（物理化学专业论文）拥有功能配位基的桥式双环糊精的合成及其分子键合行为.pdf

摘要 以分子识别和分子组装为主要研究内容的超分子化学处于当代化学前沿，被 称之为环糊精的环聚多糖是超分子化学研究领域的一个重要研究方向，而环糊精 的二聚物是当今环糊精化学的研究重点。基于此，本文合成了两个系列的功能基 桥联双环糊精，实现了其对客体分子的协同与多重识别，并成功地构筑了具有金 属软连接的超分子组装体，同时还研究了有机硒修饰环糊精对s o d 的模拟，具体 内容包括： ( 1 ) 对基于环糊精衍生物的荧光传感器，桥联双环糊精对客体分子的协同识 别以及环糊精的分子组装和环糊精在模拟酶方面的研究成果进行了总结。 ( 2 ) 设计并合成了2 , 2 联喹啉4 ，4 - 二甲酰基桥联双环糊精和6 , 6 - ( 4 ，4 一二硒 化双苯甲酰基) 桥联双环糊精，并运用多种测试手段对其进行了表征和构型分析。 ( 3 ) 研究了2 ，2 联喹啉4 ，4 - 二甲酰基桥联双环糊精及其c u ( i i ) 配合物作为 高效的荧光传感器对甾类客体分子的识别，同时还考察了联喹啉和有机硒桥联双 环糊精对荧光染料客体分子的识别能力，主要从主体桥链的微小差异和客体分子 的尺寸形状等方面对键合能力的大小进行了讨论。 ( 4 ) 以2 ，2 联喹啉4 ，4 二甲酰基桥联双环糊精为主体单元，以p p g 为客体 分子，通过金属软连接构筑了含多金属配位中心的双带聚轮烷和双分子纳米管道。 ( 5 ) 考察了有机硒修饰环糊精及其v t ( r v ) 配合物对联苯三酚自氧化的抑制程 度，从主体分子的结构出发讨论了其模拟超氧化物歧化酶( s o d ) 的酶活力差异。 关键词：桥联双环糊精，合成，分子识别，分子组装，模拟酶 a bs t r a c t m o l e c u l a r r e c o g n i t i o n a n d a s s e m b l yi n v e s t i g a t i o n s o n m a c r o c y c l i cs u g a r s s o c a l l e dc y c l o d e x t r i nh a v ea t t r a c t e de x t e n s i v ea t t e n t i o ni ns u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y m o r e o v e r ，s t u d i e so nt h eb r i 姑e db i s ( f l - c y c l o d e x t r i n ) sa r et h ec u r r e n th o tt o p i ca m o n g t h ec y c l o d e x t r i n sc h e m i s t r y t h e r e f o r e ，i nt h i st h e s i sw ed e s i g na n ds y n t h e s i z et w o s e r i e so fb i s ( f l - c y c l o d e x t r i n ) sw i mf u n c t i o n a lt e t h e r s t h e i ri n c l u s i o nc o m p l e x a t i o n b e h a v i o rw i t h r e p r e s e n t a t i v eg u e s t s a r ea l s o i n v e s t i g a t e d t h es u p r a m o l e c n l a r a s s e m b l i e sp o s s e s s i n gm e t a l l i cs o f t l i n ka r es u c c e s s f u l l yc o n s t r u c t e d m e a n t i m e ，t h e s u p e r o x i d ed i s m u t a s em i m i cs t u d yo nb i s ( f l - c y c l o d e x t r i n ) sw i t hd i s e l e n o b i s ( b e n z o y l ) t e t h e r sa r ea l s op e r f o r m e d m a i n p o i n t so f t h i st h e s i sa r el i s t e da sf o l l o w ： ( 1 ) t h ef l u o r e s c e n ts e n s o r sb a s e do nc y c l o d e x t r i n s ，t h ec o o p e r a t i v er e c o g n i t i o no f g u e s t sb yb i s ( f l - c y c l o d e x t r i n ) sa n ds u p r a m o l e c u l a ra s s e m b l i e sa sw e l la se n z y m em i m i c s t u a yb a s e do n m o d i f i e dc y c l o d e x t r i n sa r es u m m a r i z e d ( 2 ) t w o s e r i e so f b r i d g e db i s ( f l - c y c l o d e x t r i n ) s 埘l2 , 2 - b i q u i n o l i n e 一4 ，4 一 d i c a r b o x y l t e t h e r sa n dw i t h 4 , 4 - d i s e l e n o b i s ( b e n z o y l ) t e t h e r s a r e s y n t h e s i z e d a n d c h a r a c t e r i z e d ，f u r t h e r m o r e ，t h e i r c o n f o r m a t i o na r ea l s o i n v e s t i g a t e db y s e v e r a l t e c h n i q u e s ( 3 ) b i q u i n o l i n o - m o d i f i e df l - c y c l o d e x t r i n d i m e r sa n dt h e i rm e t a l c o m p l e x e s a s e f f i c i e n tf l u o r e s c e n ts e n s o r sf o rt h em o l e c u l a r r e c o g n i t i o no fs t e r o i d s a r es t u d i e d m e a n t i m e ，t h eb i n d i n gb e h a v i o ro f t h e s et w os e r i e so f b r i d g e db i s ( f l - c y c l o d e x t r i n ) sw i t h g u e s td y e sa r ea l s os t u d i e d ，t h eo b t a i n e dr e s u l t sa r ed i s c u s s e df r o mt h es t r u c t u r eo ft h e h o s t sa n dt h es i z ea n d s h a p e so f g u e s t s ( 4 ) d o u b l e s t r a n d e dp o l y r o t a x a n ea n dd o u b l e - s t r a n d e dm o l e c u l a rt u b ep o s s e s s i n g m u l t i - c o o r d i n a t e dm e t a lc e n t e r sa r ep r e p a r e d ，i nw h i c h 卢c y c l o d e x t r i na c ta st h eh o s t s t r u c t u r e ，a m i n o t e r m i n a t e dp o l y p r o p y l e n eg l y c o la st h eg u e s t ( 5 ) t h ei n h i b i t i o no fa u t o o x i d a t i o no fp y r o g a l l o lb yb r i d g e db i s ( f l - c y c l o d e x t r i n ) s w i t h d i s e l e n o b i s ( b e n z o y l ) t e t h e r s a r e i n v e s t i g a t e d ，a n d t h e s u p e r o x i d e d i s m u t a s e a c t i v i t i e so f w h i c ha r ed i s c u s s e df r o mt h es t r u c t u r eo f t h e m i m i c s k e y w o r d s ：b r i d g e db i s ( f l - c y c l o d e x t r i n ) s ， s y n t h e s i s ， m o l e c u l a r r e c o g n i t i o n ， m o l e c u l a r a s s e m b l y , e n z y m em i m i c 南开大学博士学位论文 第一章前言 基于c j p e d e r s o n 对冠醚的基本性发现1 而分别由j m l e h n 和d j c r a m 发 展起来的主一客体化学2 和超分子化学3 经过近年来的迅猛发展，已日益成为当代化 学家关注的焦点。