（有机化学专业论文）新型杯4芳烃衍生物的合成及其光谱性质研究.pdf

摘要 杯芳烃是由4 2 0 个苯酚单元在2 ，6 位与亚甲基相连形成的大环低聚物。 随着杯芳烃化学的发展，功能化的杯芳烃已用于分子识别、离子识别、分子探针、 医药等各种领域。 本文以对叔丁基苯酚和甲醛为起始原料，通过缩合再通过一步或二步取代 反应合成了五种新型对叔丁基杯 4 芳烃衍生物( 化合物a 、b 、c 、d 、e ) ，其 结构经f t - i r 、1 hn m r 、f a b m s 表征确认。对化合物d 、化合物3 与稀土离 子e u 3 + 、t b 34 的配合识别进行了详细的研究，以及将d e u 作为小牛胸腺d n a 分子探针作了初步探讨。 a b s t a c r c a l i x a r e n e sa r em a d eu po f4 2 0o h e n o lu n i t sl i n k e db ym e l h y l e n eb r i d g e sf o r m a c r o c y c l i co l i g o m e r s w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f c h e m i s t r y o fc a l i x a r e n et h e f u n c t i o n a l i z e dc a l l x a r e n eh a v eb e e nw i d e l yu s e d i nm o l e c u l a r r e c o g n i t i o n ，i o n r e c o g n i t i o n ，m o l e c u l a r f l u o r e s c e n c ep r o b e ，m e d i c i n ee t c 。 f i v en e wp t e r t b u t y l c a l i x 【4 a r e n ed e r i v m i v e s ( c o m p o u n d sa b ，c ，d ，e ) w e r e s y n t h e s i z e db yc o n d e n s a t i o n ，i tt a k e so n e - s t e po rt w o s t e ps u b s t i t u t et or e a c tw i t h p - t e r t p h e n o l a n d f o r m a l d e h y d e a s s t a r t i n gm a t e r i a l s ，r e s p e c t i v e l y t h ep r o d u c t s t r u c t u r e sw e r ei d e m i f i e d b yf t - i r 。鞭n m r 。f a b m ss p e c t r a t h ec o m p l e x r e c o g n i t i o n o fc o m p o u n dda n dc o m p o u n d3t oe u 3 + ，t b nw e r ei n v e s t i g a t e di n d e t a i l s ，a n dap r e l i m i n a r yi n v e s t i g a t i o ni st a l ef o rt h ef l u o r e s c e n ep r o b ea f t e ra d d i n g d n a 6 第一篇合成 第一节综述 1 引言 杯芳烃是继环糊精、冠醚之后出现的“第三代超分子”主体，是由酚类物质 与醛或酮借助缩合反应在2 、6 位与亚甲基相连形成而得到的一类环状低聚物，冈 其分子形状酷似希腊圣杯( c a l i x c r a t e r ) ，由此得名为杯芳烃( c a l i x a r e n e ) 。虽然酚醛缩 合物早就有人合成，但系列杯芳烃类酚醛缩合物直到上世纪7 0 年代末才由g u t s c h e 等人通过严格控制反应条件得到( 见图1 ) ，并且该类化合物可以作为分子受体 或模拟酶，引起了科学工作者的极大注意。近年来已经研究到了n = 4 1 4 多种杯芳 烃及其衍生物。 图1 杯芳烃的结构 从杯芳烃的结构来看，其环状结构具有多种构象 2 1 ( 如锥形、半锥形等1 。列于 锥形而言，其底部( 下沿) 紧密而有规律地排列着数个亲水性的酚羟基，杯口部( 上沿) 带有疏水亲油性的取代基团( 例如对叔丁基) ，中间拥有一定尺寸的空腔，使得杯芳 烃既可以输送阳离子，又可以与有机中性分子、阴离子借氢键等非共价键形成主 客体分子的一类大环化台物。