga f f i n i t i e st o w a r dt h es i xq u a t e r n a r ya m m o n i u mc a t i o n s ，b u t a l s od i s c r i m i n a t e st h e i rs i z e s t h eb i n d i n ga f f i n i t ya n dp r e f e r e n c ef o rt e t r a p r o p y l a m m o n i u mm a k er e s o r c i n 4 a r e n e1e x p l o i t a b l ea sap o t e n t i a lt e t r a p r o p y la m m o n i u m r e c e p t o rw i t hh i g hs e n s i t i v i t yu n d e rn e u t r a la q u e o u sc o n d i t i o n s i nc h a p t e rt h r e e ，t h es y n t h e s i so fc y c l o d e x t r i n r e s o r c i n 4 a r e n ec o n j u g a t e , w h i c h h a sm u l t i p l e - s i t er e c o g n i t i o na b i l i t yt o w a r dq u a t e r n a r ya m m o n i u mc a t i o n si sb r i e f l y i v 中山大学硕士学位论文魏影 d e s c r i b e d b u tt h es y n t h e s i sa n dt h es t r u c t u r a ld e t e r m i n a t i o no ft h ef i n a lp r o d u c tn e e d t ob es t u d i e df u r t h e r k e yw o r d s ：r e s o r c i n 4 a r e n e ，q u a t e r n a r ya m m o n i u mc a t i o n s ，m o l e c u l a rr e c o g n i t i o n ， a r t i f i c i a lr e c e p t o r v 中山大学硕上学位论文魏影 1 1 分子识别 第一章前言 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 ( m o t e c u l a rr e c o g n r i o n ) 成为现代科学技术中富有挑战性的一个热门课题。分子 识别可以理解为主体( 受体) 与客体( 底物) 选择性的键合，并可能具有专一 性功能；识别过程往往引起体系的电学、光学性质以及构象的变化，甚至发生 化学变化，这些变化意味着化学信息的表述、存储、传递及处理。互补性 ( c o m p l e m e n t a r i t y ) 及预组织( p r e o r g a n i z a t i o n ) 是决定分子识别过程的两个关键原 则。前者通过空间结构( 构象、构型) 与电学特性( 静电作用、氢键、兀堆积 作用等) 互补，决定着识别过程的选择性；后者决定着识别的键合能力，它要 求将主体分子中容纳客体的环境尽可能组织得完美，一般来说，环境组织得越 好，则它对客体的识别效果越佳。 1 2 人工受体识别季铵离子的研究意义 分子识别是自然界最普遍的现象之，它是生物体实现其特殊功能的基本 过程，并在生命活动中起中心作用。当今利用合成的人工受体高特异性的识别 阳离子的研究日益引起人们极大的兴趣【。阳离子如碱金属离子和季铵离子在 生命体系中的信息传递等方面起着非常重要的生理作用。以季铵离子中的乙酰 胆碱为例，它是生物体内广泛存在的神经传导介质。