1 9 8 7 年n o b e l 化学奖授予了p e d e r s o n 、l e h n 和c r a m ，以及1 9 9 6 年十一卷本的鸿篇巨著超分子化学大全( 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 r c h e m i s t r y ) 4 的出版问世更标志着超分子化学的发展进入了鼎盛时期。 超分子是以非共价键弱相互作用结合起来的复杂有序且具有特定功能的分子 集合体。超分子化学是“超越分子概念的化学”，是研究多个分子通过非共价键作 用而形成的功能体系的科学。超分子化学是一门新兴的处于近代化学、材料科学 和生命科学交汇点的前沿学科，它淡化了有机化学、无机化学、生物化学和材料 科学相互之间的界限，着重强调了具有特定结构和功能的超分子体系，并将四大 基础化学( 有机化学、无机化学、分析化学和物理化学) 有机地合为一个整体， 融会贯通。分子识别是超分子化学的核心内容，它是主体( 受体) 对客体( 底物) 选择性结合并产生某种特定功能的过程，客体可分为分子客体和离子客体，分子 识别是分子组装及研究组装体功能的基础。 超分子化学的发展不仅与大环化学( 冠醚、穴醚、环糊精、杯芳烃、c 6 0 等) 的发展密切相联，而且与分子自组装( 双分子膜、胶束、d n a 双螺旋等) 、分子器 件和新颖有机材料的研究息息相关，因此超分子化学为分子器件、材料科学和生 命科学的发展开辟了一条崭新的道路。 在超分子化学的研究内容中，其中最重要的一个研究方向是环糊精化学。在 1 9 9 6 年出版的十一卷本的鸿篇巨著超分子化学大全中，在第三卷以全卷形式 阐述了环糊精化学的发展，足见其在超分子化学领域的重要性。因此本论文的选 题即立足于环糊精化学，对其进行了更深一步的研究。 1 1 环糊精化学简介 南开大学博士学位论文 环糊精( c y c l o d e x t r i n ) 是由环糊精葡萄糖基转移酶( c g t ) 作用于淀粉所产 生的一组环状低聚糖，按照组成的葡萄糖单元数( 6 ，7 ，8 ) 分别叫作a 、b 、7 - 环糊 精。其分子外观为截锥状结构，其中葡萄糖单元均采取未扭曲的椅式构象。环糊 精简状分子的内壁由葡萄糖单元上的c 3 一h 和c 5 h 构成，并覆盖糖苷键氧原子而 形成疏水空腔，其外壁则由于存在众多的羟基而表现出亲水性( 图1 ) 5 1 6 。其一般 性质列于表1 1 中。 国 嘞( c ) c h a r t1 ( a ) 环糊精的结构；b 一环糊精的分子填充模型，其中( b ) 为从小口端的俯视图，( c ) 为侧 视图。 表1 环糊精的一般性质 内容 甜环糊精 p 一环糊精t - 环粝精 分予量 9 7 3 空腔内径1 0 邶m5 - 6 ( 4 5 ) 空腔深度t 10 “o m7 8 ( 6 7 ) 空腔近似容积( r i m 3 ) d 1 7 4 水中溶解度( 2 5o c ， 1 4 5 g l o o m l ) 晶型( 从水中得到) 针状 c 】d ” + 1 5 0 5 。 匹配的客体分子苯，苯酚萘， 1 1 3 5 1 2 9 7 7 8 卜7 )9 l o ( 8 5 ) 7 8 ( 7 ) 7 8 卜7 ) 0 2 6 2 0 4 2 7 1 8 52 3 2 棱柱状棱柱状 + 1 6 2 5 o + 1 7 7 4 。 1 - 苯胺基一8 - 磺酸萘葸，冠醚，1 苯胺基8 。磺酸蒽 由于环糊精具有疏水的空腔和亲水的表面，可以作为主体化合物与无机、有 2 南开犬学博士擘住论文 机和生物分子结合形成主客体或超分子配合物，并可作为一种优良的酶一底物相互 作用模型7 矗9 。由于溶剂及主客体类型的不同，包结配合物的形成一般与下列分子 间相互作用因素有关：( 1 ) 三维空间排列的相互匹配性：( 2 ) 范德华力：( 3 ) 色 散力；( 4 ) 偶极偶极相互作用；( 5 ) 电荷转移作用：( 6 ) 静电作用力；( 7 ) 氢键： ( 8 ) 疏水作用。 由于天然环糊精对客体分子的键合和识别能力往往较低，在酸性介质中葡萄 糖单元不够稳定等一些不利因素，因此对天然环糊精进行修饰以达到改变环糊精 的溶解度、稳定性等物理化学性质和提高其对客体分子的键合能力和分子选择性 就成为环糊精化学中的研究热点。 通过化学修饰合成的环糊精衍生物有多种类型，主要包括烷基化、酰基化、 含氮的环糊精衍生物和环糊精的硅烷基化衍生物。它们主要在以下几个方面改变 环糊精的化学、物理性质：1 、改变环糊精对于不同底物的包结能力，考察不同的 取代基对某一底物包结性能的影响。如六位磷酰基环糊精衍生物对氨基酸立体选 择性识别行为。2 、调节在不同溶剂体系中的溶解度，使环糊精成为更便于应用的 形式。3 、引入催化活性基团作为人工酶模型或成为较好的均相催化剂。 由于环糊精含有众多羟基，可通过多种化学反应进行修饰。