该类化合物具有如下特点1 3 , 4 1 ；( 1 ) 空腔大小可人为调 节，根据不同客体的要求控制苯酚单元的个数可获得不同尺寸的空腔；( 2 ) 构象可 变，通过改变化学反应的条件及弓1 入适宜的取代基可确立所需的构象：( 3 1 易于化 学改性与修饰，利用芳环上不同基团的活性及芳环不同部位的活性，通过置换、 取代等化学反应导入或衍生出具有特殊功能的官能团涞改善杯芳烃的自身缺陷并 增强整体分子的选择性；( 4 ) 便于合成且各项物理、化学性质稳定。j f 由于前述优 异性能，伴随着主客体化学( h o s t g u e s t c h e m i s t r y ) 的迅速发展，杯芳烃再次引起化 学家的高度瞩目。2 0 年来杯芳烃的合成、性能及其应埽樽到了充分的重视与发展 i s 。远几年，疆善主客体化学默单点识别发疆到多懑识别戴多点识别势肉不对毒蠡性 识别方向发展【6 1 ，杯芳烃的合成向着功能化方向发展【n 。美、日、德、英等固化学 家先蜃载其台或与性憨齐装了系臻磷究，劳在配合镑l 鞠、分辑 毫学 9 | 、分子识甓、 分子催化【l l j 等领域的应用中取得了突破性进展。困内的研究起步于上世纪9 0 年代 初稿，中科院化学所等单位开震了系列研究，并取得了一些有价值的研究成果。 2 杯芳烃的构象 杯芳烃是一种构象不稳定的体系在溶液中往往是多种构象的混合物。同一杯 芳烃或英愆生穆豹龟结酝位往戆与褥象有穰太关系，豳魏魏悸确宠耨芳烃靛稳象， 以及在杯芳烃的合成和衍生化反应中如何获得具有特定并稳定的构象，对杯芳烃 的化学住能及反应来说都具有菲常重要的意义。 x 一衍射晶体结构分析的结果表明，对叔丁基杯【4 】芳熄在固态时，以杯子的形 烈存在，它的4 个羟基处于同一平面上d 2 。g u s t c h e 1 3 1 等将这种固态构象称为t 锥 形( c o n e ) ”构象，短耪【4 】芳烃潜在存在其媳三静构象分别设翕名为“半镶f f e ( p a r t i a l c o n e ) ”、“l ，3 交替式( 1 ，3 - a l t e r n a t e ) ”和“1 ，2 - 交替式( 1 ，2 - a l t e m a t e ) ”构象 ( 冕图2 ) 。 锥式半锥式 1 ，2 一交替1 ，3 一交替 鞫2 梅芳烃静翰象 在溶液状态，杯【4 芳烃的苯酚单元可以通过芳香基团围绕与驻甲基桥相连的 谈藤子懿转，双露表现密稀f 4 】芳烃的鼯萃孛构象。g u t s c h e 等 1 41 5 估算了这种构象 之间转换的势垒。有趣的是，在筑仿这类非极性溶剂中，杯【4 芳烃桥上的亚甲基 飘= 岁 宙 质子的1 hn m r 在较低温度时( 约低于2 0 。c ) 表现出一对双峰，而在较高温度时 ( 约高于6 0 。c ) 则表现出一个尖锐的单峰。对这种现象的可能解释是，以核磁共 振的时间尺度，高温时两种互为镜像的“锥式”构象之间转化速度快，而在低温 时转化慢。1 hn m r 是确定杯【4 芳烃在溶液中构象的一个有力手段，不同的构象 可以通过亚甲基桥上氢原予的核磁共振谱图反映出来：“锥式”构象给出一对双峰； “半锥式”构象给出两对双峰( 1 ：1 ) 。 溶剂的极性对杯 4 】芳烃在溶液中的构象转化速度有很大影响。在氯仿，苯， 甲苯，溴苯以及二硫化碳这类非极性溶剂中，随杯f 4 】芳烃对位取代基的不同，苯 环翻转势垒在5 7 3 k j m o l 。( 杯 4 芳烃在苯中) 到6 5 6 k j - t o o l 。1 ( 对叔丁基杯 f 4 1 芳烃在氯仿中) 的范围内变化。g u t s c h e 等 1 副认为这应归因于杯芳烃与各溶剂分 子形成内式包结物的能力不同。在极性溶剂中，例如丙酮和乙腈中，翻转势垒通 常会显著降低，特别是在吡啶溶剂体系这一效应更为明显。对叔丁基杯f 4 1 芳烃的 苯环翻转势垒由氯仿中6 5 6 k j m o l 降低为在吡啶中的5 6 0 k j m o l ；杯 4 】芳 烃的苯环翻转势垒由氯仿中6 1 4k j m o l 1 降低为吡啶中的4 9 3k j m o l 1 对此 现象的一个可能解释是，极性溶剂破坏了将杯芳烃骨架维系成“锥式”构象的分 子内氢键作用。 1 9 9 8 年，d e no t t e r 和b r i e l s 1 6 j 对杯【4 芳烃异构化速率的溶剂效应进行了分子 动力学模拟，发现氯仿对“锥式”构象比苯有更高的稳定化作用，而他们得出的 速率常数与实验结果一致。1 9 9 9 年，b o h m e r 等旧研究了酚羟基被部分甲基化的 杯【4 】芳烃从一种“锥式”构象翻转到另一种“锥式”构象的转化过程，首次给出 了此体系能量势垒的实验值。 x 一射线晶体结构研究表明，杯 5 】芳烃在固态时以“锥式”构象存在，但它的 形状更接近一个浅的碟子“”。杯【6 】芳烃可能存在锥式、半锥式、1 ，2 交替、l ， 3 一交替、1 ，4 一交替、1 ，2 ，3 一交替、1 ，2 ，4 交替、1 ，3 ，5 一交替等8 种 主要构象，由于此体系的柔性的增加，因此可能存在更多的其他构象鸭杯【8 】芳 烃存在1 6 种主要构象，还有多种多样的苯环发生部分扭曲的构象1 2 0 】。杯 6 芳烃和 杯 8 】芳烃以及其他类型的杯芳烃的构象也可以通过其亚甲基质子的1 hn r m 峰的 情况来证明。 