乙酰胆碱通过与其相应受 体之间的结合或脱离等相互作用而使乙酰胆碱受体通道处于丌放或关闭状态， 从而达到信号传输的目的【2 i 。乙酰胆碱与其受体的识别行为是在生理条件下进 行的，因此研究生理条件下高性能的人工受体对了阐明乙酰胆碱等季铵离了的 生物识别机制和开发其高性能的实用传感器非常重要。 中山大学硕士学位论文 1 3 目前对季铵离子识别的研究现状 近年来已经发展了多种人工受体的新模型，其中功能化的杯芳烃是特别引 人注目的受体类型之一。杯芳烃1 3 l ( c a l i x a r e n e s ) - - k 投是由亚甲基连接苯酚单元构 成的大环受体。同环糊精相似，杯芳烃由于其优良的识别性能，成为继环糊精 之后的第三代超分子，近年来它作为多功能的主体而备受关注。杯芳烃实质上 是一种特殊的环番，其本身具有紧密相邻的多个羟基和一个大小可调节疏水空 腔，结构灵活多变( 尤其是构象变化) ，易于修饰。在杯上引入适当的基团所 得到的受体，能借助于氢键、静电作用、疏水作用等非共价键作用来识别客体 分子。由闻苯二酚与醛在酸催化下聚合得到的双酚类杯芳烃( r e s a r c i n a r e n e s ) ， 有着比c a l i x a r e n e s 更刚性的疏水空腔。s h i n k a i 4 1 和u a g a r o 【5 j 分别指出，这种刚 性的结构可以提高对阳离子客体分子的选择性。所以r e s o r c i n a r e n e s 作为识别 具有生物活性的乙酰胆碱和其他季铵阳离子的人工受体展示了诱人的应用前 景i6 l 。 图l - 1 双酚类杯芳烃1 - 1 由间苯二酚与乙醛聚合得到的双酚类杯芳烃1 - 1 极易溶于碱性水溶液中。 这是因为它在强碱性条件下( o 5nn a o h ) 脱去四个酚羟基上的氢原予，得到带 有四个负电荷的独特的富电子环状结构的阴离予1 2 而溶解于水中( 图1 1 ) 1 7 1 。 相邻两个酚羟基之间形成分子内的氢键，负电荷得以分散，所以该阴离子能够 以稳定的碗状构型存在。s c h n e i d e r 等人研究该阴离子与一系列季铵离子之间的 相互作用1 7 , 8 ，发现它们之间有着很强的结合作用，一a g 可达到6 4k e a l m o l 3 1 。 1 - 2 对各种季铵离子的测试数据见表1 - 1 。实验结果是通过核磁滴定得到的。从 表1 - 1 数据可以看出：该离子对具有生理活性的胆碱的识别能力最强，对四甲 中山大学硕士学位论文 基季铵离子的识别作用( 在0 5nn a o h ，k a 。3 x1 0 4m 。) 超过相应的生命体 系【2 l o 离子强度的变化【7 埽口溶剂极性一定程度上影响了包结作用的强弱，然而 季铵离子中的烷基基团长度的增加对其影响更大。这说明识别的相互作用主要 是建立在带正电荷的季铵离子客体和带负电荷主体之间的静电作用基础上。后 来通过单晶衍射法证明了中性的双酚类杯芳烃1 - 1 也能络合季铵离子【9 】o 表1 - 1 核磁滴定法测得的1 - 2 与季铵离子之间在d 2 0 中的结合常数k a ( m - 1 ) 和季铵离子 的c i s 值f 一6 一，p p m ) 阳离子k a ( 误差)质子，c i s n m e 4 + 2 9 6 0 0 ( 6 0 ( ) 0 ) 1 8 4 n e t 4 +3 4 0 0 ( 6 0 0 )c h 3 ，1 1 9 ：c h 2 ，1 1 8 n p r 4 + 3 0 ( 5 ) 1 一c h 3 ，0 4 2 ；2 - c h 2 ，0 4 2 ；3 一c h 2 ，0 4 2 n b m + 2所有的质子， 1 0 4 a c e t y l c h o l i n e 1 0 4 l - c a m i t i n e1 4 0 上述人工受体对季铵离子的识别研究多采用n m r 作为研究的主要手段，但 在实际的应用中如能采用光学的手段则更便利。同时如果能采用生理条件作为检 测时的条件。那么能更好的模拟天然的受体对季铵离子的识别。 a c 嘶l 山l h e 唑“c e 1 。卜撇篁曲枷”fluorescenl-15c o m p l e x 。