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基于吡啶n 氧化物的准轮烷及其分子机器的研究 摘要 基于吡啶n 一氧化物的准轮烷及其分子机器的研究 专业：有机化学申请人：陈木娟导师：蒋腊生教授 分子机器的合成及性能研究是当前科学研究的热点之一，但基于吡啶n 一氧化物 的分子机器至今没见文献报道。本课题组根据分子识别的原理，设计了以吡啶n 一氧 化物为客体分子，酰胺大环分子为主体分子，研究这两种化合物之间的组装行为及 其形成的超分子体系的结构与性质。 在本文之前，本课题组已经通过核磁以及质谱技术初步证明吡啶n 氧化物与酰 胺大环分子之间有明显的相互作用，但两者的作用方式，作用强弱以及分子组装的 方式，组装体的结构与性质都没有确切证明。本文在原有研究的基础上，通过对主 客体分子结构进行修饰和改造，重新设计了两种新的吡啶n 氧化物以及三种新的酰 胺大环，通过核磁氢谱，核磁滴定以及电喷雾质谱等实验技术系统地研究了吡啶n 氧化物与酰胺大环分子之间的相互作用，探究两者的组装方式。通过单晶结构分析 证实二酰胺基取代的吡啶n 氧化物与酰胺大环分子之间形成【2 】准轮烷的超分子结 构，并进一步研究了基于吡啶n 氧化物组装形成的【2 】准轮烷分子能否成为可控的分 子机器。实验结果证实，在酸碱反应调控下，多个【2 】准轮烷分子能够发生可逆的解 离与重装，形成酸碱控制的分子机器。 本文的研究主要包括以下四个部分t 一、合成了四种酰胺大环分子1 ，2 ，3 ，4 以及三种吡啶n 氧化物5 ，6 ，7 ( 图i ) ， 其中酰胺大环2 ，3 ，4 和吡啶n 氧化物5 ，6 为新的化合物，通过1 hn m r 、玎c n m r 、e s i m s 、h r e s i m s 进行了结构表征，并获得了4 的单晶结构。 基于吡啶n 氧化物的准轮烷及其分子机器的研究 f o o o l 、o 3 0 r 筠 吣人从妒 r ，n hh n 、 b囟 o 三 l 、o 2 557 图i 主客体分子 二、利用不同的手段研究了毗啶n 氧化物5 ，6 ，7 与二酰胺大环分子之间的作用方 式，作用强弱以及组装方式。 ( 1 ) 通过核磁氢谱初步研究了等摩尔的吡啶n 氧化物与酰胺大环分子在氘代 溶剂中的组装行为。实验表明，在d m s o d 6 中吡啶n 氧化物与酰胺大环分 子之间没有相互作用，而在c d c l 3 中吡啶n 氧化物与酰胺大环分子存在了较 强的相互作用。 ( 2 ) 通过核磁滴定测定了吡啶n 氧化物与酰胺大环分子在混合溶剂 c d 3 0 d c d c l 3 ( v v = 1 ：3 ) 的络合常数。二酰胺取代的吡啶n 氧化物与大环分 子的络合常数，最大的达1 0 4 m ；二酯基取代的吡啶n 氧化物与大环分子的 络合常数就小得i i 多( c d 。 a n 、h ，、h ，n ，x 、 a ：x = c i b ：x = b r c ：x = l d ：x = p f 0 b 图1 1 2 以阴离子为模板合成的轮烷 2 0 0 2 年【2 2 1 ，他们利用c l i p p i n g 方法，以c l 为模板合成轮烷分子( 图1 1 3 ) 。 相对于f r i t zv 6 9 t l e 小组报道的以酚氧负离子作为模板，诱捕具有特定结构的亲 电试剂，使之与酚氧负离子反应生成轮烷分子的方法，d e e r 小组以c 1 离子为阴 离子模板合成轮烷分子更具有潜在的应用价值。因为前者酚氧负离子只存在合成 的过程中，一旦反应完成，负离子就不存在了，对分子的构建不再起作用。而后 者即使生成轮烷分子后，作为合成模板的阴离子依然存在，为重新改变轮烷分子 受 每 基于吡啶n 氧化物的准轮烷及其分子机器的研究 的构象提供了可能性。 