9 3 下沿酚羟基的化学修饰 下沿酚羟基的化学修饰是借助于杯芳烃中酚羟基的化学活性而完成的衍生反 应，它在通常的情况下易于进行醚化、酯化等反应。近几年下沿的化学改陉表现 在引入特性基团( 如手性基团、光学活性基团、电学活性基团、多基亲水性基团) 和冠醚化( 如单冠醚、多冠醚、多杯桥联多穴冠醚等) 。 杯芳烃下沿酚羟基活性较大，通过一些化学反应可以方便地导入一些功能基 团。大量实验表明，杯芳烃衍生物的分子识别选择性主要是由空腔大d , * l l 酚氧的 取代所控制。通常情况是在缓和碱性溶剂存在下，杯芳烃与卤代物进行取代反应， 从而导入各种基团，这些基团包括酯、胺和羧酸类衍生物并用于金属离子和铵离 子的包合配位作用 2 q 。b e l l 合成了系列含有酮式结构的杯【5 】衍生物并用于n a + 、 r b + 的分子识别【2 “。g r o t e g a n s e y 合成了系列含有不同个数的脂肪酸、脂肪酰胺的 水溶性杯【4 衍生物作为a c 3 + 的离子探针【2 3 】。r u d k e v i c h 合成含有不同个数羧酸和 羧酸酰胺结构的杯 4 】衍生物，这些衍生物与e u 3 + 、t b ”形成中性络合物并在甲醇介 质中具有增强荧光、扩展荧光寿命的功效口“。j i n 利用杯芳烃羧酸酯化合物制作成 磷脂膜用于碱金属的离子传输【2 ”。m e i e r 等人分别研究了杯【8 羧酸酯衍生物和杯 4 乙酰胺衍生物的络合性能 2 6 , 2 7 1 。b a r b o s o 合成了具有4 个氨基甲酰乙基氧化磷 ( c m p o ) 的杯 4 芳烃衍生物1 2 8 j ，v a n d e r v e e n 先将杯芳烃甲基化后再导入m 、n 一二 甲基氨基羧酸) 甲氧基，使得杯芳烃的下沿携带具有柔软性的光学离子探针，可以 与p b 2 t 、c d 2 + 等金属离子络合【2 9 1 。 由于杯芳烃对于化学、生物样品的分子识别中活性探针来说是一种理想的骨 架，探针基团与杯芳烃的结合具有预先组织的客体键位，它对于化学探针技术的 发展有着十分重要的理论与应用意义，引起了化学家对这种新型的受激响应主体 体系的设计有了极大的兴趣。 r o s i n i n g 等人用一步法将2 ，2 一二噻唑键合于杯芳烃的酚羟基上，合成了对 过渡金属阳离子具有络合作用并显示荧光变化d o 的杯芳烃衍生物。j i 在合成l ，3 ， 一交替杯【4 】冠- 6 的基础上p ”，引入蒽基团，合成了1 ，3 - 杯【4 双( 9 氰基1 0 一蒽基甲 基) 一o - 苯冠- 6 ，显示出对c s + 的荧光探针功能【3 2 1 。d o n e l d 等人将电活性基团蒽醌导 入杯【4 芳烃制备了具有氧化还原功能的杯芳烃阳离子载体3 3 】。t a l a n o v a 等人在杯 1 0 4 芳烃的1 ，3 位酚羟基分别引入c h 2 c ( o ) c l ，然后再进一步导入5 - ( 二甲基氨基) 一 萘1 磺酰胺( d a n s y la m i n d e ) ，合成了具有荧光功能的杯芳烃衍生物。j a m e s 阁等 人合成了含有手性叔胺的衍生物，用于糖类物质( s a c c h a r i d e s ) 的分子识别。p a r k e r p 叫 等人合成了含有2 ，2 二羟基1 ，1 二萘的手性衍生物，用于对映体的荧光识别； g r a d y ”1 等人合成了系列手性杯芳烃并用于对映体手性胺的荧光分析。 然而，羟基往往是导入非o r 型功能基团的障碍，即某种意义上讲成环酚又限 制了杯芳烃超分子化学的发展与应用。由于氨基的化学活性较大，易于进行各种 衍生化反应，同时也可以改善杯芳烃的某些性质，因此用氨基取代羟基是化学家 感兴趣的热点问题之一。o h s e t o 采取低温( 一7 8 。c ) 条件下，杯【4 芳烃与k n h 2 反应 成功地合成了单氨基或双氨基杯 4 】芳烃网。a l e s i u k 等人采取杯芳烃在席夫碱作 用下发生重排反应，然后经与联胺反应及p d 催化还原等步骤，合成了1 ，3 取代的氨 基杯f 4 芳烃。显然，这类氨杯芳烃( a m i n o c a l i x a r e n e ) 具有更为广泛的理论价值和应用 前景。 近几年杯芳烃化学的一个发展方向就是在杯芳烃分予内或分子间进行桥联， 从而获得含有两个以上且有识别客体分子能力的大环化合物。由于这些多环化合 物对客体分子的识别能力比一般杯芳烃要强得多，并且有的具有生理活性或催化 功能，受到化学家的注意。 杯冠化合物( c a l i x c r o w n ) 就是其中的突出代表，酚羟基在碱性条件下与多醇酯 进行酯化反应，生成含有不同桥联单元的杯芳烃衍生物。从桥联方式来说，它可 以是生成分子内1 ，3 位或l ，2 位或分子间的单桥联化合物；也可以是分子内二 桥联的化合物 s t 2 + b a 2 + m 9 2 + 。