1 、环糊精中一个 或多个伯羟基或仲羟基上的h 原子被取代，从而得到环糊精的酯、醚及糖基环糊 精。2 、通过c o h 键的断裂，使环糊精分子中一个或多个伯羟基或仲羟基被取代。 3 、将环糊精的伯羟基进行氧化，得到c 5 上的c o o h 基团，再进行进一步的修饰。 4 、氧化断裂c 2 c 3 键( 利用高碘酸盐) 。可以得到大环冠醚衍生物。目前还对环 糊精进行了多修饰或全修饰。 环糊精应用研究中最典型的成就是在“酶模型”和“人造酶”方面，其研究 的主要目的是模拟酶与特定底物结合的能力。这种结合不生成共价键，因而是迅 速、可逆并且有选择性的，可用于催化一些重要的化学反应。其中，七十年代后 期出现的一类新型环糊精主体化台物一桥联双环糊精由于其能显著提高主体对 客体的包结能力以及识别和催化过程的特异性和高效性，已逐渐成为环糊精领域 的研究重心。 南开大擘博士学位论文 1 2 生色基修饰环糊精作为荧光传感器 生色基修饰环糊精在分子识别和模拟酶研究中受到许多科学工作者的普遍关 注，这是因为光学活性基团的引入使吸收光谱、荧光光谱和圆二色谱等谱学手段 的应用成为可能。迄今已报道的用作荧光传感器的衍生物的荧光修饰基团有萘 1 0 , 1 1 , 1 2 , 1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 、芘1 7 , 1 8 , 1 9 , 2 0 、蒽2 1 一、丹酰2 3 2 4 、二茂铁2 6 2 7 、眯唑2 8 、席夫碱2 9 、偶 氮苯3 0 、苯甲酰3 1 , 3 2 等。刘育等将喹啉基、苯胺基、芴基以及一些芳香有机硒取代 基团引入到环糊精的6 位，作为光谱探针研究对脂肪氨基酸和脂肪醇的分子识别 作用”。在这一研究领域，最具代表性的是日本的u e n o 教授课题组，他们将丹酰 基团、二茂铁、偶氮苯和萘基衍生物等引入到环糊精边臂上，作为荧光光谱探针， 考察其在包结甾类和环醇类客体分子后的荧光感应性能，由于客体分子的包结， 生色的取代基从环糊精的疏水空腔中被逐出，因而此类主体分子在包结客体时均 表现为荧光淬灭3 4 , 3 5 , 3 6 , 3 7 , 3 8 , 3 9 。然而对于生色的桥联双环糊精h 1 2 在键合甾类客体 分子时，随着客体分子的加入，荧光有时上升有时下降，但均给出了相对较小的 键合常数。部分主客体的分子结构如图2 所示。 h 1 x = o hy - - o hz = d n s o ；d n s oy = o hz - - - o h x - - o hy = d n s oz - - 0 h h l l h 1 2 k & 洚眦 毛。b pay：6八 椎 av；天v八 ，a 壹至垄兰堡主兰堡垒墨 ( c h m w 一2 一山一o o c 一： 国 h 1 3 h 1 4 ，秽洲 h 1 5 c h a r t2 u e n o 等将丹酰基修饰b 一环糊精连接到纤维素膜上考察其键合光谱惰性的胆 酸分子和环醇分子4 0 。近来，他们还将荧光生色基芘、p 一环糊精和荧光淬灭基对硝 基苯连接到同一条肽链上，在包结甾类客体分子时，由于芘基和对硝基苯的相互 作用被消除，原来包结进入环糊精空腔的荧光淬灭基对硝基苯被逐出空腔，因此 键合客体表现为荧光上升，根据荧光变化情况即可以计算出键合常数的大小“。分 子结构及其键合客体的模式如图3 所示。 黔掣 c h a r t 3 h a m a d af 等合成了不同位置取代的芘和苯甲腈修饰的y 一环糊精，作为荧光 探针识别胆酸分子和萜类化合物，给出了较高的键合稳定常数4 2 。v a l e u rb 等合 成了多萘基修饰环糊精，并考察其对几种结构近似的阳离子表面活性剂的键合行 讣 ，h了 辩 酥 娄钒 小。以 酉 南开大学博士学位论文 为4 3 。h 1 3 ，h 1 4 和h 1 5 结构近似，均含有萘酰胺基，只是它们的取代位置有微小 的差异，试验结果表明其荧光行为在很大程度上依赖于温度和溶液的p h 值，在水 溶液中，h 1 作为荧光探针对中性客体分子( g 1 g 4 ) 的响应最为灵敏“。 o h g 1 h h 1 6 h 1 7 h 1 8 c h a r t 4 此外，还有与金属络合的生色基团修饰的环糊精作为荧光感应器来识别客体 分子，例如光学活性的钌配合物修饰环糊精h 1 9 和h 2 0 随着客体分子葸醌2 - 羧酸的 加入，由于客体分子与金属之间的电荷发生转移而表现为荧光下降”。而第二面被 联吡啶基连接的桥联双环糊精在配位金属钌后形成的配合物h 2 1 和h 2 2 在键合 n n = 壬基4 ，4 - 联吡啶溴时，其荧光强度随着客体分子的加入逐渐下降，体系中 继续加入甾类客体分子，荧光强度又逐渐上升，因而表现为荧光开关的特性”。 h 1 9 h 2 0 岛 r1、，、 岛 函 磨泓 磨 南开大学博士学位论文 c h a r t5 1 3 桥联双环糊精的协同识别 如果将两个环糊精单元通过适当的基团连接起来，可以得到具有双重疏水结 合作用和多重识别功能的桥联双环糊精( c y c l o d e x t r i nd i m e r ，b i s ( c y c l o d e x t r i n ) s ) ，由 于结合位点增加，以及可以通过调节联接基团以达到适宜的几何匹配，两个相邻 的环糊精空腔可协同参与对形状和尺寸适合的客体分子进行包结，扩展分子键合 能力，给出最高的配位稳定常数k s 1 0 m 。