2 0 1 1 1 e x t p l 图1 - 51 - 1 在0 0 lnk o h m e o h 对乙酰胆碱的识别 9 争由 中山大学硕士学位论文 1 9 9 4 年i n o u y e 等人【1 3 1 首次报道了利用荧光探针，能够非破坏性识别作为神 经传导介质的季铵离子乙酰胆碱( 图1 - 5 ) 。采用的介质是在o 0 1n 的氢氧化 钾水溶液甲醇体系。双酚类杯芳烃1 - 1 在该体系中表现为以稳定的碗状构型存 在阴离子1 2 。1 2 与乙酰胆碱之间依靠阳离子一n 的相互作用、静电作用等实现 对乙酰胆碱的识别。识别过程的检测采用荧光竞争法，使用的荧光探针是芘修饰 的氮烷基化毗啶盐。1 2 与该荧光探针有很强的相互作用，并且能够通过光诱导 电子转移机理淬灭其荧光。当加入乙酰胆碱后，荧光强度又增加，说明部分荧 光探针被乙酰胆碱所取代，1 2 包结了乙酰胆碱。后来的研究发现在该介质中， 乙酰胆碱和该荧光探针都不能稳定存在【1 4 】。不但会发生乙酰胆碱的碱催化甲醇 解，而且芘衍生物荧光指示剂也易发生亲核加成而失效。 1 7 1 8 s 0 3 n a 图1 - 6 乙酰胆碱的人上受体1 - 7 1 - 8 针对该体系所存在的问题，s h i n k a i l l 4 】等利用磺酸类杯芳烃( p s u l f o n a t o c a l i x - - n a r e n e ) 代替i n o u y e 研究中的双酚类杯芳烃( 图1 6 ) 。他们发现磺酸类杯【6 芳 烃l - 8 对乙酰胆碱的识别能力比磺酸类杯【4 】芳烃l - 7 强。他们利用磺酸类杯【6 】 芳烃，在中性水溶液( 水一甲醇) 条件下首次实现了乙酰胆碱的非破坏性发光检 测，但是其识别能力很低( x a = 1 1 7 5m 。1 ，无法同天然乙酰胆碱受体相媲美( 结 合常数在n m 级范围内) 。同时为了抑制荧光探针的聚合，使用了甲醇作为溶剂 之一，这与生理条件是有所区别的。 另外，l i n t l 5 1 等人最新报道了利用八环的磺酸类杯【8 芳烃1 9 构筑人工乙酰胆 碱受体( 图1 7 ) 。由于八环的磺酸类杯【8 】芳烃的空腔较大，能以1 ：2 的比例包结 季铵离子，所以他们采用丹酰氯衍生物荧光探针1 1 0 取代芘类衍生物荧光探针。 但该检测体系在灵敏度和选择性等方面存在有待改进的问题：灵敏度方面，该检 测体系的检测限要求乙酰胆碱的浓度超过1 0 4 m ，大于生物体系中乙酰胆碱的浓 7 中山大学硕士学位论文 度；选择性方面，该检测体系不能区分胆碱和乙酰胆碱，但在生物体系中乙酰胆 碱会被乙酰胆碱酯酶迅速水解为胆碱和乙酸，所以在体内胆碱和乙酰胆碱是大量 共存的。 l ， 1 1 0 图1 - 7 人工受体1 - 9 由上可见，目前国际上所报道的季铵离子类受体存在识别能力低下、非生理 条件或选择性差等缺陷。因此为了更好理解季铵离子等的生物识别机制与功能和 开发季铵离子特别是乙酰胆碱的有效实用检测技术，非常有必要开发生理( 或者 中性水溶液) 条件下对季铵离子类客体分子具有高特异选择性识别能力的人工受 体。考虑到将人工受体做成分子器件，所以更希望可以利用光学的手段对季铵离 子进行检测。 1 4 立题思路 目前研究表明双酚类杯芳烃是一个构筑季铵离子类人工受体比较理想的模 型。这类化合物在强碱性条件下能够较好地识别季铵离子，相比较在中性条件下 这种识别行为就要弱得多。比较这两者的区别得知，双酚类杯芳烃在强碱性条件 下带上四个负电荷，而在中性条件下则不带电荷，正是静电作用增强了双酚类杯 芳烃对季铵离子的识别能力。为此考虑引入基团让双酚类杯芳烃在中性条件下就 能带上负电荷，增强其在中性条件下与季铵离子的静电作用，达到提高识别季铵 离子的目的。 基于此想法，本课题组设计并成功地合成出一种新型的双酚类杯芳烃化合物 1 1 16 1 ：在双酚类杯芳烃的间苯二酚单元上引入一个强的吸电予基团一氰基。结构 如图1 - 8 。氰基作为强吸电子基团，增强双酚类杯芳烃酚羟基的酸性，使得它在 中山大学硕士学位论文魏影 中性的水溶液环境下就能离解。