由于杯【4 芳烃衍 生物9 的上缘引入了2 ，4 - 二硝基苯偶氮基团，在与c a c l 2 水溶液作用时，生色基 团的最大吸收峰由4 3 7 n m 红移至6 0 3 n m ，并在4 8 8 n m 处给出等吸收点，而溶液的 颜色由微黄变为蓝绿色。 c h u a nf e n g c h e n 等【2 2 】合成了上缘拥有对硝基下缘拥有冠醚基团的二酯一杯 4 1 4 一冠醚1 0 。过量的三乙胺存在下，当加入碱金属和碱土金属离子在1 ： 1 ( c h c l 3 ：c h 3 0 h ) 的1 0 溶液中，发现1 0 对金属离子的络台能力顺序为c a 2 + s r 2 0 n a + b a 2 + l i + 。在与c a ”作用时，生色基团的最大吸收峰由3 9 2 n m 红移至5 4 4 n m ， 并在4 4 3 n m 处给出等吸收点。 n 0 2 1 0l l a f r 。c h 2 c 0 2 e t ) l l b ( r + r = c h 2 c o n h ( c h 2 ) 2 n h c o c h 2 ) i m o h a m m e d z i e g l o r 等设计了上缘拥有两个硝基助色团杯 4 】芳烃衍生物 1 1 。在丙酮中，经研究表明l l a 、l l b 与c a 2 + 的络合常数分别为1 6 4 0 、】6 7 ，并指 出了1 l a 比对l i + 、n a - 、m 9 2 + 的络合能力大得多，l l b 比l i + 4 、但比l i + 、n a + 、m 9 2 + 更有选择性。 k i m 等卅用核磁共振方法研究表明了杯 4 】芳烃衍生物1 2 与c a 2 优良的络合 能力( 见图3 ) 。h c 的化学位移红移1 0 6 p p m ，表明了c a 2 + 被1 2 中的冠醚部分的 杂原子所配位；h j 的化学位移红移0 1 p p m ，表明了1 2 中两个旋转了的芳香苯环 参与了n - 阳离子作用；h a 、h h 、h i 、h l 、h m 的化学位移红移，表明了发色基团 也协助缔合c a 2 + 的配位。过后，k i m l 2 5 1 等又合成及应用了杯 4 】芳烃衍生物1 3 ，在 乙腈溶液中，1 3 与c a 2 + 发生n - 阳离子作用时，对硝基苯偶氮生色基团的的最大吸 收峰由3 9 8 n m 红移至5 4 8 n m ，并在4 4 7 n m 处给出等吸收点，而溶液的颜色由红色 变为紫色；并用光谱滴定法测得1 3 与c a 2 + 的络台常数k a = 2 9 0 3 3 0 9 5 。 1 2 1 3 钒 矗y p j 飞。 。铲。妙埝矗 1 4 1 5 ( r 1 = c h 3r 2 = c h 2 c o o h ) 1 6 ( r 1 2 c h 2 c h 2 0 c h sr 2 = c h 2 c o o h ) 图2 n + b a r a k a l 等【2 7 】等报导了杯f 4 】芳烃衍生物l s 和1 6 经萃取证明对c a 2 + 有选择识 别性。1 5 和1 6 个下缘拥有两个酸性质子，与碱土金属离子的化合价的数值相等， 故此炎抒 4 】芳烃辑生物与c a 2 + 粒终含萃取弓l 起了人们的攫大兴趣。l s 秘1 6 与c a 2 + 、m 9 2 + 、s r 2 + 、b a 2 + 发生质子一阳离子的交换过程中，在大多数的情况下是形成1 ： 2 离予一配体静会藩绦舍物。棱磁共薮臻究绪巢表弱躐会耧离子与1 6 静濑穴努 络合( 见图2 ) ；并指出了1 5 对碱土金耩离子的选择识别顺序为c a 2 0 s r 2 + b e l m 9 2 + ，1 6 对碱金耩离子的选择识剐颓序为c a 2 + b a 2 一 s t 2 + m 9 2 + 。 t o m 等l 】叫首先报导了杯 4 】芳烃含磷衍生物1 7 作为载体的p v c 膜电极在 m 9 2 + 、c a ：+ 金属离子中对c a 2 的选择识别性。 t a c k 等1 2 9 、3 03 1 1 设计合成了单醌三羧酸搭 4 1 芳烃衍生物1 8 ，其对c a 2 + 的选择 识别性通过循环伏安法、核磁基振和u v - v i s 研究结果表明c e 一是与1 8 下缘的三 个羧黢基霞终合，醮熬分协驹其与e f + 终合。 3 秘芳烃对考瓿小分子识剐性 3 。l 杯芳烃对有机小分予的识别作用 2 0 世纪8 0 年代中期以来，g u t s c h e 等几个研究组分别报导了杯芳烃及其衍 生物缝谤 爨多秘毒擞小分子，与它们澎残稳定瓣包结物。2 。这些小分子雹据氯 仿、二氯甲烷、甲醇、苯、甲苯、苯甲醚、吡啶、氧化眦啶、二氧六环等，分子 谈爨豹主要推动力为氯键俘弼、静电作蠲帮流承 睾翊，两空穴大d , n 怒主要瀚选择 性依据。 1 9 8 6 年，m c k e r v e y 8 “领导的研究组合成了杯 4 、杯 6 及杯 8 芳烃的 多种酯类锈生物并搬导了杯 4 芳烃酯类衍生物与乙赌形成化学计登1 ：1 包结镌 的晶体结构。