4 7 这种特性使其有可能在酶一底物和 抗原抗体强键合相互作用模拟研究中得到重要应用。 自1 9 7 2 年第一个桥联双环糊精问世以来”，由于其不仅能提高主体对客体的 包结强度，而且能够提高识别及催化的高效性和特异性，因此桥联双环糊精的台 成与仿酶和分子识别研究日益得到超分子科学家的重视。近年来，美国的b r e s l o w 教授、荷兰的n o l t e 教授、日本的f u j i m 教授等对这方面的研究做出了重要的贡献。 h a r a d a 等4 9 为了提高对底物的配位能力曾将环糊精接到聚合物上，发现聚合物 上相邻的两个环糊精对底物分子可能有协同作用，于是他们合成了丁二酸和戊二 酸在第二面以酯键连接的桥联双环糊精，并考察其与t n s 的包结配位作用，结果 表明桥联双环糊精相对于单环糊精在提高客体分子荧光强度的同时伴随着对t n s 键合能力的提高。这说明桥联双环糊精可以协同键合同一个t n s 分子。目前，对 乙基橙分子具有最强键合能力的桥联双环糊精是由f u j i t a 5 0 报道的通过巯基氧化偶 南开走学博士学位论文 阿日 c h a r t 6 随后，n o l t e 等5 6 等合成了第二面用长链的酰胺键连接的杂聚桥联双环糊精。 南开大学博士学位论文 识别客体t n s 时发现，短链杂聚桥联双环糊精对t n s 的键合能力还不及天然环糊 精，说明两个环糊精空腔没有协同作用。而长链杂聚桥联双环糊精对客体分子的 较低的键合主要归结于柔性桥链发生了自包结。 桥联双环糊精与客体分子问包结配位时的尺寸和构型匹配关系还表现在主体 的桥链长度对客体分子键合能力的影响。l i n c o l n 等5 7 考察了草酰胺桥联双环糊精 及其类似物对客体t n s 的键合能力。结果指出，一般随着主体桥链长度的增加， 对客体分子的键合能力逐渐减弱，其中d l 与t n s 形成配合物的稳定常数为3 3 1 0 4 m ，d 4 对t n s 的键合常数为1 3 1 0 4m _ ，比前者降低了一倍多。而脲酰胺 桥联双环糊精d 5 与t n s 的键合常数则为4 5 1 0 4m ，是短链桥联双环糊精包结 配位能力的1 5 倍。短的桥链可以使两个环糊精空腔对t h i s 产生最有效的协同配 位作用( 见图7 所示) 。 c h a r t7 s i k o r s k i 和p e a e r 5 8 研究了不同链长的双硫桥联双b 一环糊精对客体b n s 的键合 能力，在考察桥联双环糊精分子识别的链长效应时得出一个具有特殊意义的结果。 他们的研究结果表明，随着桥链长度每增加一个亚甲基，主体与b n s 配位过程的 自由能变化降低2 4k j t o o l 。这种随着主体链长的增加，分子键合能力下降的现 象可以从两方面加以解释：一方面，当长链桥式双环糊精与客体包结配位时，两 个环糊精空腔协同参与对客体分子的键合作用，从而导致主体的构型固定化，自 由度下降，是个熵不利的过程；另一方面，当桥链长度增加到一定长度时，桥链 基团可能与环糊精自身空腔发生自包结作用，这就增加了客体分子接近主体形成 配合物的阻力。尽管桥链的长度在某种程度上影响了主体对客体分子的键合能力， 桥联双环糊精对客体分子所形成超分子配合物的稳定性在很大程度上还是取决于 客体分子的尺寸和构型。对于一个大尺寸的客体分子，有可能是长链桥联双环糊 塑盐垄妻堡主主堡垒墨 一 精给出更稳定的包结配合物，即不司链长桥联双环糊精对不同形状和尺寸的客体 分子可能会给出不同的分子选择性次序。刘育等的近期研究结果表明”，联毗啶桥 联双环糊精对亮绿的分子键合能力随链长的增加，从8 ，1 1 0 3m “到3 , 9 1 0 m “ 依次降低，而对甲基橙的分子键合能力从5 3 1 0 3m 。到4 2 1 0 3m 。依次升高。 不同链长的多胺桥联双环糊精与a n s 和t n s 所形成超分子配合物的稳定性随桥链 长度的增加依次降低，而与亮绿和甲基橙所形成的超分子配合物则观察不到此规 律”，这说明链长的影响首先要取决于主客体间的尺寸与构型匹配关系。对一些芳 香二胺桥联双环糊精6 1 和有机硒桥联双环糊精6 2 的分子识别研究也得到了类似的结 论。 桥联双环糊精的两个环糊精单元之间有多种连接方式，如果在1 个环糊精单元 的相邻2 个吡喃葡萄糖与另个环糊精单元的2 个相邻的毗喃葡萄糖之间桥联双所 得到的桥联双环糊精为双桥基桥联双环糊精。b r e s l o w 等6 3 从6 a , 6 8 一二碘b c d 出发 设计合成了咬合的桥联双环糊精d 6 ，它们结合柔性的客体分子a 的缸r 为( 1 0 o 1 ) 1 0 m ，达到抗原抗体结合的强度范围，令人惊异的是结合刚性b 的k a 超过1 0 “ m ，可与抗原抗体复合体的结合强度媲美( 见图8 所示) 。