o 一 闭环 ，、 阴离子识别 图1 1 3a ) 以阴离子为模板合成的【2 】准轮烷，b ) c l i p p i n g 合成【2 】轮烷分子 2 0 0 4 年【2 3 1 ，他们又成功以c l 离子( 产率4 5 ) ，和b r 离子( 6 ) 为模板， 利用末端烯烃发生复分解反应的闭环技术，合成了多个【2 】索烃【3 】索烃分子，但 是以i 。和p f 6 。为模板却没能成功合成出相应的索烃分子，进一步证明了对阴离子 具有不同强弱的识别作用，也就是说不同阴离子作为模板在合成准轮烷，轮烷， 索烃分子时起的作用不同。 由于分子间氢键的相互作用力具有动态可逆的特点，对外部环境的刺激具有 独特的响应特性，所以以氢键组装的超分子体系在建构分子穿梭机，分子开关等 。 分子机器有广泛的应用【2 4 】。 c l a i r em k e a v e n e y 等【2 5 】报道了通过改变体系酸碱性引发酰胺大环分子在 线形分子上穿梭，形成一个具有双稳态结构的分子穿梭机( 图1 1 4 ) 。线形分子 一端是一个琥珀酰胺基团，不论是从几何结构还是电荷排布结构看，琥珀酰胺基 团都与对称酰胺大环分子( 图1 1 4 ，蓝色) 很好地吻合，形成两处强的氢键作用。 线形分子的另一端包含了一个酚羟基。核磁共振技术展示，在中型条件下，无论 是在非极性溶剂还是极性溶剂c d 3 c n ，d m f - d 6 中，酰胺大环分子优先与琥珀酰 胺基团键合。当往体系中加入碱使酚羟基去质子化，酰胺大环分子就从琥珀酰胺 基团移动到酚氧负离子处，形成新的n h 0 氢键。当体系中加入酸酚氧负离子 1 2 基于吡啶n 氧化物的准轮烷及其分子机器的研究 被重新质子化，酰胺大环分子又移回到原来优先键合的位点。该轮烷分子就是利 用了酰胺分子能够键合酚氧负离子的特性，通过酸碱变化控制，建构具有双稳态 的分子穿梭机。此外，他们还研究了不同极性的溶剂对酰胺大环分子识别位点影 响，在d m f - d 6 ，c d 3 c n ，c d 3 0 d 中，酰胺大环分子对酚氧负离子有更强的识 别能力，而在c d c l 3 ，c d 2 c 1 2 则不然。这与一般情况相反，通常氢键的作用在非 极性溶剂中更强，在极性溶剂中会被减弱，这也解析了在极性溶剂中酰胺大环与 琥珀酰胺键的作用减弱，而促使酰胺大环对酚氧负离子识别键合能力增强。 o 即丫 p h 毯冬o hp h n v 人p h h甲h n v 人p h 1 3 3 酰胺大环分子识别中性分子 由于酰胺键既能作为氢键作用的供体( n h ) 和又能作为受体( c o ) ，所 以酰胺大环分除了能与多种阴离子形成氢键，还能与其他有酰胺键结构的中性分 子形成氢键，如图1 1 4 所示的琥珀酰胺基团与对称的酰胺大环分子就有两个氢 键键合的位点。所以酰胺大环能够识别一些中性分子，引导分子发生组装行为， 合成超分子体系。由酰胺大环分子构建的轮烷，索烃分子，一般是基于分子结构 具有互补性以及羰基氧与酰胺氢形成氢键作用构建而成的。1 9 9 2 年，f r i t zv 6 9 t l e 等【2 6 1 报道了在合成酰胺大环( 图1 1 5 ，1 1 1 ) 的同时得n t 该酰胺大环的索烃分 子( 图1 1 5 ，1 1 0 ) ，开创了一步法合成索烃分子，该方法最大的特点之一就是 不需要外加模板，酰胺键与酰胺键之间识别组装。之后f r i t zv 6 9 t l c 小组和d a v i d 基于吡啶n 氧化物的准轮烷及其分子机器的研究 ： a k i 曲小组分别通过理论计算和实验展示了基于酰胺结构的大环分子在合成 轮烷，索烃以及分子结方面都有很好的可彳亍性吲。