羟基的离解导致双酚类杯芳烃带上负电荷，同时 又增强了电子密度，从而增强其与阳离子之间的阳离子n 作用、疏水作用和静 电作用等，提高对阳离子的识别能力。这些设想被后来的测试工作所证实。 n l 图1 - 8 四氰基双酚类杯芳烃1 的结构式 通过对四氰基双酚类杯芳烃1 的p k a 的测定得知杯芳烃1 在生理条件下就带 上负电荷，而且在生理条件附近随着p h 的增加，其所带的负电荷也不断增加。 这一性质使得杯芳烃1 在生理条件附近不但对乙酰胆碱具有高识别能力，而且这 种识别能力还随着p h 的增加而逐渐增强。另外，采用电喷雾质谱法( e s i m s ) 对 乙酰胆碱、胆碱、四甲铵、四乙铵、四丙铵以及四丁铵等多个季铵阳离子的初步 定性研究显示，杯芳烃1 还能和四丁铵阳离子等大体积的季铵离子形成复合物。 这一结果表明直线形氰基的引入扩展和加深了双酚类杯芳烃的空腔。 本论文拟利用对季铵阳离子具有较强识别性能的双酚类杯芳烃这一构建模 块，构筑具有高特异性识别能力的季铵阳离子人工受体。 第二章阐述利用荧光竞争法定量研究四氰基双酚类杯芳烃对季铵阳离子大 小的选择性识别性能，并利用n m r 获取四氰基双酚类杯芳烃与季铵阳离子所形 成的复合物的结构信息。 第三章论述对季铵阳离子具有多点识别性能的环糊精一双酚类杯芳烃连接体 的初步合成。 中山大学硕上学位论文 第二章 四氰基双酚类杯芳烃对季铵离子的特异性识别 两个或两个以上的化学单元通过分子识别作用形成复合物是超分子化学中 最基本也是最重要的过程之一。它提供了精确的分子识别、有效的信息交换以及 特殊的化学反应。例如，在酶一底物相互作用、抗原一抗体的识别、蛋白质的生 物合成以及其他许多生物体系中，其特殊的识别作用扮演了重要的角色。超分子 化学中的识别现象可以通过很多不同的物理方法进行表征。结合常数的测定是对 这些复合物定量分析的一部分。其中选择性是分子识别作用的重要特征，它是指 主体分子区分客体分子的能力。通常可以用相应复合物的结合常数的比值作为主 体分子区分客体分子相对选择性的判断依据。 测定结合常数的方法有很多，典型的包括光谱法、电化学法、热力学法，其 中光谱法有核磁共振法、荧光光谱法等。核磁共振法通过比较客体与主体混合前 后化学位移的变化，可以反映出两者是否发生作用和结合的方式；通过核磁滴定 法给出两者识别的结合常数。荧光光谱法是通过研究荧光变化量与加入主体或客 体的量之间的关系，得出主、客体相互作用的结合常数。 本文利用荧光竞争法从定量的角度来研究杯芳烃l 在生理条件下对季铵离 子的识别能力，并用核磁共振法获得了所形成的复合物的结构信息。 k 234 图2 - 1 所研究的几种季铵阳离子的结构式 o j 殴 队基 中山大学硕士学位论文 2 1 杯芳烃1 的合成 一蚩：爨i i 一2 - b u t a n 。n ne b r s t b i ! 褥 m e l ，k 2 c 0 3 r e m u x 刨 n 删2 孺 r e f l u x 9 c n 1 图2 - 2 杯芳烃1 的合成路线 r = e t 1 0 1 2 目标化合物四氰基双酚类杯芳烃1 根据文献方法i ，采用图2 - 2 所示的路线 合成。首先间苯二酚和丙醛在酸的催化下缩合得到化合物9 ，接着与n 一溴代3 = - - 酰亚胺反应并用碘甲烷保护酚羟基后，进行r o s e n m u n d - v o nb r o w n 反应，得到 化合物1 2 ，最后用无水碘化锂脱芳香甲醚得到目标化合物1 。 2 2 利用荧光竞争法研究中性条件下杯芳烃1 对季铵阳离子大小 的识别 2 2 1 荧光竞争法的原理和公式 由于乙酰胆碱等季铵阳离子没有紫外吸收和荧光，因此本论文采用 h o u s e oo 洲囊州 吁 砉f x n 一恤瓮 o 叶瑟酐 ojlo 中山大学硕十学位论文 等使用芘的吡啶翁盐8 作为荧光探针的荧光竞争法测定四氰基双酚类杯芳烃对 它们的识别作用。该方法的测试原理如图2 3 所示【1 7 】，包括荧光淬灭和荧光再生 两个过程。荧光探针8 在游离的状态有很强的荧光，当被富电子的杯芳烃1 包结 后，通过光诱导电子转移( p e t ) 机理【1 8 j ，杯芳烃1 的电子向荧光探针8 转移从而 导致其荧光淬灭。