这是首次对非芳香客体与杯芳烃衍生物所形成的包结物晶体结构进 行的报导，并且证实该包结物为笼形包结物。 进入9 0 年代后，为了更加有效地识别有机小分子，人们对杯芳烃类化合物的 结构及其多种可行的衍生物进行深入研究的基础上，又对其在分离和纯化有机小 分子方面进行了有意义的探索h a m a n n 等人“在1 9 9 6 年提出了带有脲基官能团 的杯 4 芳烃可以通过头2 尾氢键作用形成二聚体，这种二聚体能够与氟代苯形成 化学计量1 ：1 的包结物。实验中，当客体分子氟代苯加入到上述二聚体的溶液 中”f n m r 谱图在高场处出现一新的单峰。这是由于包结后的氟代苯的邻、间、 对位氢原子有着不同的化学位移，这说明该客体进入到空腔的特定位置：邻位和 间位氢原子位于杯芳烃苯环的n 一电子体系内，而对位氢原子和氟原子位于闭合环 的脲基处，积分表明二者大约按l ：l 化学计量比络合。该类主体对其他客体如吡 嗪、对二氟代苯的识别和包结作用也可直接从核磁共振谱图中观测到。 随后，u n g a r o 等人“。1 合成了几种具有高度的预组织作用和刚性锥形构象的 杯 4 芳烃衍生物，进一步的工作表明其中具有n 一供体和刚性桥连的杯 4 芳 烃衍生物在气相中对一系列中性有机分子有包结作用，而其余的则能够在气相或 氘代氯仿溶液中，络合具有酸性氢的有机小分子，如c h 3 n 0 2 和c h 2 ( c n ) 2 。 1 9 9 8 年，s c h a t z 等人“指出对叔丁基杯 4 、杯 6 芳烃包结客体分子甲 苯、邻二甲苯、间二甲苯、t h f 、氯仿、丙酮、二氯甲烷、二硫化碳等的化学计量 比( 从1 ：2 到4 ：1 ) 可简便有效地通过热分析、质谱和固态1 3 c - n m r 谱来实现表 征。 早在1 9 9 1 年，p e r r i n 及其同事“”首次实现了用杯 4 芳烃选择性分离二甲 苯的异构体。结果表明，对异丙基杯 4 芳烃( p i s o p r o p y i c a l i x 4 a r e n e ) 和对 异丙基双氧杂杯 4 芳烃( p i s o p r o p y i b i s h o m o o x a - c a l i x 4 】a r e n e ) 分别对邻二甲苯 和对二甲苯有显著的选择性。 1 9 9 4 年，a t w o o d 4 6 l 和s u z u k i l 4 7 1 先后发现锥形构象的杯 8 芳烃内径为8 6 1 0 。1 。m 与c 6 0 直径7 1x l o 。1 0 1 1 1 相匹配，可形成核一壳式1 ：1 化学计量比的包结 物。由于该包结物在大多数有机溶剂中很难溶解，可以通过分级沉淀有效地把c 。 作为沉淀物而提纯。1 9 9 9 年，查一五等人“8 1 改用溶解c 6 0 更好的溶剂，这样不仅成 本下降，简化了后续处理，而且纯度也比前面报导的高。 因此，改进后的方法有 望成为大规模分离制备高n c s o 的更有效的方法。 此外，杯芳烃类衍生物也能够识别较大的有机分子，可与多种芘”、醌”。、 二茂铁”1 、甾体“、笼碳”、染料分子“等形成稳定的包结物目前，l 玉i 绕杯 芳烃的手性识别和仿生物酶等的研究正向更深和更广的方向发展5 一。 3 2 杯芳烃包结有机小分子的作用方式 3 2 1 穴状空腔( c r i p t a t o c a v i t a t e ) 笼形包结物 杯 4 芳烃”中叔丁基的甲基与芳香族客体分子如甲苯”的芳核间存在稳定 的相互作用，在晶体衍射中观察到该包结物具有分子内主一客体特征：甲苯被容纳 在杯芳烃分子的空腔内。在该包结物中，甲苯分子通过c c h 。键位于杯芳烃的 四重轴上，因此它在杯芳烃的空腔内有两个相等的方向。许多实验事实表明杯芳 烃对芳香族客体的包结络合程度依靠于杯芳烃对位的取代基，如对叔丁基或对叔 戊基杯 4 芳烃与甲苯形成的包结物比不含叔丁基或对叔辛基的要牢固得多。这 种c h ，一n 相互作用的结论后来也为b a u e r 和g u t s e h e “”在研究溶液中杯芳烃和多 种客体分子的相互作用的工作所证实。因此，w e b e r 和j o s e l “根据主客体类化 合物命名规则把具有此种作用方式的包结物称为穴状空腔笼形包结物。u n g a r o 等 人还报导了一种具有上述穴状空腔的包结物”，它是由对叔丁基杯 4 芳烃与 茴香醚2 ：1 化学计量比络合而形成的，晶体可通过在杯芳烃的茴香醚溶液中慢 慢蒸发茴香醚而获得。在该包结物中，不显电性的客体被包裹进由两分子杯芳烃 所围成的闭合笼形结构中，其中杯芳烃的叔丁基与茴香醚的芳核发生相互作用。 茴香醚无序地分布在至少8 个等价方向上，其中4 个方向是茴香醚- - o c h 3 沿着 四重轴指向闭合笼形结构中的一分子杯芳烃的内部，另外4 个方向则是一o c h 3 指向另一分子杯芳烃的内部，该复合模式对无序体系是很有利的。前面曾提到 m c k e r v e y 等人的工作中，当只在杯芳烃主体分子中的酚羟基进行官能化时，就会 破坏杯芳烃完整的锥形构象，减少了其对称性排布，但他们在羟基官能化的杯 4 芳烃衍生物与乙腈形成的包结物的x 射线图中惊奇地发现：该穴状笼形包结物仍 维持由主体杯芳烃所形成的完整的锥形构象，乙腈分子插入到杯芳烃空腔内部， 其氮原子指向外部。 