一 图1 1 5 一步法合成酰胺索烃 1 1 1 o 错3 由于一分子的酰胺键能够识别另一分子的酰胺键，含有酰胺键结构的线形分 子在氢键作用的驱动下穿过酰胺大环，形成的准轮烷分子常作为模板合成轮烷分 子( 图1 1 6 ，a ) 。这种合成轮烷分子的方法称为穿线封端法( t h r e a d i n g ) ，与之前 介绍的以酚氧负离子为模板的诱捕法( t r a p p i n g ) 不一样，酚氧负离子与亲电试剂反 应前，线形分子并没有穿过大环分子，仅在环外与大环分子作用。另一种常用于 合成轮烷分子的方法是c l i p p i n g ( 图1 1 6 ，b ) 2 8 】，以含有酰胺键结构的分子作 为线形分子，“碎片 围绕酰胺键( 定点) 发生成环反应，从而生成轮烷分子。 以下介绍的超分子体系均按此两种方法合成。 a 1 4 b v 桃 甲厶6 基手吡啶n 氧化物的准轮烷及其分子机器的研究 图1 1 6 幻以酰胺大环作为模板合成轮烷( t h r c a d i n g ) ：b ) c l i p p i n g 法合成轮烷分子 2 0 0 3 年，d a v i dak i 曲等【2 9 】用c l i p p i n g 方法合成了一个以足球烯( c 6 0 ) 为塞子的光敏性轮烷型分子穿梭机( 图1 1 7 ，a ) 。c 6 0 分子体积大本身可以作 为轮烷塞子，且电荷密度大，光敏性强，给合成电驱动或者光驱动轮烷型分子机 器提供了潜在的可能。在非极性溶剂c d c l 3 ，c d 2 c 1 2 中，对称的酰胺大环在二肽 键位点上靠近c 6 0 ，当体系溶剂为d m s o 时，大环分子就移动到脂肪族链上远 离了c 6 0 。这两种状态的轮烷分子的荧光效率相对f u l l e r o p y r r o l i d i n e 区别都不大。 但是这两种状态下，c 6 0 的三重态光谱影响就有很大的不同。相对 f u l l e r o p y r r o l i d i n e ，在d m s o 中，c 6 0 的三重态光谱变化不大，在c d 2 c 1 2 由于酰 胺大环靠近c 6 0 或者是受氢键的诱导效应，c 6 0 的三重态光谱有很大的不同。 2 0 0 8 年，w e i d o n gz h o u 掣3 0 1 利用t h r e a d i n g 方法合成了一个也是用改变溶剂环境 控制分子移动的轮烷型分子穿梭机( 图1 1 7 ，b ) 。 基于吡啶n 氧化物的准轮烷及其分子机器的研究 图1 1 7 溶剂环境改变驱动的分子机器 2 0 0 6 年，d a v i da l e i g h 等【3 1 1 报道用t h r e a d i n g 封端方法合成了一个含有两 个识别点的 2 】轮烷( 图1 1 8 ) 。在【2 】轮烷中，通过酸碱变化来控制大环分子与线 形分子的结合位置。中性条件下，酰胺酰胺之间的氢键作用使酰胺大环位于二 肽位置，当线形分子被质子化后，醚链与铵正离子的相互作用占主导地位，酰胺 大环移向铵正离子，从而形成了酸碱控制的轮烷型分子梭。 n h 八oq 兮。乓琴7 1 二o 图1 1 8 酸碱变化控制的分子穿梭机 1 6 基于吡啶n 氧化物的准轮烷及其分子机器的研究 酰胺大环除了识别含酰胺键的中性分子，还识别具有“y ”构型的碳酰二胺 结构的分子。2 0 0 7 年，s h e n g h s i e nc h i u 掣3 2 l 报道一个以羧酸根阴离子为驱动剂 的分子穿梭机( 图1 1 9 ) 。同样他们利用的是t h r e a d i n g 封端方法，酰胺大环与尿 素分子通过分子间的氢键作用组装成一个准轮烷分子，然后通过醇羟基与异氰酸 反应封端，得到轮烷分子。