（物理化学专业论文）具有疏水空腔的几种大环化合物的分子选择性键合及功能聚集体的构筑.pdf

摘要 摘要 环糊精衍生物及其他大环受体如葫芦脲等的分子识别和组装是当今超分子 化学研究的热点领域之一。为了进一步深入研究环糊精衍生物，特别是修饰全 甲基化环糊精对于特定客体分子的分子识别机理和组装机制，本文设计合成了 一系列化学修饰全甲基化环糊精和全甲基化环糊精包合物并研究其对一些模型 客体分子如胆酸，多肽，偶氮苯客体分子的识别能力，另一方面，以全甲基化 环糊精，葫芦脲等大环受体和苯胺为起始原料，制备一系列苯胺超分子假聚轮 烷，同时采用非共价手段制备具有一定水溶性的碳纳米管，进而开发它们在化 学、材料等领域具有应用价值的性能。具体研究内容如下： ( 1 ) 设计合成带有萘基团和喹啉基团的全甲基化肛环糊精衍生物，并进一步 研究了其对于四种胆酸盐客体的分子键合能力和选择性。利用圆二色光谱、二 维核磁、荧光光谱等手段考察了主体化合物对于胆酸盐的分子识别能力。另外， 我们还用量热滴定的手段比较了天然卢环糊精和全甲基化卢环糊精对于胆酸客 体分子的分子识别行为，并进一步讨论了取代荧光团对于全甲基化伊环糊精衍生 物与胆酸分子的包结行为以及由主客体包结引起的光物理光化学行为。 ( 2 ) 设计合成了一组萘修饰单卢环糊精和全甲基化卢环糊精，通过圆二色， 二维核磁等手段推测了主体分子的构型和包结模式，并通过荧光滴定的方法研 究了具有不同形状和性质环糊精空腔的主体分子对于非芳香寡聚二肽和三肽客 体分子的键合行为，从而讨论了甲基化对于环糊精空腔在寡聚多肽识别方面的 影响。 ( 3 ) 制备了全甲基化卢环糊精与偶氮苯客体分子4 h a b 及4 - a a b 的包结配 合物晶体，通过x _ 射线衍射，圆二色，二维核磁，等温微量热滴定( i t c ) 等 研究了主客体间的键合及组装行为。系统分析并讨论了配合物的包结模式和键 合热力学以便更深入的探讨天然环糊精和全甲基化环糊精的性质。另外，对取 代基的差别对于全甲基化环糊精包结络合和聚集行为的影响也进行了讨论。研 究发现，和天然肛环糊精相比，全甲基化肛环糊精对于仅取代基不同的偶氮苯客 体分子具有明显的区域选择性。 ( 4 ) 以苯胺和葫芦 7 】脲为原料，制备了葫芦 7 脲包裹的苯胺假聚轮烷。利 用a f m 、t e m 、e p r 和电化学等手段详细地研究了其形貌和p a n i 链上阳离子 i 摘要 自由基的稳定性。结果表明，和单纯的聚苯胺相比，所得到的葫芦脲假聚轮烷 由于主体化合物的包裹，表现出了更好的水溶性和阳离子自由基稳定性。 ( 5 ) 制备了全甲基化肛环糊精包裹的苯胺假聚轮烷，并进一步研究了该组装 体的水溶性和光可控性。全甲基化肛环糊精的引入提高了p a n i 在水中的溶解度， 而且并不会影响p a n i 链本身的氧化还原性质。另外，该假聚轮烷与螺吡喃的水 溶液体系能够通过光照达到控制体系中质子转移的效果。 ( 6 ) 将全甲基化卢环糊精包裹的苯胺假聚轮烷缠绕到多壁碳纳米管上制备 出导电型多壁碳纳米管复合物。该复合物通过了热重分析，拉曼光谱，x - 射线 光电子能谱，a f m ，t e m 等一系列手段的表征，水溶性，分散度，稳定性均较 单纯多壁碳纳米管有所提高。 关键词：环糊精、葫芦脲、键合行为、分子组装、纳米材料 n a b s t r a c t a b s t r a c t t h es y n t h e s i s ，m o l e c u l a rr e c o g n i t i o na n da s s e m b l yo fc y c l o d e x t r i na n do t h e r m a c r o c y c l er e c e p t o r ss u c ha sc u c u r b i t n u r i l ( c b n ) ，n a n o c a r b o nt u b e ( c n t ) e ta 1 a r e t h em o s tp o p u l a r t o p i c so fs u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y t or e v e a lt h em o l e c u l a r r e c o g n i t i o na n da s s e m b l ym e c h a n i s m so fc y c l o d e x t r i n s ，e s p e c i a l l yt h ep e r - m e t h y l a t e d e y c l o d e x t r i n ( p m c d ) a n d t h e i rd e r i v a t i v e s w e p r e p a r e d as e r i e so fn o v e l p e r - m e t h y l a t e dc y c l o d e x t r i n sa n di n v e s t i g a t e dt h e i rb i n d i n gm o d e sa n