c r a m 等人”川在杯芳烃衍生物的芳杯上与亚甲基相邻的两个碳原子间引入 ，o s if r ) 2 一o 官能团而使其构象具有刚性，二硫化碳客体分子则进入该刚性的预组 织主体中。此主体也能够与丙炔形成穴状笼形包结物，丙炔的甲基位于空腔外部。 3 2 2管状( t u b u l a t o ) 笼形包结物 a n d d r e e t t i 等人”41 曾指出对叔丁基杯 4 芳烃与芳香族客体分子形成包结物 时，客体分子总是占据着杯芳烃的分子内空腔，而其分子间空隙则是空着的。 随着研究的深入，他们指出这类化合物的包结行为升i 总是按照上述情况发生，它 是受环的大小，苯酚对位取代基的性质和构象的刚性程度等几种因素的影响。他 们报导了杯 4 芳烃衍生物与甲苯形成的化学计量1 ：1 包结物时仍采取锥形构 象。但与对叔丁基杯 4 芳烃不同的是杯芳烃衍生物的锥形构象不能使甲苯分 子进入其分子内空腔，而只能进入由杯芳烃衍生物分子堆积形成的分子间空隙内。 为了与以前的工作相对照，将这种包结物称为管状笼形包结物。这说明单一靠主体 分子中存在的锥形构象不足以确保分子内包结作用的发生，其它因素的影响也很 重要：如苯环对位取代基既不能太大( 阻止了甲苯分子的进入) ，也不能太小( 否 则不能包裹住客体分子) 。 4 展望 概括前述，利用人工合成的具有高度选择性的主体与适当的客体之问的分子 识别功能建立仿生物酶模型的研究，已成为生物有机化学前沿极具挑战性和应用 前景的新兴领域。近年来，人们已经发展了多种人工模拟酶，其中功能化了的杯 芳烃作为仿酶模拟物并且将其分子识别功能应用在生物领域，有望成为新世纪杯 芳烃化学的重要研究课题。由于杯芳烃分子的独特结构和性质，可根据各种客体 分子设计不同大小的空穴、空间结构，并具有高度选择性和亲合性的杯芳烃为主 体分子，将这些杯芳烃衍生物作为检测微量钙离子的分析，予见会出现许多新的 课题，它会远远超出分析化学的领域；但当前对钙离子高度专一识别性的杯芳烃 衍生物的研究成果报导不多，进一步合成更多类型且性能更加优异的杯芳烃衍生 物并研究其性能，无疑会对超分子化学的发展与应用有着十分重要的意义。杯 4 芳烃衍生物与稀土离子的配合作用及其能量转移致使发光变化更有着十分重要的 研究意义。本论文对化合物3 、d 与e u 3 + 、t b 的配合作用，以及将d e u 3 + 作为小 牛胸腺d n a 分子探针作了初步探讨。 1 理论 第二节分析应用 1 1 化学计量比的确定 1 1 1 摩尔比法 测定配合物组分化学计量的最简单的方法就是摩尔比法( m 0 1 a rr a t i 0 m e t h o d ) 。在此方法中，如果包结配位反应可以引起吸收光谱的变化， 则需要固定光谱活性物质( h ) 的浓度，然后改变配合物中另一组分( g ) 的浓 度，测定某一特定波长下h 的吸收光谱强度变化。在理想状况下，以吸收 强度对溶液中配合物两组分间的摩尔比作图可以得到两条相交的直线( 见 图1 ) ，其中交点在x 轴上对应的摩尔比即为配合物组分的化学计量比。 s t o i c h i o m e t t i cr a t i oo ft h ec o m o l e x 图1 摩尔法求化学计量示意图 而在实际上，除非满足以下3 个条件，否则此方法很容易给出不正确的 结论：( 1 ) h 和g 间只能形成惟一的一种配合物；( 2 ) 配位稳定常数k s 足够大， 能够产生清晰的交叉点；( 3 ) 其他配合组分，例如缓冲或掩蔽试剂为常数。 这些条件在真实体系中很难被一一满足，因此此方法的应用受到很大限制。 1 1 2 等摩尔连续递交法( j o b 法) 确定化学计量比的一个较好的办法是等摩尔连续递变法，因为j o b 首先 将该方法在分析化学中进行广泛应用，因此又称为j o b 法13 。假设超分 子配合物h g n ，的形成可以用下式表示： 5 0 ，工16cai肇苛u罨qj8d k s h+ n g 一一h g 。 ( 1 ) 实验中，配制一系列溶液，保持主体h 和客体g 的总浓度为一常数 日l j ： h jo 十 g o = c ( 2 ) 因此，三种物质的平衡浓度可以分别表示为： h - c ( 卜x ) _ h g n ( 3 ) g = c x 一1 2 h g n ( 4 ) h g n = k s h g ” ( 5 ) 其中x 为客体g 的摩尔分数。对式( 4 ) 和式( 5 ) 进行一级微分，然后剔 除 h 、 g 和 h o n 项，得到一个仅仅依赖于x 和x 的n 值： n = x 。( 1 一x 。)( 6 ) 将各溶液在某一固定波长下的吸光度值a 对摩尔分数工作图，可以得到 如下所示的曲线( 图2 ) 。 图2l ：1 配合物的等摩尔连续变化曲线 图2 中，a 最大值对应的。为0 5 ，将其代入式( 6 ) ，可以得到配合物化学 计量比为1 ：1 。