在轮烷的c d c l 3 c d 3 c n ( 1 ：1 ) 溶液中加入过量的四甲 基羧酸铵( t m a a ) ，由于尿素分子与羧酸根的键合能力比酰胺大环强，迫使酰 胺大环移动到线形分子的另一端，当加入钠盐使羧酸根从溶液中沉淀出来，酰胺 大环又恢复到原来的位置，实现了酰胺大环的左右往返运动，与1 2 2 所示的阴 离子识别的轮烷不一样，该轮烷分子完全是靠外界提供的阴离子作为驱动剂实现 机械运动。由于羧酸根离子以及尿素物具有重要的生理学意义，所以这种新的分 子识别体系可以被采用到开发新的分子机器，生物传感器或者生物探测器。 图1 1 9 羧酸根阴离子驱动的分子穿梭机 前面介绍的是基于酰胺大环分子识别中性分子合成的分子机器，部分分子机 器为了实现机械运动运用了相应的化学反应变化。然而分子机器最理想的驱动能 源是光和电，因为光，电驱动运行的体系不会产生残余物( 化学反应总是有产物 生成) 而且相对于改变体系溶剂环境来驱动分子机器运行他们具有更好的操作 性。所以科学家一直对合成光电驱动的分子机器非常感兴趣【1 j o 基于吡啶n 氧化物的准轮烷及其分子机器的研究 2 0 0 3 年，g i o v a n n ib o t t a r i 等【3 3 l 报道了首例基于酰胺大环分子的光驱动的具 有手性性质的分子穿梭机( 图1 2 0 ) 。线形分子的一端是富马酰胺键，另一端是 由一分子甘氨酸与一分子亮氨酸缩合得到的肽键。当富马酰胺键处于反式结构 ( e 1 ) 时，对称的酰胺大环优先与富马酰胺键形成两个位点的氢键。当用2 5 4n l n 光照射e 1 的c h 2 c 1 2 体系2 0m i n ，就有5 6 的e 1 转化为z 1 。在2 5 4 n m 光的 作用下，反式的富马酸根转化为顺式的马来酸根( z - 1 ) ，由于马来酸根的原子排 布更容易形成分子内的氢键作用，对称的酰胺大环被迫使移动到线形分子的另一 端，与二肽键重新组装得到第二种状态的轮烷。在b r 2 的催化作用下用4 0 0 6 7 0n n l 照射z 1 的c h 2 c 1 2 ， 9 5 的z 1 会转化回e 1 ，所以实现了光驱动的轮烷型分子 穿梭机。当酰胺大环处于二肽键的位置，z 1 的手性性质在圆二色谱图上显示了 强的信号，相当于是一个手性响应器加强了二肽的手性环境。这一特征可被利用 在不对称合成化学上。 h 曰 蓬1 - , v1 人吖阳 ”0 p h l 气 2 绷n 拼佣m p h 少孙 o v n 二，姒h n 图1 2 0 光驱动的分子穿梭机 2 0 0 3 年，d a v i d a l e i g h 等【3 4 】报道了一个通过电化学驱动的分子机器。在中 性条件下，酰胺大环优先与丁二酰胺结合。通过循环伏安法对对上述分子的四氢 呋喃溶液进行研究发现，当对体系进行还原时，线形分子的另一端萘酰亚胺得到 一个电子，形成氢键的能力大大加强，酰胺大环分子就从丁二酰胺滑动到萘酰亚 胺的酰胺键上形成新的氢键。当体系进行氧化时，萘酰亚胺失去电子，酰胺大环 基于吡啶n 氧化物的准轮烷及其分子机器的研究 重新回到原来的位置，与丁二酰胺结合，实现分子机器的往返运动( 图1 2 1 ) 。 图1 2 l 电化学驱动的分子穿梭机 2 0 0 8 年，g i u l i af i o r a v a n t i 等【3 5 】报道了一个电化学控制的具有三种状态分子 穿梭机。他们利用循环伏安法证明了酰胺大环在线形分子的两个位点往返移动。 为了改进分子机器的性能，加大其应用价值，使分子机器在溶液中显现的一 些特性，如大环分子在线形分子上做水平移动等，能够在固体状态下实现，那么 把单个轮烷分聚合为的高分子，无疑给开发智能分子材料和简化操作分子机器带 来了新的思路。 2 0 0 3 年，t i m o t h yj k i d d 掣3 6 】报道了系列以酰胺大环为主体分子的轮烷型聚 合物( 图1 2 2 ) ，网状型的轮烷聚合物a ，侧连轮烷型的聚合物b ，和主连轮烷型 的聚合物c 。