最近，f u j i t a n 6 4 首次报 道了双巯基桥联双环糊精的晶体结构( 图9 ) ，这对于研究结构复杂的桥联双环糊 精的构型以及更深入讨论桥联双环糊精的分子识别具有重要意义。 (：j1i：)i们“ychh】c28i：$：2翌ch：c h2 曰 一0 一c h 2 c h 2 c h 2 一o c a c h a r t8 b 输 南开大学博士学位论文 c h a r t 9 桥联双环糊精除了对染料分子识别外，它对生物分子的识别可以模拟生物体 系中分子识别的现象。u e n o 等6 5 合成了在天冬氨酰桥基中引入丹酰基和在桥基 - - s c h 2 c o n h c h ( 堡d c o n h - - 5 bc h 2 处键连2 一咪唑基的不对称的二聚体，它们 对胆酸系列分子有明显的识别能力。由于天然b 环糊精的空腔直径为7 8a ，而胆 固醇的直径为1 5a ，这样环糊精二聚体似乎与胆固醇的尺寸很匹配。p e t t e r 等6 6 报 道了第一个在磷脂囊存在下桥联双环糊精对客体分子的竞争包结。b 环糊精即使在 较高的浓度下也不能将t n s 从双层膜中分离出来形成包结配合物，然而他们用合 成的一系列二巯基桥联双环糊精可以通过与磷脂囊的双层表面的竞争包结，将 t n s 从中分离出来形成包结配合物。他们的研究指出，这种通过竞争包结将有机 配体从磷脂囊的双层表面中分离出来需要荧光有机配体与桥联双环糊精空腔的几 何互补。b r c s l o w 等6 7 报道了一些桥联双环糊精对直链和环状寡肽的分子识别，他 们发现，第二面桥联双环糊精对肽链中的p h e d p r o x p h e d p r o 和 p h e d p r o ，x v a l d a l a 序列具有特殊的高选择性，而第一面桥联双环糊精与 t r p t r p 客体分子可以产生较强的配位作用。 当桥联双环糊精的桥链上有合适的取代基时，可以实现对客体分子的三重识别 和多重识别，即在桥联双环糊精的两个空腔协同包结底物的同时，桥链上的某些 基团对客体分子也产生识别作用。桥联双环糊精的桥链络合金属离子后作为一个 结合部位可以对底物发生作用。刘育等报道了联吡啶桥联双环糊精配位金属 c u ( i i ) 6 3 和有机硒桥联双环糊精配位金属p t ( r v ) 6 9 之后，对染料客体分子的键合能力 与母体桥联双环糊精相比有了明显的提高。，d e s c h e n a u x 等。7 0 合成了全甲基化的联 吡啶桥联双环糊精的铼( r e ) 配合物。这一金属配合物对于研究配位活性金属中心和 南开大学博士率位论文 包结客体间的能量转移有重要的意义。吴成泰等7 1 报道了两种多胺连接的2 , 6 二甲 基吡啶桥联双环糊精d 7 和d 8 对客体t n s 的多重识别作用( 如图1 0 所示) 。结果 表明i ) 7 在与n i ( i i ) 离子配位后，对客体t n s 键合能力约是d 8 的3 倍，而d 7 的 n i ( i i ) 配合物对t n s 的分子键合能力相对于母体几乎没有变化。通过研究桥联双环 糊精金属配合物计量，表明d 7 与n i ( i i ) 形成1 ：l 的配合物，而d 8 与n i ( i i ) l j 形成 2 ：1 的配合物，这样，前者桥链上的氮原子全部参与对n i ( i i ) 离子的配位而将d 8 两个环糊精空腔拉近，使其与小尺寸的t n s 包结配位时可以结合得更紧密，而后 者则由于两个桥链的吡啶基与金属离子配位，使链长没有发生变化，故包结配位 能力也无明显变化。 最近，r e i n h o u d t 等7 2 合成了由e d t a 次面连接的桥联双环糊精并考察了它的 e u0 i i ) 和t b ( i i i ) 的配合物与天线分子问的非共价键弱相互作用。桥联双环糊精 对敏化分子的包结配位可以提高其在镧离子周围的浓度，这样，能量可以在镧离 子和敏化分子间有效地传递。 眵掣曰 1 4 环糊精为受体的分子组装 超分子化学的重要目标是研究分子的组装过程及组装体功能，因此，分子建筑 单元的巧妙设计和有技巧地进行分子组装对予开发功能组装体有重要的意义。 h a r a d a 研究小组7 3 最近发现分子项链上的一个环糊精可以被隧道扫描显微镜 ( s t m ) 的针尖推动而沿高分子链( p e g ) 运动。如果沿相反的方向操纵s t m 针尖， d 一环糊精沿原方向回到原来的位置。这样c 环糊精的穿梭运动可以重复，并且同时 1 2 南开大学博士学位论文 操纵一对环糊精也是可能的。最近h a r a d a 等又通过光化学反应合成了带有不同端 基的聚轮烷7 4 ( 图1 1 ) 。 c h a r t l l r e i n h o u d t 等用杯芳烃修饰环糊精得到了两亲性的杯芳烃，它在水溶液中可以 形成囊泡聚集体7 5 。带有丹酰基团的桥联双环糊精杯芳烃衍生物无论有无客体分 子存在，它在水溶液中都先进行自包结，而后通过分子间作用力形成双层囊泡： 与此相反，带有2 氨基萘基团的桥联双环糊精- 杯芳烃衍生物则可以通过分子问的 组装形成纤维状的主客体配合物。