dm o l e c u l a r r e c o g n i t i o nb e h a v i o r sa n da s s e m b l ya r r a n g e m e n t sf o rs p e c i a lg u e s tm o l e c u l e ss u c ha s b i l es l a t s ，o l i g o p e p t i d e sa n da z ob e n z e n ed e r i v a t i v e s o nt h eo t h e rh a n d ，w e s u c c e s s f u l l ya c q u i r e dt w op o l y m e r i cp s e u d o r o t a x a n e s c o n s t r u c t e df r o m c b 7 p m c da n da n i l i n e m o r e o v e r ，aw a t e r - s o l u b l ec n tc o m p o s i t ew r a p p e db y p m c d p o l y a n i l i n ep o l y m e r i cp s e u d o r o t a x a n ew e r es y n t h e s i z e d a l lo ft h e s en o v e l a s s e m b l i e sw e r ef u r t h e r e m p l o y e dt oe x p l o r et h e i rp r o p e r t i e sf o rt h ep o t e n t i a l a p p l i c a t i o n so nc h e m i s t r ya n dm a t e r i a lf i e l d s t h em a j o rc o n t e n t so ft h i st h e s i sa r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) t w on o v e lp m f l - c dd e r i v a t i v e s ( 1a n d2 ) a p p e n d e dw i t hn a p h t h a l e n ea n d q u i n o l i n ef l u o r o p h o r e s a n df u r t h e ri n v e s t i g a t e d 也e i rm o l e c u l a rb i n d i n ga b i l i t ya n d s e l e c t i v i t yf o rb i l es a l t s c o m p l e x - i n d u c e df l u o r e s c e n tb e h a v i o r s ，b i n d i n ga b i l i t ya n d s e l e c t i v i t yf o rb i l es a l t sw e r ec h e c k e db yu s i n gt h ec i r c u l a rd i c h r o i s m ，2 dn m r , s t e a d y s t a t ea n dt i m e r e s o l v e df l u o r e s c e n ts p e c t r a i ti so u rs p e c i a li n t e r e s tt oc o m p a r e t h eb i n d i n gm e c h a n i s m sb e t w e e n 卢c da n dp m 一卢c dw i t hb i l es a l t s ，a n df u r t h e r d i s c u s st h a th o wt h es u b s t i t u t e df l u o r e s c e n tg r o u p sa f f e c tt h ei n c l u s i o nb e h a v i o r so f p m f l - c dd e r i v a t i v e s ，a n de x p l o r ec l o s e l y 廿l e i rp h o t o p h y s i c a l p h o t o c h e m i c a l b e h a v i o r su p o nc o m p l e x a t i o nw i t hg u e s t s ( 2 ) t w on a p h t h a l e n ef l u o r e s c e n c em o i e t yl i n k e da m i n o - f l - c dd e r i v a t i v e sw e r e p r e p a r e da n dt h e i rf