单体以富马酰胺键为酰胺大环的定位点，以己内酰胺异氰酸酯为塞 子同时作为轮烷间的键合位点( 图1 2 2 ) 形成聚合物。该方法简单且适应性好， 可以用于构建多种类型的轮烷型聚合物。 1 9 基于吡啶n 氧化物的准轮烷及其分子机器的研究 图1 2 2 轮烷聚合物 1 4 吡啶n 氧化物简介 吡啶n 一氧化物的n o 键具有独特的性质，可以作为富电子的配体，与金属 离子形成配位化合物，又可以与其他分子形成氢键，而且许多吡啶n 氧化物的 物具有生物活性，在医药学发展方面有重要的意义【3 7 1 。 ： 1 4 1 吡啶n 氧化物在合成化学上的应用 吡啶衍生物是合成医药品和功能材料的重要中间体。然而由于吡啶衍生物的 基于吡啶n 氧化物的准轮烷及其分子机器的研究 反应活性低，常常需要把吡啶衍生物进行初步的修饰来提高反应活性，如卤代或 者甲基化。尽管在某些反应中用一些过渡金属的络合物作催化剂，使吡啶环发生 官能团化是可行的，但只是针对的少数的反应，而且反应条件很苛刻【3 8 j 。然而吡 啶n 氧化物的吡啶环却容易官能团化，而且吡啶氧化物有较好的定位性能，因 此吡啶n 氧化物可以作为中间体，合成多种化合物，同时它还可以作为保护基 团，反应之后很容易通过还原反应去掉氧原子。图1 2 3 ，在温和的条件下，吡啶 n 氧化物1 1 2 与含炔基化合物1 1 3 在催化剂作用下，使吡啶环的c 2 位点烯基 化生成1 1 4 1 3 9 1 。 1 1 2 0 1 0 m 删 + p r 罴熹一p r ，1 1 5 m m 哟 ! 1 3 队鼾 燃黼嘲隅嗽；曲雒o 刚) 7 拍懈磁；褥 t o 鼬s r j 3 5 c 1 5 h p c 2 鼬 幻籼醐魏研l1 5 翩 似， r w 甜 图1 2 3 吡啶n 氧化物作为中间体使吡啶环官能团化 图1 2 4 ，化合物1 1 5 是p 3 8m a p 活化酶抑制剂，在治疗风湿性关节炎和牛 皮癣等病有潜在效能。在合成该物质涉及了多步反应且反应选择性差，副产物较 多。2 0 0 6 年【删，m e r c k 研究室开发了一条新的合成线路，以吡啶n 氧化物为中 间体来合成目标产物，此合成路线不仅缩短了反应的步骤，而且提高了反应的选 择性。在格氏试剂发生过亲电加成反应的过程，吡啶n 氧化物在起了良好的定 位作用，使格氏试剂选择了吡啶环的c 2 位上进攻，使反应向目标产物1 1 5 的合 成方向进行，最后通过简单的去氧化反应得到化合物1 1 5 。 2 1 基于吡啶n 氧化物的准轮烷及其分子机器的研究 图1 2 4 吡啶n 氧化物作为中间体合成具有生物活性分子 吡啶n 氧化物在合成化学上的应用，除了作为中间体，还常用作不对称合 成的催化剂【4 1 1 。 1 4 2 金属配合物 吡啶n 氧化物及其衍生物能与多种金属离子配位形成配位化合物。 吡啶n 氧化物( c 5 h 5 n o ) 常与二价金属离子m g “，f e “，c o “，n i “，c u 2 + 和z n 2 + 等形成【m ( c 5 h 5 n 0 ) 6 i x ：结构的配位化合物( x f c 1 0 4 。，b r o s 。，i 等) 。尤 其在一些配位能力弱的离子溶液中吡啶n 氧化物与某些金属离子趋向于形成最 大配位数络合物，这些络合物在空间排布上显示了新颖的结构和奇特的磁化学性 质【4 2 】，或者与其他配体和过渡金属离子形成“c o c r y s t a l 聚合物【4 3 1 。吡啶n 氧 化物通常是以n o 键与金属离子络合，当然也有例外的。2 0 0 5 年，j a i m e a p o o l 等【删报道了首例以吡啶n 氧化物吡啶环上的c h 键与铀( ) ，钍( i v ) 配位 ( 图1 2 5 ) 的配位化合物。