这些结果不仅对于研究生物膜的结构和功能， 而且对化学传感技术以及药物分子的捕获与释放研究均具有重要意义。 刘育等7 6 以平均分子量为2 0 0 0 的p p g 为模板，6 , 6 一( 1 ，3 丙二硒) 桥联双p 一环糊 精为结构单元，制各一种通过四价铂离子将两个桥联双环糊精结合在一起的双分 子管道。通过对所得高分子聚合物的核磁、端基分析以及透射电镜原子力显微 镜研究，发现此高聚物基本上达到预期的线性结构，平均分子量为2 20 0 0 ，即有 1 6 个环糊精单元处在双链结构中。由于这种双分子管道中含有生命活性的硒、铂 元素，因此在生物医学中有潜在的应用价值。随后他们7 7 将有机硒桥联双环糊精和 萘修饰杯芳烃通过杯芳烃蔡基与桥联双环糊精的弱相互作用组装成具有高级结构 的超分子纳米线，并通过分子识别能力调控了纳米线的致密性( 图1 2 ) 。分别用扫 描电镜( s e m ) 、透射电镜( t e m ) 、隧道扫描显微镜( s t m ) 、二维核磁谱、荧光光谱 考察了组装体在固态和溶液中的组装行为。 南开大学博士学住论文 c h a r t l 2 1 5 环糊精的模拟酶研究 自然界中的酶促反应高效且专一，开发具有与天然酶功能相似的人工酶已成 为化学领域研究的重要课题之一。基于环糊精的酶模型有水解酶、转氨酶、核糖 核酸酶、氧化还原酶等7 8 。 超氧化物歧化酶( s o d ) 能催化超氧化物自由基( 0 2 “) 发生歧化反应，对于维持 生物机体内的0 2 - 产生与消除的动态平衡起重要作用。通过化学模拟手段研究 s o d 酶，以弥补其原有的难以透过生物膜的缺陷具有重要意义。r i z z a r e l l i 等人7 9 发 现，具有双官能团的组胺修饰0 环糊精的铜( i i ) 配合物e l 表现出一定的s o d 活力， 而活力大小与组胺取代基所处位置不同而有很大改变。其中a b 异构体配合物相对 于其它异构体表现出最高的活力。这可能是由于a b 位接近的两个组胺基团可以提 供具有一定柔性的配位点，从而满足为铜( i ) 离子这种催化过程中的中间体提供四 面体配位的立体化学要求。他们进一步合成了2 - 胺基吡啶双官能团修饰d 一环糊精 铜( i i ) 配合物e 2 作为s o d 酶模型8 0 。这一类配合物可以高效地清除0 2 “自由基， 而与e 1 一致，同样是a b 异构体给出最高的活力。 hh q 。产 = 3 p j 4 南开大学博士学住论文 有机硒修饰环糊精也被用作s o d 酶模型。刘育等8 1 将苯并异硒唑酮引入到p - 环糊精上得到硒酶模型e 3 和e 4 ，并采用联苯三酚自氧化法测定了它们的s o d 活 力。结果表明，模型e 3 和e 4 均表现出一定的s o d 活力，但与天然s o d 酶相比 活性约低一个数量级。e 4 的活性比e 3 高一倍，可能归因于e 4 中的催化活性中心 ( 苯并异硒唑酮) 与底物结合部位( 环糊精空腔) 具有更好的协同作用。尽管这类硒酶 模型活性没有天然s o d 酶高，但其作为一种稳定化合物不存在s o d 易失活性问 题，因此具有较好的应用前景。 含硒的桥联双环糊精被用作谷胱甘肽过氧化物酶的模拟物已有文献报道。倪 嘉缵等8 2 考察了6 , 6 - ( 1 ，3 一丙二硒) - 桥联双p 环糊精和6 , 6 一( 邻苯二硒) 桥联双p 环糊 精的s e g p x 活力，结果表明，后者由于既可以为s e 发挥催化功能提供一个疏水 环境，而且可以使环糊精单元能以合适的取向包结底物，因而表现出了较高的活 力，是已药用的含硒化合物e b s e l e n 的1 2 3 倍。 眵汁叼固”8 沈家骝等8 3 采用第面和第二面由s e s e 键桥联双d 环糊精e 5 和e 6 作为模拟 物，由于环糊精空腔对g p x 的底物谷胱甘肽和过氧化氢具有一定的结合能力，相 当于酶的结合部位，因此获得了较好的模拟效果，其中e 5 的g p x 活性是p z 5 l 的4 3 倍，而e 6 的g p x 活性是p z 5 1 的7 5 倍。考虑到s e s e 基团在模拟谷胱甘 肽过氧化物酶中的重要作用。设计和合成同时具有s e - s e 键和芳香环的桥联双环 糊精衍生物有可能得到高活力的模拟物。到目前为止，有关于桥联双环糊糙作为 s o d 模拟物的研究仍未见文献的报道。 论文选题： 由以上所述可见，桥联双环糊精是一类很具有价值的超分子化合物，对它 南开大学博士学位论文 的研究方兴未艾，发展前景令人鼓舞。基于桥联双环糊精的分子识别和分子组装 是一个富于挑战性的课题，利用桥联双环糊精广泛开发各种具有特异功能的超分 子体系，深入研究和理解多重识别行为以及组装过程的驱动力，无论在理论上还 是在实际应用方面都具有重大意义。x i e 等8 4 对环糊精衍生物研究提出了两个重点 即研究荧光基团修饰的环糊精及环糊精的二聚物。经过十几年来的发展，虽然在 上述领域取得了可喜的进展，但有关于荧光基团修饰的环糊精二聚物却少有文献 的报道。 基于以上分析，本文设计并合成了2 , 2 联喹啉4 ，4 二甲酰基桥联双环糊精和 6 , 6 一( 4 ，4 - 二硒化双苯甲酰基) 桥联双环糊精，研究了2 , 2 。