l u o r e s c e n c eb e h a v i o ra n db i n d i n gm o d ew i t hs i xo l i g o p e p t i d e sb y u s i n gf l u o r e s c e n c e ，c i r c l ed i c h r o i s ma n d2 dn m r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sr e v e a l t h a tt h ed i f f e r e n ti n f l u e n c eo nt h eo l i g o p e p t i d er e c o g n i t i o nb e h a v i o rw i t hd i f f e r e n t c a v i t y i 竺塑 ( 3 ) t w oi n c l u s i o nc o m p l e x e so fp m - f l - c dw i t h4 - h a ba n d4 a a bw e r e o b t a i n e da n dt h e i rb i n d i n ga n da s s e m b l yb e h a v i o r sw e r es t u d i e db ym e a n so fx r a v c r y s t a l l o g r a p h y ，c i r c u l a rd i c h r o i s ma n d2 dn m r s p e c t r a , a n di s o 廿1 e n n a lt i t r a t i o n c a l o r i m e t r yo t c ) t og i v em o r ed e e pi n s i g h to nt h er e s p e c t i v ec h 锄a c t e r i s t i c so fc d a n dp m c d ，t h e i r c o m p l e x a t i o ns m l c t u r e sa n db i n d i n gt h e r m o d y n 锄i c sw e r e s y s t e m i c a l l ya n a l y z e da n dd i s c u s s e d m o r e o v e r , i ti sa l s oo u ri n t e r e s tt 0e x p l o r eh o w t h ed i s p a r i t i e so fs u b s t i t u e n t so fa z o b e n z e n eg u e s t sa f f e c tt h ei n c l u s i o nc o m p l e x a t i o n a n da g g r e g a t eb e h a v i o ro fp m c d ( 4 ) 、c o n s t r u c t e dap o l y p s e u d o r o t a x a n eb yc a p s u l i z i n gap a n id l 咖w i m n u m e r o u sc b 7 c a v i t i e sa n dt h es u f f i c i e n t i n v e s t i g a t i o no ni t sm o r p h o i o g ya n d s t a b i l i z a t i o ne f f e c tt op a n ir a d i c a l c a t i o n s b ym i c r o s c o p y ，e p ra n dc v c l i c v o l t a m m e t r yw e r ei n v e s t i g a t e d ( 5 ) w ec o n s t r u c t e dap o l y p s e u d o r o t a x a n eb yc a p s u l i z i n gap a n ic h a i nw i t h n u m e r o u s p m f l - c dc a v i t i e s t h ew a t e r s o l u b i l i t y a n d p h o t o m o d u l a t i o n c o n t r o l l a b i l i t yw e r ei n v e s t i g a t e d t h ei n t r o d u c t i o no fp m - f l - c de n h a l l c en l ew a t e r s o l u b i l i t yo fp a r e n tp a n i m o r e o v e r , t h er e v e r s i b l er e d o xp r o p 矾i e so fp a n ic