在二烷基配位的铀络合物( c s m e s ) 2 u 2 r 2 的甲苯溶液中 按1 ：1 加入吡啶n 氧化物，最终得到 7 0 的重新配位的铀络合物1 1 6 b 。 基于吡啶n 氧化物的准轮烷及其分子机器的研究 6 亨t o l u e n e 翩* uf i 1 1 t 1 i 1 ，i r 。翎j 狮，a 材壤御 图1 2 5 吡啶n 氧化物与铀，钍配位 ： ： 吡啶n 氧化物的衍生物也常作过渡金属离子的配体【4 2 4 5 1 。图1 2 6 【矧，2 , 6 二羧酸吡啶n - 氧化物1 1 8 ，在配体1 1 9 ，1 2 0 ，4 ，4 - 联吡啶( b p y ) 的辅助下与 金属离子z n 2 + ，c d 2 i 配位形成多个具有不同结构的络合物，一维螺旋结构的 【z n ( p d c o ) ( h 2 0 ) 2 】n 、二维砖砌式结构 z n 2 ( p d c o ) 2 ( b p y ) 2 ( h 2 0 ) 3 h 2 0 ”二维交 叉缝式i 均 z n ( p d c o ) ( b i x ) nf f l z n ( p d c o ) ( b b i ) 0 5 h 2 0 n ，以及三维多孔结构的 【c d ( p d c o ) ( b i x ) l 5 1 5 h 2 0 n ( 1 2 1 ) 等等。 1 1 8 p d c o 1 1 9 b i x 1 2 0 b b i 图1 2 6 吡啶氮氧衍生物与c d 2 + 配位 基于吡啶n 氧化物的准轮烷及其分子机器的研究 1 4 3 分子识别 氢键作用是小分子之间相互识别组装成超分子最直接和最有效的非共价键 作用力。s h y a m a p r o s a dg o s w a m i 等【4 7 】设计了一个能够识别脂肪酸小分子的吡啶 n 氧化物( 图1 2 7 ，1 2 2 ) ，分子1 2 2 含有两个酰胺键，其中一个连着吡啶环 ( p y n h ) ，另一个连着氮氧化吡啶环( p y o n h ) 。通过核磁，质谱以及多个对 比实验发现，吡啶n 氧化物对分子识别脂肪酸有抑制作用，p y n i - i 能够与羧酸 根形成分子间的氢键作用( 图1 2 7 ，a ) ，p v 0 n i - i 没有与羧酸根形成氢键作用， 而是两分子间的p y 0 n i t 形成氢键( 图1 2 7 方框部分儿文献报道，无论是在 核磁，质谱数据还是单晶衍射分析，都表明吡啶n 氧化物能够形成二聚合体。 实验结果分析吡啶n 氧化物1 2 2 在固，气态还是溶液状态都存在分子间的自组 装行为，n o 键作为识别点与另一分子紧连着氮氧化吡啶环的酰胺氢形成氢键。 q 警k 弘擎取 矗 蠡 函 图1 2 7 吡啶n 氧化物之间的识别作用，a ) 1 2 2 与己二酸组装，b ) 1 2 2 与丙酸 组装 吡啶n 氧化物的衍生物除了发生分子间的自组装还能与其他小分子识别， 如4 甲氧基2 ，6 二氯苯酬4 羽，高氯酸【4 9 1 ，含酰胺键结构的小分子( 图1 2 8 ) s o l 等，形成“c o c r y s t a l 。 i v a nh u c 等人还报道了以吡啶n 氧化物为结构单元， 吡啶n o 键为识别位点，合成双螺旋结构的分子体系【5 1 】。 基于吡啶n 氧化物的准轮烷及其分子机器的研究 森齐嗨百晦 p v z n o a 螨帕 l i b a m 饿 o - c 睁 瞄嘲o 图1 2 8 上，酰胺化合物；下，吡啶n 氧化物衍生物 2 0 0 9 年，b c g o n av c r d c j o 掣5 2 】报道了首例以水溶性的杯【4 】烷基吡咯( 图1 2 9 ， 1 2 3 ) 为受体，识别吡碇n - 氧化物( 图1 2 9 ，1 2 4 ) 。