此时当乙酰胆碱2 加入到杯芳烃l 与荧光探针8 的混合物中， 与8 竞争杯芳烃1 ，部分的8 因此从杯芳烃1 的包结中解离出来，荧光得以再生。 因此可以通过研究荧光变化量与加入2 的量之间的关系，间接测定出1 对2 的识 别能力。 图2 - 3 荧光竞争法的原理 杯芳烃1 与季铵阳离子3 7 之间的结合常数，利用以下公式进行计算【1 6 】： 口c 】。；( j 云_ 搦+ 1 ) x ( 啤】0 一掣一警) 其中：h c 】。代表季铵离子的初始分析浓度 r 】。代表杯芳烃1 的初始分析浓度 【砂 0 代表荧光探针的初始分析浓度 飞茹 中山大学硕士学位论文 度； ，。代表纯荧光探针的荧光强度 j 。代表荧光探针完全被杯芳烃1 包结后的荧光强度； ，代表在杯芳烃1 与荧光探针的混合溶液中加入季铵离子后体系的荧光强 幺代表杯芳烃1 与季铵离子的结合常数； k j 代表杯芳烃1 与荧光探针的解离常数。 2 2 2 利用荧光竞争法研究杯芳烃1 对季铵阳离子大小的选择性识别 利用上述公式，将附表1 - 5 的数据用o r i g i n 进行非线性拟合得到图2 4 以8 。 瑚、 1 - l 。 。 ：1 “_ 墨i 8 g ，* j 2 1 曲jj 1 ”4 r t t r 1 r r 1 1 t r r 1 f c h o l l n e n l 0 t m 辨1 。1 6 0 j 1 啪1 1 呻j d i i i = f 忑1 i 忑石忑忑飘 咿4 n 旷 圈2 - 4 杯芳烃l 与3 作用的拟合图 图2 - 5 杯芳烃1 与4 作用的拟台图 e t 4 n 1 i o 7 m n * p r 4 n + n i o t m 图2 - 6 杯芳烃1 与5 作用的拟合图 图2 - 7 杯芳烃l 与6 作用的拟合固 i一sc2-t 置一=ui芒l21k 量ic考一s5lls【 中山大学硕l 学位论文 0m 4 0 0 0e o o o o o o om 0 0 1 1 n - s 4 n + i 、i o * ? m 图2 - 8 杯芳烃1 与7 作用的拟合图 由2 - 4 - 2 8 拟合图可知，用上述公式对实验数据进行非线性拟台，相关系数 较好( 均高于o 9 9 ) ，说明实验数据与公式符合的较好，结合常数的可信性较高。 得到的结合常数列于表2 1 。将表2 1 的数据作图得到图2 - 9 。 表2 - 1 杯芳烃1 与各种季铵刚离子作用的结合常数 测试条件：溶液为p h = 7 , 0 的磷酸盐缓冲溶液，【l 】- 8 0 1 0 7m ，i s = 2 o 1 0 m ，室温 下测定，狭缝宽度e x e m = 1 0 n r r d l 0 彻，激发波长4 3 0 n l n ，发射波长5 7 0 n r n 。 舯 帕 m -css2。13【 舯 中山大学硕十学位论文 1 0 8 6 4 2 o 234567 q u 耻e r n a r ya m m o n i u mc a t i o n s 图2 - 9 杯芳烃1 和各种季铵离子作用的结合常数关系图 从表2 1 和图2 9 ，可以得出以下两个结论： 1 、从所测得的结合常数可以看出，杯芳烃1 与测试的六个季铵离子之间有着非 常强的识别作用，其结合常数都在1 0 6m 1 左右，因此可以用杯芳烃1 对这些 季铵离子进行高灵敏度( 1 0 石m ) 检测。 2 、对测定的各种季铵阳离子的识别能力的相对强弱顺序为：6 5 7 4 2 3 。该 结果与e s i - m s 定性测定的结果【1 6 6 】吻合，并反映出杯芳烃1 可以根据分子的 形状大小或者尺寸特征识别这些季铵离子。 3 、杯芳烃1 对四丙基季铵离子6 的识别能力最强，这表明杯芳烃l 作为在中性 水溶液中识别四丙基季铵离子6 的人工受体有着潜在的应用价值。 上述结果可以从四氰基双酚类杯芳烃1 的结构特征得到合理的解释：首先， 与没有氰基取代的双酚类杯芳烃相比，四氰基双酚类杯芳烃1 由于在杯的上缘引 入具有直线型结构特征的氰基，从而扩展了其富电子空腔的范围，以致杯芳烃l 有更大的空间容纳大体积的客体如6 、7 。