h a i nr e m a i n s a f t e rt h et r e a t m e n to fp m f l - c d s f u r t h e r m o r e ，t h ep r o t o n t r a n s f e rp r o c e s so ft h e p o l y p s e u d o r o t a x a n ec o u l db ep h o t o - m o d u l a t e db yt h e s p i r o p y r a n ( s p le v e l li n a q u e o u ss o l u t i o n ( 6 ) w ee m p l o y e dp a n i p m - f l , - c dp o l y p s e u d o r o t a x a n et or e g u l a r l vw r a po n t o t h es u r f a c eo ft h em w c n t t oy i e l dan o v e lp o l y p s e u d o r o t a x a n ew r a p p e dm w c n t c o m p o s i t e t h ea s s e m b l yw a sc h a r a c t e r i z e db yu s i n gt h e r m o g r a v i m e t r i ca n a l y s i s r 锄a n s p e c 的s c o p y ，x p s ，t e ma n da f m m o r e o v e r ，t h i sc o m p o s i t es h o w sa l li m p r o v e ds o l u b i l i t ya n d c a i lb es t a b l yd i s p e r s e di nw a t e r k e y w o r d s ：c y c l o d e x t r i n ，c u c u r b i t u r i l ，b i n d i n gb e h a v i o r ，m o l e c u l a ra s s e m b l y ， n a n om a t e r i a l s i v 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：文藏 2 。p 7 年夕月 7 日 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年 月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文电子版授权使用协议 ( 请将此协议书装订于论文首页) 论文系本人在 南开大学工作和学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系本作品的唯一作者( 第一作者) ，即著作权人。现本人同意将本作品收 录于“南开大学博硕士学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子 版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人完全了解直五丕堂图盘垣差王堡在! 僮旦堂鱼途塞鲍笪堡壶造! 同意 南开大学图书馆在下述范围内免费使用本人作品的电子版： 本作品呈交当年，在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及论文全文部分 浏览服务( 论文前1 6 页) 。公开级学位论文全文电子版于提交1 年后，在校园网上允 许读者浏览并下载全文。 注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系所名称： 作者签名： 学号： 日期：年月 日 第一章前言 第一章前言 第一节超分子化学概述 超分子化学，顾名思义，即“超越分子概念的化学”。以非共价键( 弱相互 作用) 相互作用力键合起来形成的复杂有序且具有特定功能的分子集合体，是 超分子化学的研究对象。事实上，在自然界中，各种弱相互作用力的协同作用 普遍存在于生命体系的各种过程中。共价键分子单元通过静电( 离子一偶极、偶 极一偶极、偶极一诱导偶极) 、范德华力、疏水、氢键、兀一堆积和电荷转移等非共 价键相互作用了协同作用构成的分子聚集体称为超分子，具有识别、转移和易 位等基本功能【l 】。超分子化学的研究起源可以追溯到1 9 6 7 年c j p e d e r s o n 对冠 醚配位性能的发现f 2 】。此后，d j c r a m 根据冠醚可以作为主体选择性的键合伯 胺盐客体的现象，首次提出了“主一客体化学”的概念【3 】。在大量工作的基础上， j m l e l l l l 又于1 9 7 8 年提出了“超分子化学”的概念1 4 】。从此，超分子化学得到 了迅猛的发展并日益成为当代化学工作者关注的焦点之一。