通过核磁滴定或紫外滴定 测得吡啶n 氧化物与杯【4 】烷基吡咯之间的络合常数，在d 2 0 和c d 3 c n 中都达 到1 0 3 1 0 4 m ，显示了两者间很强的识别能力和键合能力。4 个吡咯环的n h 键 为吡啶n o 键提供了良好的识别位点，同时1 2 3 与1 2 4 之间还存在堆积， c h 键以及疏水作用等非共价键，所以1 2 3 与1 2 4 形成的络合物有良好的热 力学稳定性和动力学稳定性。 r 1 r 1 = c h d h d c 0 2 h 。1 2 3 b r 1 = c h 2 c 0 2 m e 。1 2 3 a r 1 = h 1 2 3 r 1 = c h d h d ( c h 2 ) 2 n h 2 1 2 3 c 他4 b i o e 图1 2 9 杯【4 】烷基吡咯识别吡啶n 一氧化物 上述报道都是关于吡啶n 氧化物作为金属配体，有机合成中间体或催化剂 ： 2 5 弘向t 一天y 醪0立 缫镶 基于吡啶n 氧化物的准轮烷及其分子机器的研究 以及分子识别等方面的研究。纵观国内外文献，却没见吡啶n 氧化物被应用于 超分子化学的研究。 1 5 本文的研究内容及意义 1 5 1 研究内容 吡啶n 氧化物的n o 键由于氧原子的电负性比n 原子大，n 原子上的孤对 电子偏向o 原子，使得o 原子的电荷密度增大，能够与多种质子供体形成氢键 作用。本课题组已经通过核磁共振氢谱以及质谱证明，吡啶n 氧化物( 图1 3 0 ， 7 , 8 ，9 ) 与含酰胺键结构以及醚链结构的大环( 图1 3 0 ，l ，l a ) 在c d c l 3 溶液能 够相互识别组装，但由于没得到大环化合物1 、1 a 与吡啶n 氧化物7 9 组装的 单晶，只能推测两者的组装行为可能存在两种模式，一种是吡啶n 氧化物穿过 大环分子形成准轮烷，另一种模式是吡啶n 氧化物没有穿过大环分子的空腔， 在环外与大环分子通过n h o ( 1 叼氢键识别组装。 图1 3 0 w。_ r v s 一 o 凡 ，9 7 o 叠 矿w 为了确定吡啶n 氧化物与酰胺大环的组装行为，同时证实吡啶n 氧化物能 够成为一种新的有效的合成超分子体系的模板，本课题组设计了三种新的酰胺大 环化合物( 囹1 3 1 ：2 、3 、4 ) 和两种新的吡啶n 氧化物( 图1 3 1 ，5 、6 ) ，。期 望他们在分子大小以及空间结构上更加匹配，从而有利于构建准轮烷分子，并拟 研究以下几个方面的内容： e 1 通过核磁研究吡啶n 氧化物与酰胺大环化合物的作用方式以及组装特 点。 2 通过核磁研究酰胺大环空腔的大小对络合吡啶n 埠e 化物的能力的影响。 3 通过核磁研究不同结构的酰胺大环对络合吡啶n 氧化物的能力的影响。 4 通过核磁研究不同取代的吡啶n 氧化物对络合相同酰胺大环分子的能 力的影响。 5 由于吡啶n 氧化物和酰胺大环在c d c l 3 溶剂中的溶解性都很差，所以本 课题组用吡啶n 氧化物与大环分子都能在其中溶解的混合氘代试剂作 溶剂，重新测定吡啶n 氧化物与酰胺大环的络合常数，研究两者络合的 强弱。 6 利用质谱测定吡啶n 氧化物与酰胺大环分子络合的化学计量比，进一步 研究两者的组装方式。 7 培养吡啶n 氧化物与酰胺大环分子形成络合物的单晶。解析单晶结构最 _ - ： 2 7 基于吡啶n 氧化物的准轮烷及其分子机器的研究 终确定吡啶n 氧化物与酰胺大环分子的作用方式以及组装方式。 8 如果吡啶n 氧化物与酰胺大环分子的组装方式如设想一般，吡啶n 氧化 物作为线形分子穿过大环分子的空腔形成准【2 】轮烷的结构，那么根据吡 啶n - 氧化物的结构特点，我们希望通过酸碱反应，建构酸碱控制的【2 】 准轮烷型的分子机器( 图1 3 2 ) 。 