杯芳烃1 表现出对6 微弱的选择性表 明相比体积稍大的7 和体积略小的5 ，杯芳烃1 的空腔更适合体积适中的6 ，体 现了主、客体之间的空间( 形状大小或尺寸上) 互补。其次，氰基的引入增强了 酚羟基的酸性，以致l 中性条件下可以离解而带上多个负电荷，增大芳环的电子 密度，从而增强杯芳烃1 与季铵离子之间的静电作用和阳离子一作用，提高杯 芳烃1 对这六种季铵离子的识别能力。 中山大学硕上学位论文 魏影 2 3 利用n m r 法研究杯芳烃l 对季铵阳离子的识别 无论是荧光竞争法还是e s i m s ，都只能反映杯芳烃1 对季铵离子的识别能 力的大小，却不能给出有关复合物的结构信息。1 h - n m r 法可以弥补这一点。由 于核磁滴定法只能测定复合物的结合常数小于1 0 4 m 4 1 2 1 ，而杯芳烃1 对乙酰胆 碱的结合常数值超过1 0 5 盯1 ，因此不能采用核磁滴定法去测定杯芳烃1 与季铵 离子的结合常数。 本文通过比较季铵离子与杯芳烃l 混合前后的1 h n m r 图中对应季铵离子 部分的质子化学位移的变化，可以反映出两者是否发生作用，以及结合的方式， 从而给出季铵离子是否进入杯空腔的直接证据。另外，考虑到杯芳烃l 对乙酰胆 碱2 、胆碱3 和四甲基季铵离子4 包结的部位相似，因此选择了结构对称的四甲 基季铵离子4 作为代表，同时选择了半径从d , n 大的季铵离子5 7 ，用以研究杯 芳烃1 对体积大小不同的季铵离子的识别能力。考虑到杯芳烃l 的溶解性，采 用氘代甲醇作溶剂。 2 3 1 四甲基季铵离子4 与杯芳烃1 的相互作用 四甲基季铵离子4 的1 h n m r 图如图2 1 0 所示，图2 1 0 中3 1 9 4 p p m 的单 峰是四甲基季铵离子4 中甲基的质子信号。图2 1 1 则显示了加入杯芳烃1 后的 1 h n m r 图。 图2 1 1 中低场芳香区部分7 2 2 6 p p m 处的单峰是杯芳烃1 中苯环上质子的谱 峰；4 ，2 6 4p p m 处有一组明显的三重峰，对应于杯芳烃1 中连接苯环单元的次甲 基，它受到来自邻位亚甲基的自旋耦合作用而裂分成三重峰。同样的原因，桥上 取代基乙基末端的甲基的吸收峰也裂分为三重峰出现在0 9 4 4p p m ；而亚甲基的 谱线则表现为多重峰出现在2 2 0 9p p m 处。以下测得的杯芳烃1 与季铵离子的 1 h n m r 图中相应位置均代表杯芳烃1 的质子给出的信号，不再作说明。 对比图2 1 0 和图2 1 l ，可以发现当加入杯芳烃1 后，四甲基季铵离子4 的 单峰从3 1 9 4p p m 向高场位移至2 3 1 8 p p m 处。说明杯芳烃1 借助于静电作用、 阳离子一冗等非共价键协同作用来识别4 ，使得4 进入到杯芳烃的空腔中，其质 子受苯环屏蔽效应的影响，移向高场。 中山大学硕士学位论文 魏影 r r r r r r r t ( t 1 ) 7 0 1 1 t t r 6 0 5 0 4 0 3 02 01 0 图2 1 0 四甲基季铵离子4 的1 h n m r 图( c d 3 0 d ) ；9l； 暑聂嚣三 晷詈吾 一一e qh o oc h a 、i 形一7 j ，扩7】一i 舯、；j v o h h z h z c l c a 3 d 0 a n ( c l a 3 ) 4 d a 口 西 c i l，i、投九 p m ( t 1 ) z 0 o o 矗05 04 03 d2 01 00 0 图2 - 1 1 四甲基季铵离子4 与杯芳烃1 以l ：2 混合后的1 h n m r 图( c d 3 0 d ) 1 7 切 中山大学硕士学位论文 2 3 2 四乙基季铵离子5 与杯芳烃1 的相互作用 p p m ( t 1 ) 7 0 6 05 04 03 0 r 1 r 1 r _ 1 00 0 图2 1 2 四乙基季铵离子5 的1 h n m r 图( c d 3 0 d ) o a b n ( c h z c h 3 ) 4 4 、_ 、_ ，二，k _ j _ 毒墨写簧写暮羲薹 忖 n noo 口 曹描g jjj 。i 8 6 。4l l 6 li lj 山l 。