如果，值为0 6 7 或0 7 5 ，则相对应的配合物化学计量为1 ：2 或1 ：3 。 1 2 光谱滴定法测定配合物的稳定常数( b e n e s i - - h i l d e b r a n d 方程) 在主体( h ) 、客体( g ) 间形成化学计量l ：1 的超分子配合物时，体系中存 在如下平衡： 日+ g 生_ h g 主体( 1 ) 和客体问形成初始浓度分别为 g 。、 h 。，达到配位平衡时，主体( h ) 、 客体( g ) 和超分子配合物的浓度分别为 h 、 g 、 h g ，则配位稳定常数k 。可以 表示为： k 。：卫堕： 【盥 “ 【月儿g ( 爿。一f 月g ) ( 【g 】o 一【月g ) 在实验中，保持客体浓度远远大于主体浓度，即 g 。 h k 则上式可以简化为： k ，： 【塑3 。 ( h i o 一 月g 】) g 。 主体配位前后，紫外一可见吸收强度可以分别表示为： a o = 岛【h 1 0 z a = e o 瞰】f + q 。 h g 】_ f _ e o - ( 【h o - h g ) f + 9 1 h g 】l 其中e 。与e 。分别为主体( h ) 和超分子配合物( h g ) 的摩尔吸系数实验中常用 的标准样品池光路为l c m ，则上两式中的项可以略去故可以变形得： 爿= a o a = ( o 一1 ) h g = a 6 【h g 册 - 吆s 整理得到： ! 兰m 堡! ! ：上堕k 一 k s a c s 以 h 。 g 。ay 4 g 。作图，根据直线斜率和截距可以分别得到超分子配合物的 稳常数k 。 2 实验 荧光光谱实验在h i a c h if - 2 5 0 0 荧光分光光度计上进行，扫描速度为 3 0 0 n m m i n ，激发和发射狭缝均为5 n m ，荧光强度f 由仪器自动给出( 峰高法) ： 紫外一可见光谱在t e c h c o m pu v _ s 一8 5 0 0 上进行。测量温度室温。稀土硝酸 铕由质量分数为9 9 9 9 的三氧化二铕与硝酸反应制备，t b ( n 0 3 ) 3 2 h 2 0 由美 国进口购买。杯芳烃衍生物与稀土离子( 1 l i ) 混合后在h z 2 4 型网转振荡槽振荡 2 4 小时，小牛胸腺d n a ( 存放在饱和食盐水中) 在实验前半小时加入。 3 结果与讨论 3 1d e u 3 t 、3 e u 3 - 配合物的光谱特性 图3d e u ”配合物的激发图图4d e u 3 + 配合物的紫外吸收图 k e m = 6 1 4 n m e u 3 + - 80 x 1 0 4 m o l l d 】= 2 0 1 0 5 m o l l ， e u 3 + = 2 0 1 0 4 m o l l 【d = 4 0 1 0 5 m o l l 从图3 、图4 可知，在乙腈溶液中检测e u ”在6 1 4 n m 的跃迁发射，d e u ” 配合物在2 5 0 3 0 0 n m 问出现宽带激发峰，并且在2 8 2 n m 有最大激发峰。配合物 在2 5 0 3 0 0 n m 的激发带与其在2 7 2 5 r i m 的最大紫外吸收峰有很大程度的重叠，表 明配合物中存在配体对e u 3 + 的能量传递【i 。化合物d 浓度为4 0 1 0 m o i l l 的 最大紫外吸收峰为2 7 3 0 n m ，与d e u ”在2 7 2 5 n m 的最大紫外吸收峰比较蓝移了 o 5 n m 也说明了d 与e u 3 + 之间发生了配位作用。 。j，。 。1j i 二二二一 。畦_ 石f _ 下2 8 0 五f 1 3 1 0 畜霸。m2 自d 2 7 0m3 口0m3 3 0 寸筇 一 们 网53 e u ”配合物的激发 址m = 6 1 4 n m 图63 e u ”配台物的紫外吸收图 3 1 = 40 10 一n l o l l e u ”1 = 80 1 04 m o l l 【3 = 2 0 1 0 m o l l e u ” - 2 0 x 1 0 1 m o l l 从图5 、图6 可知，在乙腈溶液中检测e u ”在6 1 4 n m 的跃迁发射，3 e u ”配 合物在2 5 0 3 0 0 m n 间出现宽带激发峰，并且在2 8 2 n m 有最大激发峰。配合物在 2 5 0 3 0 0 n m 的激发带与其在2 7 7 5 r i m 的最大紫外吸收峰有很大程度的重叠，表明 配合物中存在配体对e u 3 + 的能量传递 1 8 沌”。化合物3 浓度为4 o 1 0 _ 5m o l l 的最 大紫外吸收峰为2 8 0 5 r i m ，与3 e u ”在2 7 7 5 n m 的最大紫外吸收峰比较蓝移了 3 0 n m 也说明了3 与e u 3 + 之间发生了配位作用。 