其所研究的分子间 弱相互作用力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 识别等现象有着非常重要的意义1 5 j 。 近三十年来，超分子化学的研究领域已经涉及化学、生物、材料、信息以 及环境等多个学科，研究内容也更加深入。正因为如此，对超分子化学发展具 有巨大推动作用的三位科学家j m l e h n ，d j c r a m 和c j p e d e r s o n 分享了1 9 8 7 年的诺贝尔化学判6 。近年来，学术刊物( ( s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y 的创刊发 表和以超分子化学大全( c o m p r e h e n s i v es u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y ) 7 1 为代表 的基本有影响力的学术专著的问世，标志着化学的发展已经从分子化学进入到 超分子化学历史新时期。 超分子化学的核心概念是分子识别和分子组装。分子识别是高级结构组装 的基础和必要途径，而分子组装则是超分子化学的目标之一。其中，大环化合 物的分子识别与组装行为是超分子化学研究的重要组成部分。继冠醚【2 】之后，环 糊精【8 】和杯芳烃【9 】相继被称为超分子化学的第二代和第三代主体化合物，而葫芦 第一章前言 脲10 1 、卟啉、酞菁1 2 】、富勒烯和纳米管掣1 3 填他类型的大环受体在超分子化 学的研究中也越来越受到关注。 本论文主要研究了一类特殊的环糊精受体，即全甲基化环糊精衍生物的合 成、分子识别和分子组装以及导电聚合物与大环受体的分子组装。因此，在下 面内容中将重点介绍基于环糊精以及一些其他类型大环受体，如葫芦脲，碳纳 米管超分子化学的最新研究进展。 2 第一章前言 第二节基于环糊精的分子识别与组装 在超分子化学的研究中，环糊精是一类非常重要的主体化合物。未经化学 修饰的环糊精是由淀粉在环糊精糖基转移酶的作用下降解得到的，由d 一( + 卜吡喃 葡萄糖通过一i ，4 糖苷键首尾相连形成的半天然化台物，根据葡萄糖单元的数目 不同，环糊精可以拥有不同的空腔尺寸，最常见的是分别拥有6 、7 、8 个葡萄 糖单元的舻、卢和严环糊精。由于环糊精具有疏水的空腔和亲水的表面，可作为 主体化合物与无机、有机和生物分子结合生成主一客体或超分子配合物，并可作 为一种优良的酶底物相互作用模型被应用于多个科学技术领域【l ”。 图1l 、8 、t 环糊精的结构及由晶体结构得出的分子填充模型 环糊精作为一类特殊的大环化合物，长期以来一直得到广泛的研究。自从 1 8 9 1 年av i l l i e r s ) ) t 表有关环糊精( c y e l o d e x t r i n , c y c l o a m y l o s e ，简称c d ) 的第 一篇论文至今i ”) ，环糊精化学的发展已经过了一百余年的历史。科学家们对环 糊稽化学结构、包结能力等方面的深入研究，使得环糊精不仅在应用领域( 如 第章前言 农业、医药卫生、食品加工、香料工业等) ，而且在基础理论( 或应用基础) 研 究领域( 如用作选择性合成试剂、相转移催化剂、分析化学、l b 膜材料、主客 体络合作用、分子识别、模拟酶研究等) 得到了广泛的应用i i 。环糊精化学已 受到科学工作者的极大关注，成为化学学科及一些交叉学科领域中的热点之一。 超分子化学的诞生大大促进了环糊精化学的发展使这门传统的学科焕发了青 春。以环糊精及其衍生物为主体的超分子体系的研究成为当今化学前沿领域的 热点之一，在分子识别、酶模型构筑、分子器件及分子组装等方面都取得了重 要进展。 近年来，为了改善环糊精自身性质的局限，一系列以环糊精为基础的衍生 物不断被合成出来。其中，甲基化环糊精是一类在天然环糊精基础上将羟基烷 基化的化合物【l ”。由于环糊精的葡萄糖单元上的羟基发生了不同程度的取代， 因此甲基化环糊精同天然环糊精相比，性质发生了一些明显的变化。比如空腔 扩展i t 7 a ，柔性增加i m l ，而且无论是在有机相还是水相中甲基化环糊精的溶解 度一般都明显优于天然环糊精i l ”。此外，仍旧疏水的空腔使甲基化环糊精对客 体分子仍具有键合能力”。特别的，一旦环糊精葡萄糖单元上的羟基全部被取 代形成所谓的全甲基化环糊精，其空腔尺寸，疏水区域，对客体键合能力与天 然环糊精相比则将发生更为显著的变化【1 瑚。 熬 氆“鼋伊。 黎。矿 一飞冬蹩孙m 云r 铂 j 图12 全甲基化卢环糊精的结构及由晶体结构得出的分子填充模型 第一章前言 1 2 1 以环糊精及其衍生物为受体的分子识别 分子识别作为超分子化学的基础和核心，可以定义为主体( 受体) 对客体 ( 底物) 选择性结合并产生某种特定功能的过程，这一过程类似于生命过程中 的酶与底物、蛋白质与核酸、激素与受体、抗原与抗体、免疫抑制剂与免疫亲 体之间的相互作用。人工合成受体的分子识别研究对于理解生命过程中的受体 与底物之间非共价键相互作用的本质以及酶催化的作用机理具有十分重要的意 义【5 1 。 