，l 二 十ov 1 一o 譬 三器；：苌 一一一一一。- l 一 仰m ( t 1 ) 7 _ 0 6 - 0 5 - 04 m3 , 02 0l 0o 0 图2 - 1 3 四乙基季铵离子5 与杯芳烃1 以1 ：5 混合后的1 h n m r 图( c d 3 0 d ) - 1 8 一葛哥 口nolj少 夏q ， 中山大学硕士学位论文魏影 图2 1 2 中3 2 8 7 p p m 处有一组多重峰，对应于四乙基季铵离子5 中亚甲基： 1 2 9 9 p p m 处的三重峰是5 中的甲基的吸收峰。 通过比较图2 1 2 和图2 1 3 ，可以观察加入杯芳烃1 后，四乙基季铵离子5 的多重峰从3 2 8 7p p m 向高场位移至2 4 1 4p p m 处；1 2 9 9p p m 处的三重峰位移至 高场0 5 2 2p p m 处。这也证实了杯芳烃l 能够识别四乙基季铵离子5 ，5 进入杯 的空腔中，季铵离子中的质子位于苯环的屏蔽区，因而在高场出峰。 2 3 3 四丙基季铵离子6 与杯芳烃1 的相互作用 图2 - 1 4 中四丙基季铵离子6 有三组峰：第一组三重峰在3 1 9 5p p m 处；第 二组多重峰在1 7 2 0p p m 处；第三组三重峰在1 0 2 2p p m 处。分别对应了正丙基 中1 位的亚甲基；2 位的亚甲基和3 位的甲基。 比较图2 1 4 与图2 1 5 ，可以发现加入杯芳烃l 后，四丙基季铵离子6 的三 组峰：第一组三重峰从3 1 9 5p p m 向高场位移至2 8 3 9p p m 处：第二组多重峰由 1 7 2 0 p p m 位移至高场1 3 0 1p p m 处；第三组三重峰从1 0 2 2 p p m 位移至高场o 5 0 3 p p m 处。这些都说明了杯芳烃1 能够识别体积较大的四丙基季铵离子6 。 中山人学硕士学位论文 魏影 o n n ( c h 2 ，。，- ，。- - - - - p l p m ( t 1 ) 7 0 6 d 1 。j 。+ ，一 是逞鼍鸯遣鼙餐 1 ，i 一r t r 一 3 o2 0 图2 1 4 四丙基季铵离子6 的1 h n m r 图( c d 3 0 d ) 6 05 04 93 02 01 00 0 图2 - 1 5 四丙基季铵离子6 与杯芳烃1 以1 ：7 混合后的1 h 。n m r 图( c d ，o d ) 2 0 99hn 兽_ 【n 中山大学硕士学位论文 2 3 4 四丁基季铵离子7 与杯芳烃1 的相互作用 图2 。1 6 四丁基季铵离子7 的1 h - n m r 图中，3 2 4 4p p m 的多重峰是季铵离 子7 中1 位亚甲基的质子信号；1 6 7 3p p m 的多重峰对应2 位亚甲基；1 4 2 7p p m 的多重峰是3 位亚甲基的质子信号；末端的甲基的质子信号出现在1 0 3 8p p m ， 表现为三重峰。 图2 1 7 显示了加入杯芳烃1 后的1 h n m r 图。与图2 - 1 6 对照可以发现当加 入杯芳烃1 后，四丁基季铵离子7 中3 2 4 4p p m 的多重峰向高场位移至3 1 9 3 p p m ；1 6 7 3p p m 的多重峰位移至高场1 6 0 6p p m ；1 4 2 7 p p m 的多重峰位移到高 场1 3 4 1 p p m ( 1 2 9 8p p m 处为杯芳烃l 的杂质峰，因为增加杯芳烃l 的量，其化 学位移值不变) ，1 0 3 8p p m 的三重峰移向高场0 8 8 8p p m 处( 0 9 3 6p p m 处为杯 芳烃1 的甲基峰) 。这些信息都说明杯芳烃1 对体积较大的四丁基季铵离子7 的 识别作用。 中山大学硕l 学位论文魏影 r r 一厂r r 一广r 一 r r 一一 r r 一_ _ 厂1 厂1 r r 一 岬( 1 1 ) 7 j6 os 皿4 皿3 山2 舯i 山0 山 图2 1 6 四丁基季铵离子7 的1 h n m r 图( c d 3 0 d ) p 岬n 1 ) 7 o 6 05 - 04 03 o 2 o1 0o o 图2 - 1 7 四丁基季铵离子7 与杯芳烃1 以1 ：1 混合后的1 h n m r 图( c d 3 0 d ) - 2 2 ， i 一 中山大学硕士学位论文 l 豳严穗 禹鼍墓曼萄焉兰蛊r - 举i篙誊誊暮奏誊鼍 nh n nh _ h阜oo o o o j 2 j 刎_ ，j 夕必u 一一 。