。a 。 r ，n h h n 、 中审+ l v n 。a 。 一瓣晋 潍剡n 图1 3 2 酸碱控制的分子机器 1 5 2 研究意义 ： 准轮烷分子是由大环化合物与线形分子组成( 图1 4 ，a ) ，常作为合成轮烷， 索烃分子的前体，但与后两者相比准轮烷分子中的大环化合物和线形化合物更 “自由 ，只要破坏它们之间的非共价键作用力，大环化合物与线形化合物必然 会产生相对的机械运动，所以准轮烷似乎更适于设计分子机器【5 3 1 。近二十年，已 经有很多模板被开发用来合成准轮烷型分子机器，如4 ，4 联吡啶【5 4 】，二级胺正 离子【5 5 1 ，四硫富瓦烯【5 6 】等，但本课题组设计的吡啶n 氧化物却从来没有见报道 被应用在合成超分子体系的研究上。我们从设计准轮烷型的分子机器入手，研究 毗啶n 氧化物作为一种新的客体分子，通过多重氢键和兀吨堆积作用等非共价键 作用下，与二酰胺大环分子识别、组装，形成【2 】准轮烷型的超分子体系；根据 吡啶n 氧化物的结构特征，利用酸碱反应控制【2 】准轮烷分子发生解离与重组装 过程，实现分子机器的运转。如果设计成功，我们无疑开创了一种新的模版，为 设计和合成新的超分子体系提供了新的思路和领域，同时为进一步开拓新型的功 能材料奠定基础，希望在医学、生物科学和信息科学等方面得到应用。 叩珥川 p冷ox h 妒 、= ( h u 一沁 基于吡啶n 氧化物的准轮烷及其分子机器的研究 第二章酰胺大环化合物的合成 2 1 引言 在超分子化学研究中，常见的主体大环分子有环糊精，冠醚，酰胺大环，杯 芳烃，葫芦脲等具有空腔结构的分子。不同的大环分子具有不同的结构特点，在 分子识别以及分子组装方面也有不同的特性【5 7 1 。由于不对称酰胺大环，具有二酰 胺键，二苯环以及醚链结构，提供了氢键作用点( 酰胺键n h o ，醚链c 。h o ) ， 和兀一兀堆积作用点，与本课题组设计的新型模板分子吡啶n 氧化物有良好对 应作用点。所以为了研究吡啶n 氧化物在超分子化学上的特性，我们选择了酰 胺大环作为主体分子。酰胺大环在超分子化学研究领域上的多样性，在1 2 节已 作详细介绍。 。一 2 2 实验部分 2 2 1 主要试剂和仪器 由于某些反应要求在无水无氧状态下进行，所以实验过程中的乙腈，四氢呋 喃，二氯甲烷都经过无水无氧处理。 ( 1 ) 主要试剂 三甘醇 四甘醇 对甲苯磺酰氯 对氰基苯酚 3 5 吡啶二甲酸 四氢铝锂 三乙胺 d k 垤 碳酸钾 硫酸镁 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 aj o h n s o nm a t t h e yc o m p a n y aj o h n s o nm a t t h c yc o m p a n y aj o h n s o nm a t t h e yc o m p a n y aj o h n s o nm a t t h e yc o m p a n y 山东恒化科技有限公司 国药集团化学试剂有限公司 天津市大茂化学试剂厂 aj o h n s o nm a t t h e yc o m p a n y 天津市福晨化学试剂厂 天津市大茂化学试剂厂 吡啶n 氧化物的准轮烷及其分子机器的研究 碘 ( 2 ) 主要仪器 7 9 1 加热磁力搅拌器 调压变压器 旋片式真空泵 低温恒温反应槽 岛津分析天平 分析纯 化学纯 试剂级 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 c c a - 1 1 1 0 型冷却水循环装置 n 1 0 0 1 型旋转蒸发仪 s b 2 0 0 0 型水浴锅 a - 1 0 0 0 s 型水流抽气机