环糊精对客体分子的识别作用源于其空腔的尺寸、疏水性和手性，其在溶 液中与客体分子形成配合物时，通常存在着以下几种分子间相互作用：( 1 ) 疏水 相互作用；( 2 ) v a nd e rw a a l s 相互作用；( 3 ) 氢键；( 4 ) 包结客体分子后，环糊精 空腔高能水的释放；( 5 ) 包结客体分子后，环糊精一水加合物张力能的释放。一 般来说，弘环糊精的空腔尺度适于包结单环芳烃( 苯、苯酚等) ，肛环糊精的空 腔尺度与萘环的尺度相匹配，产环糊精则与甾体化合物【1 9 1 以及芘1 2 0 1 等多环芳烃 结合最稳定。 近来，y o s h i d a 等人研究了产环糊精与c 6 0 的2 ：1 包合物的固氮性能，这是第 一个非金属的固氮体系，具有非常重要的意义，后来的研究表明，包合物可以 形成稳定的二价阴离子，并可以用于还原c = o ，c = c ，n - n 键【2 1 1 。s c h o w e n 等人发 现由于肛环糊精能够与嘌呤碱基形成稳定的主一客体配合物从而导致r n a 和 d n a 双螺旋在低于正常融解温度的时候发生融解，然而骆环糊精和严环糊精由于 不能与嘌呤碱基形成稳定的配合物不能诱导这种现象的发生，这种实验现象说 明体内环境不同于体外模型，在酶的进化过程中，除了单纯的更加高效的催化 能力之外还存在其它的影响因素【2 2 1 。 + c c , o 图1 3 严环糊精与c 6 0 形成的非金属固氮体系。 5 圆国 第一章前言 各种功能基团的引入可以在不同程度上加强环糊精主体的识别效果。近年 来，许多拥有不同基团的化学修饰环糊精纷纷被合成出来阻“。2 ”。u e n o 教授研 究组设计了一系列生色基团修饰的环糊精衍生物口，研究了它们对不同形状、 尺寸和疏水性的模型底物分子的键合能力和荧光感应。他们认为，该类修饰环 糊精在水溶液中可以自发地形成分子内自包结配合物，而在与客体分子结合后， 根据客体分子与环糊精空腔的匹配性，修饰环糊精的取代基或者被客体逐出空 腔或者更深地嵌入空腔之中，这个结果类似于酶和底物“诱导楔合”的作用机 制。他们还将环糊精一肽共轭体引入荧光共振能量转移技术，这种能量转移是采 用肽上修饰的主体和客体来进行控制的，这一发现为基于环糊精的传感系统的 主一客体相互作用研究开辟了崭新的领域口”。 g u e s l 图1 4 单修饰环糊精包结窖体分子时可能的构型变化。 在种类繁多的化学修饰环糊精中，荧光探针修饰的环糊精分子识别能力和 荧光传感能力被广泛研究，这是由于荧光量子产率对于荧光探针所处环境的极 性十分敏感使得体系的测定灵敏度非常之高。rc o r r a d i n i 等口”则在卢环糊精 上引入荧光探针，研究了该类化合物对于氨基酸的手性识别行为。实验结果表 明取代基是包结在环糊精的空腔之中的修饰环糊精展示了较高的手性对映体 选择性。ny 0 s h i d 礴口9 】( 图1 5 ) 合成了带有萘荧光团的胺化环糊精，发现1 位取代的萘甲酸连接的环糊精可以作为荧光探针有效地感应一些脂肪醇客体分 子。g o p i d a s 等p 将芘修饰在弘环糊精的小口端，该修饰环糊精有良好的水溶性。 同时，由于* 环糊精不能包结大的芘分子，在水溶液中芘修饰基团位于环糊精空 腔的外面使得环糊精空腔能够包结硝基苯衍生物。 1 i 嚣嗡 第一章前言 口 h i g hf l u o r e s c e n c e 。、，o h o s ti 一，一a 、l c o h o lcornalcohoc o i t i o l e x 1 一 图1 , 5 荧光探针修饰的环糊精的荧光传感行为 最近，h kb n m s v e l d 等1 3 1 合成了一种新型的黄色荧光蛋白犀环糊精衍生物 ( 图1 6 ) ，通过环糊精空腔与石胆酸的分子识别作用，与石胆酸相连的青色荧 光蛋白组成了一个非常有趣的可模拟细胞内蛋白相互作用的体系。该研究表明， 胆酸分子的d 环可以选择性的进八环糊精的空腔，使两种荧光蛋白由于距离的拉 近而发生荧光共振能量转移( f r e t ) 。当向这个体系中加入其他与石胆酸作用更 强的环糊精修饰物以将黄色荧光蛋白卢环糊精竞争掉后，两种蛋白间的能量转移 也随之消失。 图16 单修饰环糊精包结客体分子时可能的构型变化 此外，在环糊精化学的研究中，微量热滴定是一种十分有效的研究环糊精 键台热力学的手段，也是唯一一种能够直接测定反应焓变的方法。yl n o u e 等”】 利用擞量热滴定的方法研究了带有正电荷的氨基修饰环糊精主体对一系列阳离 子、阴离子以及中性客体分子的配位热力学，考察丁静电相互作用对键合过程 一融 第一章前言 的影响，结果显示阳离子主体对带电客体的配位和手性识别行为是由存在于主一 客体之间的静电相互作用以及客体在主体空腔内产生的弱相互作用( 如疏水、 范德华以及氢键相互作用) 所控制的。最近，他们还研究了修饰环糊精与二肽 分子的键合热力学”，结合二维核磁实验的研究结果，他们发现客体分子是以 不同的键合模式包结在天然环糊精和修饰环糊精的空腔中。 与此同时修饰的环糊精可以作为分子器件和很好的电荷转移体系骨架。 d j e d a 血p i l m d 等人将麦芽蓿引入到环糊精上，研究其对伴刀豆球蛋白a 的多价识 别作用，证实麦芽糖在聚轮烷上的迁移能够增强其对伴刀豆球蛋白a 的键台i “】。 