联喹啉4 ，4 i 二甲酰基桥 联双环糊精及其c u ( i i ) 配合物作为高效的荧光传感器对甾类客体分子的识别， 同时还考察了联喹啉和有机硒桥联双环糊精对荧光染料客体分子的识别能力，进 一步探讨了桥联双环糊精对客体分子的协同与多重识别的机制；进而以2 , 2 联喹 啉一4 ，4 - 二甲酰基桥联双环糊精为主体单元，以p p g 为客体分子，通过金属软连接 构筑了含多金属配位中心的双带聚轮烷和双分子纳米管道，采用荧光滴定手段研 究了分子穿插过程的驱动力：并对同时具有s e - s e - 键和芳香环的桥联双环糊精衍 生物6 , 6 ( 4 ，4 - 二硒化双苯甲酰基) 桥联双环糊精和6 , 6 ( 2 ，2 二硒化双苯甲酰基) 桥联双环糊精模拟超氧化物歧化酶( s o d ) 的行为进行了初探。 参考文献 1 p e r d s e n ，c j a n g e w c h e m i n t e de n 9 1 1 9 8 8 ，2 7 , 1 0 2 1 2 ( a ) l e h n ，j m a n g e w c h e m i n t e d e n 9 1 1 9 8 8 ，2 7 ，8 9 ( b ) l e h n ，j m a n g e w c h e m i n t e d e n 9 1 1 9 9 0 ，2 9 ，1 3 0 4 3 c r a m ，d j a n g e wc h e m i n t e d e n 9 1 1 9 8 8 ，2 7 , 10 0 9 4 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 ，v 0 1 1 - 1 1 p e r g a m o n ，1 9 9 6 5 c a ) s z e j t l i ，j c y c l o d e x t r i n sa n dt h e i r i n c l u s i o n c o m p l e x e s ，a k a d 6 m i a i k i a d 6 ： b u d a p e s t ，1 9 8 2 ；( b ) s z e j t l i ，j ；o s a ，ie d s 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 r c h e m i s t y r , v o l3 ，c y c l o d e x t r i n s ；a t w o o d ，j l ；d a v i e s ，j 。e d 。；m a e n i c o l ，d d ： v 6 9 t l e ，f ；e d s p e r g a m o n ：o x f o r d ，1 9 9 6 南开大学博士学位论文 6 s z e j t l i ，j c h e m r e v 1 9 9 8 ，9 8 ，1 7 4 3 7 ( a ) s z e j t l i ，j c y c l o d e x t r i nt e c h n o l o g y d o r d r e c h i ：k l u w e r - a c a d e m i c ，1 9 8 8 ( b ) s a e n g e r , w a n g e w c h e m i n t e d e n 9 1 1 9 8 0 ，1 9 ，3 4 4 8 ( a ) b r e s l o w , r s c i e n c e1 9 8 2 ，2 1 8 ，5 3 2 ( b ) b r e s l o w , r p u r ea p p l c h e m 1 9 9 0 ，6 2 ， 18 5 9 ( c ) b r e s l o w , r 尸“肥a p p l c h e m 1 9 9 4 ，6 6 ，1 5 7 3 ( d ) b r e s l o w , r a c c c h e m r e s 1 9 5 5 ，2 8 ，1 4 6 9c r o f t ，a p ；b a r t s c h ，r a t e t r a h e d r o n1 9 8 3 ，3 9 ，1 4 1 7 1 0 g a o ，x 一m ：t o n g ，l h ；i n o u e ，y ；t a i ，a s y n c o m m ，1 9 9 5 ，2 5 例，7 0 3 11 u e n o ，a ；t o m i t a ，y ；o s a ，t ，c h e m s o c c h e m ，c o m m u n ，1 9 8 3 ，9 7 6 1 2 u e n o ，a ；m o r i w a k i ，f ；0 s a ，t t e t r a h e d r o n ，1 9 8 7 ，4 3 ，1 5 7 13 m i n a t o ，s ；o s a ，t ；u e n o ，a jc h e m s o c c h e m c o m m u n ，1 9 9 1 ，l 0