超分子化学-第三章 阴离子的络合主体

第三章阴离子的络合主体本章主要内容3.1引言3.2生物阴离子受体3.3阴离子主体设计理念3.4从阳离子主体到阴离子主体3.5胍盐基受体3.6有机金属受体3.7中性受体3.8氢负离子海绵和其他路易斯酸螯合剂3.9反冠3.10配位作用Cl-3.1引言1968年，杜邦公司的Park和Simmonds报道了大二环对卤离子的络合性质（第一个实例）非共价阴离子的配位化学的发展较慢由于阴离子固有性质所致：半径相对较大，受体半径也要大具有高的溶剂化自由能存在多种形状和几何构型窄的pH稳定区（例：多铵盐不能完全质子化）配位饱和（仅能通过弱作用力结合）研究成果少，挑战F-K+NH4+离子形状球形——线性——平面——四面体——八面体——低聚磷酸根阴离子离子形状卤离子SCN-，N3-NO3-，PtCl42-PO43-，SO42-PF6-，Fe(CN)63-3.2生物阴离子受体70-75%的酶作用物和产物是阴离子，常见的是磷酸基残基（如在ATP和ADP

里）或无机磷酸根硫酸根和羧基也常出现在生化体系中氯离子是一种主要的细胞外阴离子生物阴离子络合中，酶或蛋白质主体通常是生物系统运转的一部分，如生物催化或传输热力学选择性，动力学选择性强阴离子结合蛋白质不是刚性预组织的大环或大二环结构，而更趋向于柔韧性更好的线性分子蛋白质构象转变键合阴离子，大量的焓稳定的蛋白质-阴离子相互作用可弥补预组织的缺乏IAIBIIAIIIAIIIB3DstructureofHSAIIBMelittin

(1)络合磷酸根和硫酸根的蛋白质Phosphatebindingprotein（PBP）和Sulphatebindingprotein（SBP）蛋白质与阴离子依靠大量氢键力相互作用英国剑桥晶体结构数据系统英国剑桥大学的剑桥晶体数据中心(CCDCCambridgeCrystallographicDataCentre)自1965年起就从事晶体数据的收集、整理与计算机化工作。该中心发展的剑桥结构数据库CSD(CambridgeStructuralDatabase)是基于X光和中子衍射试验唯一的有机小分子及有机金属分子晶体结构数据库1.CSD;2.Brookhaven蛋白质数据库PDB(ProteinDataBank);3.Isostar-关于非键相互作用的数据库。(2)作为阴离子络合点的精氨酸蛋白质和酶中非常重要的氨基酸残基——精氨酸精氨酸残基含一个胍基团，非常好的阴离子络合点，质子化形式很宽的pH范围，形成双氢键精氨酸存在于超氧化歧化酶（SOD），柠檬酸盐的合酶等酶中另一个是蛋白酪氨酸磷酸酶中，可结合钨酸盐阴离子(3)羧酞酶A（CPA）同样使用精氨酸残基捆绑阴离子L-苯乳酸3.3阴离子主体设计理念阴离子的大尺寸和高极化率意味着，无方向性作用力如色散力在阴离子键合中扮演重要角色阴离子结合的另外一种力是静电相互作用（无方向性）通过汇聚性氢键与阴离子客体结合，并且根据主体的大小展示尺寸选择性在阴离子主体设计时要考虑的因素预组织化，补充结合点（考虑阴离子基本特性）1、负电荷静电的无方向性面临抗衡离子的大幅选择性竞争2、路易斯碱性有机硼、汞或锡化合物及金属阳离子，如含路易斯酸原子的反冠路易斯酸-碱具有高度方向性，为选择性主体设计奠定很好的基础路碱性使阴离子适合作为氢键受体

3、高极化度阴离子是高度极化的，因而范德华作用很重要阴离子的三维包封提高所有与主体匹配阴离子的结合能力4、溶剂化阴离子具有高溶剂化能，比阳离子影响大很多结合常数变化，H2O<DMSO<MeCN<CHCl3<CCl45、几何构型和配位数大量阴离子配位的几何构型是已知的，匹配有利配位数或键合作用的增加有利于稳定性3.4从阳离子主体到阴离子主体-pH的简单变化（1）四面体受体了解阴离子结合性质的最明了办法是把路易斯碱性（氢键受体)和对正电主体的吸引相结合叔氮桥头和仲铵链的路易斯碱性，可以络合金属离子pH的简单变化使胺质子化，结合阴离子穴状配体能容纳阴离子，且质子化氮原子之间没有大排斥力“足球”分子匹配完美朝外构象，空穴大对Br-、I-高结合3.09Ǻ4.54Ǻ（2）形状选择性4.193.02.64.3