n o c “a 等人用t b 配位的大环修饰环糊精构造了一个超分子微流体光化学传感 器，结果表明微流体环境保护了传感器复杂的信号转换机制p ”。而之前提到芘 修饰毋环糊精p ，当光激发芘分子时，芘对小分子的光致电荷转移使芘的荧光 被严重淬灭，荧光寿命测定也证实在该体系中发生了光诱导非共价电荷转移。 类似的情况也出现在卟啉修饰的卢环糊精配合物体系啡1 中( 图1 7 ) 。 h v 图i7 口 啉恬饰的凸环糊精与磺酸蒽醒形成的光诱导电子转移体系。 值得注意的是，甲基化环糊精，包括甲基化环糊精，全甲基化环糊精和不 定取代甲基化环糊精等等，构成了一个特殊的环糊精衍生物家族。它们不仅具 有良好的水溶性，而且拥有很好的脂溶性【l ”。多重的甲基化使环糊精空腔得到 扩展，柔性增加【l ”，这些特点赋予了甲基化环糊精许多天然环糊精所不具各的 独特性质。比如说，甲基化环糊精在手性对映异构体的识别和拆分上就表现出 了非常显著的优势。j a n u s z 等口”曾经以甲基化环糊精为高效渡相色谱的流动相组 分研究了具有手性中心的巴比妥酸盐分子的对映异构体分离。无论是2 , 3 ，6 位全 取代环糊精( p m - 卢环糊精) 还是2 位双取代环糊精( d m - 卢环糊精) 均为良 8 o w j x。耩 第一章前言 好的络合剂。研究发现，由于羟基被甲氧基所取代，使环糊精的主面空腔变小 而其第二面却得到了扩展。因此，甲基化的环糊精，特别是全甲基化环糊精较 天然环糊精具有更为深邃的空腔和更像圆锥体的结构，具有更大的灵活性，随 之带来的空间效应使甲基化的环糊精可以对于某一种r 型或s 型异构体表现出独 特的选择性。和天然肛环糊精与d m , a - 环糊精相比，t m p - 环糊精具有不同的对 映体选择性。它可以与s 型化合物形成更稳定的包合物。同时，天然肛环糊精与 d m 一卢环糊精只对含有在六圆环上具有手性中心的巴比妥酸盐分子具有选择性， 而t m p 环糊精对于仅在脂肪链上具有手性中心的巴比妥酸盐分子同样具有选 择性。 尽管甲基化环糊精弥补了天然环糊精的一些局限，如在水和有机溶剂中的 溶解度均明显提高，使其在药物传输和释放领域的应用价值增大【3 8 1 ，同时对许 多客体分子的选择性也有所提高。但是，另一方面，我们也看到，由于空腔性 质的变化，也直接影响了甲基化环糊精对于某些客体分子的键合能力。因此， 和天然环糊精类似，引入修饰基团也是一种提高甲基环糊精分子识别效果和简 化检测手段的有效途径。然而，到目前为止，关于化学修饰的甲基化环糊精的 报道还比较少。但是，由于甲基化环糊精本身所展现出的良好的分子选择性以 及对于全甲基化环糊精对于某些客体分子( 如卟啉) 显著的键合能力，仍然给 化学修饰甲基化环糊精的研究提供了空间和契机。k k a n o 等 3 9 , 4 0 】合成了一系列 卟啉修饰的全甲基化环糊精衍生物，研究了它们对于一些卟啉客体分子的分子 识别行为。此外，他们还合成了其它种类如联苯基和吡啶基桥联的全甲基化环 糊精与卟啉构成电荷转移体系以及人工模拟血红素【4 0 b 】( 图1 8 ) 。 图1 8 全甲基化修饰p 环糊精与磺酸卟啉形成的人工模拟血红素。 9 第一章前言 122 以环糊精及其衍生物为受体的分子组装 通过分子自组织和白组装来构筑有序的超分子功能体系是超分子化学的另 一个重要目标。由于环糊精在选择性键合客体分子方面具有与生俱来的优势条 件以及作为主体在分子识别研究中所得出的众多理论基础，使其可以有效地被 作为基本建筑模块用于构筑轮烷、纳米线或是纳米管道服务于分子机器、分子 马达咀及功能材料等方面。近年来，环糊精及其衍生物构筑纳米级超分子组装 体的研究已经成为化学和材料科学领域研究的一大热点。 1221 环糊精在固态中的分子组装 煳 线晶体衍射分析是研究超分子组装体最为直接有效的方法之一，许多 课蹶组相继报道了环糊耩及其衍射物与客体分子形成超分子聚集体的晶体结 构，展示了形态各异，丰富多样的空间拓扑结构 1 6 b , * 1 4 2 1 。 ：蠖 1 0喑 帆辫嚼 、搿k 嶙皋 图l9 * 环糊精与二苯乙烯基苯形成的【2 】轮烷的晶体结构 hla n d e r s o n 等1 4 ”则通过水相s u z u k i 耦合反应制备了一系列聚( p 亚苯基乙 烯撑) a - 环糊精轮烷。其中，他们得到了m 环糊精【2 】轮烷的晶体结构，见图1 9 。 晶体结构显示，轮烷中的昝环糊精不是位于二苯乙烯基苯骨架的中心，而是位于 该骨架的一侧。进一步的，轮烷和轮烷之间除了依靠异酞酸端基基团的n 吨作用 相互关联之外，环糊精和异酞酸基团参与的氢键相互作用也在其中扮演了重要 的角色。近来，刘育等1 报道了联吡啶类和偶氮苯类客体分子与天然卢环糊精 形成超分子组装体的晶体结构( 图11 0 ) 。系统的研究发现，联吡啶客体上氨原 子位置的差异不仅能够导致卢环糊精不同的晶体结构和空间群，而且也使得卢 环糊精与2 , 2 联吡啶和4 , 4 联吡啶给出了不同的键合模式和热力学参数。而客 体偶氮苯取代基的不同( 羟基和氨基) 导致了聚集体的线性或波形排列。