h 。2 c _ _ 1 j c h 3 b dn(chzch2ch2ch3)4|id o 4 。 | 1 3 心 d ，1 1 上一一l o 叫l j lul “ 茗若s若蒎 p p m ( t 1 ) 7 0 6 0 5 04 03 02 01 00 0 图2 1 8 四丁基季铵离子7 与杯芳烃1 以1 ：2 混合后的1 h n m r 图( c d 3 0 d ) f h 梅 誉0 备 q q q j v 7 l 邺h 3 6 i u j 餐遥运笺港善謇墨羹 一一。一一亭sds 么主蠡多 一、量 i 丁。一圣一_ i 一罩革罩。墨篓 p p m ( t 1 ) 7 , 0 6 05 0 4 03 02 0i 00 0 图2 - 1 9 四丁基季铵离子7 与杯芳烃i 以1 ：4 混合后的1 h n m r 图( c d 3 0 d ) 通过这三个比例的实验说明：1 2 9 8 p p m 处的峰为杯芳烃1 的杂质峰，0 9 3 6 p p m 处为杯芳烃1 的甲基峰；随着杯芳烃的量的增加，四丁基季铵离子7 更多地 誉t o j =8o一 中山大学碳十学位论文 魏影 进入到杯的空腔内部。 将四丁基季铵离子7 在与杯芳烃1 作用前后的核磁信息列表如下： 表2 - 2 四丁基季铵离子7 与杯芳烃1 混合前后各种质子的化学位移变化值 由表2 2 数据可见，随着杯芳烃1 与四丁基季铵离子7 的比例的增加，相应 于每个质子的化学位移的变化是逐渐增大的。并且随着与中心氮原子的距离越来 越大，质子化学位移的变化量也是增大的。被包结的季铵离子化学位移变化量的 大小顺序，则表明四丁基季铵离子7 中的甲基端位于杯空腔内部，而氮下离子 处于杯的上方。 以上各种季铵离子与杯芳烃作用的1 hn m r 数据归纳列表如表2 - 3 ： 表2 3 各种季铵离子与杯芳烃1 混台前后各质子的化学位移变化值 中山大学硕士学位论文 通过对比各季铵离子与杯芳烃1 混合前后的氢核磁共振数据的变化( 表 2 3 ) ，可以发现杯芳烃1 与季铵离子4 、5 、6 、7 作用后，季铵离子的质子由于 进入芳香环的屏蔽区，其质子信号均移向高场，这表明季铵离子进入到杯的空腔， 杯的空腔为质子屏蔽区，季铵离子的质子位于空腔中而呈现大的化学位移交化。 另外在6 、7 与杯芳烃1 识别的过程中，随着质子距离中心氮原子距离的增 加，化学位移的变化是逐渐增大的。这表明6 、7 的烷基链深深的插入到杯的空 腔内部，尤其是末端的甲基，完全被包围在空腔中，受到的屏蔽效应最大，表现 在化学位移的变化上，变化量也是最大的；季铵离子的氮正离子则处于杯的上方。 上述核磁测试结果不仅说明杯芳烃1 能够识别这些季铵离子；而且还给出了 它们的结合方式。 2 4 实验部分 2 4 1 仪器和试剂 荧光分光光度计：j a p a ns h i m a d z ur f - 5 3 0 1 p cs p e c t r o n u o r o p h o t o m e t e r p h 计：o r i o nm o d e l7 2 0 a 实验所用试剂，均为市售分析纯试剂，除特别说明，所用试剂均未加处理直 接使用。 2 4 2 荧光探针的合成【1 4 】 将1 - 芘甲醛( 5 0m g ，0 2m m 0 1 ) 溶解于四氢呋喃( 2m l ) 中，再加入碘化1 ，4 - 二 甲基吡啶( 5 0m g ，0 2m m 0 1 ) l 拘甲醇溶液和六氢吡啶( 1 0 0u l ) 。该反应混合物于室温 下搅拌8 h 后，有大量沉淀析出。过滤后，所得沉淀经干燥，甲醇重结晶得到纯 n 钴( 2 3m g ，2 3 ) 。 2 4 3 四氰基双酚类杯芳烃1 的合成 2 4 。3 1 2 ，8 ，】虫2 0 一四乙基f 】9 3 ，1 ，1 3 , 7 1 9 11 5 , 1 9 】二十八碳一1 ( 2 5 ) ，3 ，5 ，7 (