4.4对一价离子的选择性ClO4-,I-,Br-<CH3CO2-<HCO2-

<NO3-,NO2-<F-,IO3-静电贡献、拓扑（形状）互补11.2F-Cl-Br-N3-F-（3）二维主体多质子化的主体，空穴被NH质子填充，空间太小不能结合阴离子，卤离子结合成铲状4.6结合NO3-优先于卤离子，通过H2O分子间接发生作用大环能担当大的无机阴离子的主体修饰的氮杂冠醚与阴离子的络合结合常数随负电荷增加而增大相同电荷，对称性匹配有利（环尺寸)SO42-与(4.10)-6H+匹配，C2O42-与(4.8)-8H+匹配同样存在阴离子结合大环效应（大于非环）大环（4.9）对ATP和ADP的结合成为ATP生产的基础单环氮杂冠类主体识别阴离子（双络合功能基）期望根据间隔基长度改变形状的主体，能依据分子长度产生对二酸阴离子的选择性识别中等选择性，尺寸匹配更重要基于质子化氮原子的阴离子受体——拓展的卟啉大环尺寸要匹配5.5ǺF-4.15与Cl-表现更强的相互作用力与(4.14)相比，(4.15)是一个更好的F-载体，并不能有效传输Cl-（载体和受体的区别）Cl-的加入抑制F-传输阴离子传输实验（4）环番主体指包含了桥连芳香环的任意的有机主体分子含质子化N功能团的环番作为阴离子主体特别是，二苯甲烷基被普遍用作构筑识别阴离子和中性分子的环番主体的间隔基（刚性、弯曲度、环尺寸）荧光探针多重识别作用力

(4.20)通过pH和NMR测定，与1、2价阴离子形成1：1的复合物如NO3-,X射线显示其结合在主体空穴外，但溶液中显示被包封诱导匹配可以结合核苷酸3.5胍盐基受体受欢迎的结构，作为精氨酸残基（二齿氢键配位）胍盐电荷密度尺寸匹配不好结合不强！与磷酸二酯（R2O2PO2-）结合强双环衍生物络合对硝基苯甲酸盐对氨基酸的络合提取N-乙酰氨酸双环胍盐识别增加识别力3.6有机金属受体1989年，牛津大学PaulBeer制备了双二茂钴受体1HNMR可测定到结合NH质子低场位移（溶剂选择）循环伏安法同样监测到结合85mVH2PO4-存在下，电势变化为240mV循环伏安法一种界面电化学技术，涉及到测量电流随所施加电压的变化循环伏安法装置示意图循环伏安法能提高大量信息,关于化合物氧化-还原活性、稳定性及其氧化态和还原态的可达性完全可逆(ipa=ipc),部分可逆(ipc<ipa),不可逆(ipc=0)大的阴离子结合常数干扰金属中心的氧化还原电势，使其难于还原,产生△E电极吸附、电化学反应、电化学-化学耦联反应汞、金、铂电极等二茂钴主体大环效应结合强以杯芳烃为框架刚性强，水溶性稍差两个NH的位置很理想，很好结合乙酸根，也能结合Cl-三阳离子主体，其空腔巧妙结合阴离子PF6-，形成C-H···F氢键PF6-静电作用阴离子配位剂，尺寸大小的选择性四金属杯[4]芳烃对Cl-

551，Br-133，I-51，NO3-49，不络合乙酸根、硫酸根和磷酸二氢根（大尺寸，高水合能）(4.38)较宽较浅的碗状结构，倾向于络合大四面体含氧阴离子，如99TcO4-3.7中性受体使用阳离子作为阴离子结合主体的缺陷正电荷主体，通过无方向性静电作用和阴离子络合，选择性是附加相互作用（氢键、尺寸）的结果抗衡阴离子干扰目标阴离子的结合，其表观结合常数是主体对一个阴离子的亲和力与另一个的比率，不能代表主-客体的绝对亲和力1.两性离子同时包含正电荷和负电荷的中性分子（氨基酸，蛋白质，酶等）2.氢键主体对于阴离子最合理的中性主体可能是基于氢键相互作用，很强、有方向性，也能结合到大量分子脚手架（scaffold）内，有利于预组织能够螯合羧酸根、磷酸根、磺酸根及形状类似的阴离子(4.42）基于2,2′,2″-三氨乙基胺，3个N-H汇集于同一结合点4.42存在与萘环的堆积作用4.43中，3个二茂铁可作为氧化还原传感器来检测阴离子的结合Cl-F-杯[4]吡咯由吡咯和丙酮缩合得到COOHCOOHHOOCX-杯[6]芳烃硫脲衍生物3.8氢负离子海绵和其他路易斯酸螯合剂质子海绵（1,8-二（二甲氨基）萘），特别有效的质子螯合剂贝尔实验室贝尔实验室是晶体管、激光器、太阳能电池、发光二极管、数字交换机、通信卫星、电子数字计算机、蜂窝移动通信设备、长途电视传送、仿真语言、有声电影、立体声录音，以及通信网等许多重大发明的诞生地。自1925年以来，贝尔实验室共获得两万五千多项专利，现在，平均每个工作日获得四项多专利。这些技术使朗讯科技（LucentTechnologies）公司在通信系统、产品、元件和网络软件方面处于全球领先地位。迄今为止，贝尔实验室的科学家们共获得11项诺贝尔物理学奖、九项美国国家科学奖以及八项美国国家科技奖。大量的路易斯酸螯合剂F-F3.9反冠冠醚路易斯碱主体（如O、N、S等），路易斯酸受体（金属离子，有机阳离子等）反冠路易斯酸作为主体，对路易斯碱具有亲和力。大环效应，螯合效应，预组织性Br-类似氯离子络