现有 的研究结果进一步揭示了客体分子的微小差异能够改变环糊精的键合能力和聚 第一章前言 集行为，这为构筑不同类型的超分子体系提供了一个有效的方法 毋一 图11 0 偶氨苯客体分子与天然卢环糊精形成的超分子配合物的结构 伴随着晶体解析技术的发展，某些环糊精聚合轮烷的晶体结构也能够获得。 j ar i p m e e s t e r 等 4 5 1 报道了第一例p e g 与卢环糊精形成多聚轮烷的晶体结构。在 这个晶体结构中( 圈11 1 ) ，a - 环糊精利用第二面羟基之间的氢键形成头对头的 二聚体，p e g 将这些二聚体象珠子一样穿起来形成了聚合轮烷。值得注意地是， 溶液研究显示，p e g 与庐环糊精不能形成聚合轮烷。这从一个侧面说明溶液中环 糊精聚合轮烷的形成不是制各周相聚合轮烷的先决条件，与此同时，sk a m i t o r i 等m 1 利用x 一射线衍射分析方法研究了由卢环糊精分别和聚氧杂环丁烷、聚丙二 醇高分于链构筑的假聚轮烷的晶体结构。在每一条高分子链上，母环糊精都是以 头对头的形式排列成一维柱状结构，环糊精第二面羟基均与相邻的环糊精形成 氢键。同时，在环糊精分子之间填充着大量的水分子，这些水分子与众多的羟 基形成分子间氢键进一步稳定了这种柱状结构。 图i1 1 由天然肛环糊精缠绕的p e g 形成的假聚轮烷的晶体结构图 由于晶体制各技术的提高，关于全甲基化环糊精与客体分子形成超分子配 合物的晶体结构也纷纷被报道出来。s a m u e lp e t i t 等 4 7 1 制备了全甲基化卢环糊精 与一对对映异构体( s ) - ，( r ) 埘溴苯乙醇的超分子配合物并得到了它们的迥然不 同的晶体结构( 图l1 2 ) 。研究的结果对于阐述全甲基化分子在手性识别方面的 第一章前言 机理有重要的作用。 ：爨。罄 鬻j 鬟 图l 】3 全甲基化庐环糊精与 r u ( 9 a n e s3 x b r h ) c j l c t 金属配台物的晶体结构堆积图。 第一章前言 另外，一些带有特定功能基团的修饰环糊精也能自聚集形成超分子组装体。 k f u j i t a 等人【4 9 】合成了6 一脱氧一6 - ( 叔丁巯基) 一, a - 环糊精并得到了第一个修饰环 糊精的晶体结构。晶体结构显示，这个修饰环糊精能够沿着一个二重轴排列形 成螺旋自聚集结构。为了揭示修饰环糊精通过分子穿插形成螺旋柱状超级结构 的机理，刘育等【5 0 】制备了一系列苯衍生物单修饰的肛环糊精，并通过x 一射线衍 射分析、圆二色和二维核磁等手段研究了它们在固态和水溶液中的聚集行为。 研究表明，在固态中，一些芳香取代基的卢环糊精衍生物能够沿着二重或四重螺 旋轴进行排列，插入相邻环糊精的空腔中形成螺旋柱状超级结构。而在水溶液 中，其组装模式则以二聚或者自包结为主。对于这种现象的一个可能的解释是， 在水溶液中形成自包结配合物，主要是疏水作用起主导作用；而在固态中，氢 键和疏水相互作用共同贡献于螺旋柱状超级结构的形成。 1 2 2 2 以环糊精及其衍生物为模板的功能组装体 以分子自组装为基础，功能超分子组装体在分子电线、氧化还原开关、纳 米电子开关、发光二极管、磁性材料、分子印迹材料以及在自组装界面上的手 性识别研究等方面已经表现出很好的应用前景。由于环糊精自身的独特结构， 使得其可以作为优良的建筑模块引入超分子体系中，构筑出形态各异，功能不 同的超分子组装体。 索烃1 5 l j 是一类由两个( 【2 索烃) 或多个( 【n 】索烃) 互相套在一起的环状化 合物共同构成的内索式超分子体系。s t o d d a r t 实验组在环糊精索烃的构筑方面做 了许多探索和研究【5 2 1 。1 9 9 3 年，他们合成了几种由2 ，6 - 全甲基化环糊精 ( d m f l - c d ) 和联甲苯衍生物得到的 2 】索烃和 3 索烃超分子组装体【5 3 】( 图 1 1 4 ) 。他们首先将联甲苯衍生物的联甲苯部分通过疏水相互作用定位于环糊精 空腔中，然后再通过衍生物一端的氨基与对苯二酰氯反应成环。环糊精再与这 个新形成的环共同构成了内索式的超分子组装体一索烃。晶体结构解析结构的 得到证实了环糊精索烃的生成。h o n g 等 5 4 】分别以肛和严环糊精为“分子环 ，使 用( e n ) p d ( n 0 3 ) 2 环合“4 ，4 二( 4 吡啶基甲氧基) 联基的分子绳，发现小孔径“分 子环( 肛环糊精) 与“分子绳形成1 ：l 包合物，通过金属离子与环内和环外 的吡啶基配位进而环合得至0 1 2 索烃。 1 3 第一章前言 图1 1 4s t o d d a r t 合成的环糊精索烃。 以环糊精为受体的分子轮烷通常是将一个( 2 】轮烷) 或多个( n 】轮烷) 环 糊精单元( 轮子) 穿在一个具有一定长度的线状分子( 轴) 上，再用大体积的 分子将该线状分子封端，从而使环糊精固定在线状分子上无法滑脱，就形成了 称之为轮烷的超分子体系。对于未封端的配合物，通常称为假轮烷或准轮烷； 而对于具有多个环糊精的轮烷分子，则通常称之为聚轮烷或假聚轮烷。 弘环糊精首先被用来构筑可旋转的分子轮烷。o g i n o 和o h a t a 等【5 5 】以金属配 合物为分端剂，合成了以萨环糊精的分子轮