皿痂黜锄鲫皿皿蜘和皿动 m 佣 图7d e u s + 配合物的发射图 _ e x = 2 8 2 n m 图83 e u h 配合物的发射图 x e x = 2 8 2 n m 从图7 、图8 中可知，在乙腈溶液中保持e u ”的浓度为2 1 0 m o l l ，改变杯 芳烃的浓度( t o o l l ) 依次为：4 0 1 0 一、5 0 1 0 一、6 0 1 0 、7 0 1 0 、8 0 1 0 一、 9 0 1 0 一、1 0 1 0 4 ；化合物d 与e u ”配合物在6 1 8 n m 最大发射峰的强度分别为： 1 5 8 8 、2 8 1 5 、3 3 2 4 、3 8 3 0 、4 0 8 6 、4 4 4 9 、4 9 3 9 ；化合物3 与e u ”配合物在6 1 8 n m 最大发射峰的强度分别为：4 7 5 9 、9 4 8 ，7 、7 9 1 0 、7 7 7 5 、8 0 0 5 、9 1 6 3 、1 0 2 3 0 。 这都说明了配合物中存在配体对e u s + 的能量传递并且发出e u ”在6 1 8 n m ( 5 d n 到 7 f z ) 的特征荧光峰，而且他们的特征荧光峰是有规律的增加。其原因为杯 4 芳烃 配体通过能量吸收基团( 苯酚环p h o 或苯磺酰基) 的nn + 共轭体系吸收能量跃迁 7 1 、 ：， 。、：、 一 。，一。、一 m文 ，叫叫d11叫叫1 到激发态，经内转换作用驰豫到最低激发单重态( 1 n n + ) ，再经系间蹿跃到摄低 激发三熏态( 。nn + ) ，然后通过分子内能量传递给稀土离子，从而发出稀土离子的 特征荧光，对于稀土铕离子，由于存在着电荷迁移态( c t ) ，使得配体的激发三重态能 量被大大猝灭1 b “。对化合物d 和化合物3 而。f - 5 ，在化合物d 中不但存在c = o 向 e u ”的电荷转移态，还有s = o 向e u ”的电荷转移态，所以使得化合物3 的配合物荧 光特征峰化合物d 的配合物荧光特征峰强，这也说明了s = 0 参与了e u ”的配位作用 发生了n 一阳离子相互作用。 3 2d e u 3 + 配合物计量比( j o b 法) 广、二、。 ， - ，一?、 1。、 1 、 j i 。2 。3 。1 。6l 。x 篙1 7 。 。 图9d e u ”配合物计量比 ( 【d 卜【e u 3 + 】) = 2 1 0 m o l l ，沁m = 6 1 8 r i m ，k e x = 2 8 2 n m 乙腈溶液中，配制一系列溶液，保持 d + 【e u 3 + 】- 2 1 0 m o l l ，在2 8 2 n m 激发 波长激发下，分析6 1 8 n m 发射峰的强度分别为1 5 0 6 、6 1 2 2 、1 1 0 4 、1 5 0 0 、1 6 7 2 、 1 6 0 、1 3 0 7 、7 5 7 6 、5 9 8 0 。故由图9 可以知道化合物d 与e u ”的配位比为1 ：1 。 3 3d e u 3 + 配位稳定常数l ( s 2 7 02 川103 川5 0 n m 图1 0d e u ”配合物的紫外吸收图 【d 】= 4 10 一m o l l ，1 6 e u 3 + 】( x1 0 3 ) ：0 、l2 、1 6 、2 0 、2 4 、2 8 图1 0 为在乙腈浴液中，化合物d 与e u ”配合作用的紫外吸收图，保持化合物 d 的浓度为4 1 0 m 。i f l ，然后改变e u h 的浓度依次为( m o l l ) ：0 、1 2 1 0 一、1 6 1 0 、2 0 1 0 、2 4 1 0 一、2 8 1 0 。化合物d 浓度为4 0 1 0 5 的最大紫外吸 收峰为2 7 3 0 r i m ，吸光度a 为o 2 1 4 8 ，d e u ”在2 7 2 5 n m 有最大紫外吸收峰并且 随着e u ”浓度的增加配合物的紫外最大吸收度有规律的增加依次为：o 2 5 5 7 、 0 2 6 5 7 、0 2 6 8 7 、0 2 7 4 7 、0 2 7 8 2 。 再根据b e n e s j - - h i1d e b r a n d 方程线性拟合得图1 1 ：故求得d e u ”配位稳定 常数k s = 5 8 6 1 0 4 。 图1 1b e n e s i - - h i l d e b r a n d 线性拟合 3 , 4 3 e u 3 + 、d t b 3 + 、3 t b 3 + 配合物紫外吸收探讨 在乙腈溶液中，保持化合物3 的浓度为4 1 0 m o l l ，然后改变e u ”的浓度依 次为( m o l l ) ：0 、8 0 1 0 _ 4 、1 2 1 0 、1 6 1 0 。3 、2 0 1 0 一、2 4 x 1 0 。、2 盘1 0 3 、 3 2 t 0 、3 6 1 0 一、4 0 1 0 一。化合物3 最大紫外吸收峰为2 8 0 5 n m 、吸光度a 为o 】9 5 5 ；配合作用后最大吸收峰为2 7 7 5 m n ，吸光度增加依次为：0 】9 9 9 、o 2 0 7 8 、 o 2 1 0 6 、0 2 1 8 5 、o 2 3 8 1 、0 2 3 4 5 、o 2 5 4 7 、o ，2 5 5 5 、0