论文总字数：18369字

目 录

1 引言 1

1.1 瓜环及其衍生物的研究概况 2

1.2 瓜环的主客体研究 2

1.3 瓜环的应用前景 2

1.4 tQ[14]与脂肪二胺主客体包结 3

2 实验部分 4

2.1实验仪器及试剂 4

2.2 tQ[14]的制备 4

2.3等温滴定量热法（ITC）实验 5

3 结果与讨论 5

3.1 tQ[14]-二胺体系的核磁滴定分析 5

3.2 tQ[14]–二胺体系溶液状态的 ITC 分析 11

3.3 结论 13

4 讨论 13

参考文献 14

致谢 17

铰接十四元瓜环与烷基二胺主客体的研究

张颖

, China

Abstract: Supramolecular is one of the most heated discussed topic at the present and have attracted increasing research interest. During the field of host-guest chemistry, cucurbit[n]uril, as a novel cage-like compound, present unique host structure. However, cucurbit[n]uril are difficult to dissolve in water and organic solvent, which limits its application prospect, it is necessary to develop its derivatives. Herein, this essay introduces cucurbit[n]s derivations—twisted cucurbit[14]uril (tQ[14]) due to its outstanding flexible structure and not only could dissolve in water aqueous but also organic solvent, which could be applied in medical chemistry, self-assembly molecule, molecule identification, catalyst and biochemistry. Encapsulation of alkyldiammonium ions within two different cavities of twisted cucurbit[14]uril is concluded in this assay, and the main driving force behand the interaction of alkyldiammonium ions with twisted cucurbit[14]uril is proposed in detail. Finally, we put insights into the application prospect in various fields.

Key words: Supramolecular assembly; Cucurbit[n]uril; Twisted cucurbit[14]uril; Encapsulation

1 引言

“超分子”一词最早出现在二十世纪30年代，近几十多年来已经迅速发展成一门充满活力的交叉型学科，是具有超高复杂性和一定组织性的整体的化学。与信息科学、材料科学、生命科学领域相互渗透，有很大的应用前景，是当代最前沿的化学研究领域之一^[1,2]。超分子化学是研究两种或两种以上的化学物，通过分子间的相互作用缔结形成的具有特定结构和功能的超分子体系的科学。迄今为止，对超分子的研究的内容和领域在不断扩大和深入，而主客体化学是它的核心研究内容，从分子化学到超分子化学这个概念上的跨度，预示着化学的发展正步入一个新的纪元。

瓜环（cucurbit[n]urils，以下简称Q[n]）又称葫芦脲，是超分子化学中最重要的成员之一。它是超分子化学中继冠醚、环糊精之后发展起来的一种类新型高度对称的桶状大环主体分子。瓜环是外观形状像南瓜，且由多个亚甲基桥连起来的环状苷脲聚合物。与杯芳烃、冠醚、环糊精等这些大环穴状配体相比，瓜环的重要的结构特征之一就是它具有较强的刚性结构^[3]。在结构上，瓜环是具有两端开口的空腔，且两端口尺寸相同,空腔内直径大于端口直径的桶状，瓜环两端具有内疏水外亲水空腔及由环绕的羰基氧原子，由于其具有内疏水外亲水空腔及由环绕的羰基氧原子组成的端口这一特殊结构，使得瓜环能够通过疏水作用氢键，离子偶极等键合作用键合多种有机阳离子，而且这种羰基氧原子具有亲水性，可以与金属离子等官能团发生缔结作用进而能配位金属离子形成金属配合物^[4]。所以瓜环不仅是较好的供电子基，而且在动力学方面也比较稳定。且不容易发生构象变化，在强酸性或强碱性介质中都具有良好的稳定性。而且具有很高的热稳定性^[5]。因此瓜环在化合物的分离与捕集，框架化合物，化合物的识别，聚合材料，药物缓释，催化等领域都将有较大的应用和发展空间^[6]。

但是，瓜环在普通溶剂中的溶解度很低(lt;10-5mol/L)，仅Q[5、7]在水中有一定溶解度(2×10-2- 3×l0-2moL/L，这些瓜环均不溶于常见的有机溶剂^[7]。但是瓜环低的溶解性一定程度上限制了瓜环应用方面的研究。而瓜环的衍生物，比如而环己烷基五元瓜环和环己基六环在水中和普通有机溶剂(如甲醇、DMSO)中都有一定的溶解性。从而扩展了其应用领域。因此对瓜环进行修饰以及对瓜环衍生物的研究来就尤为必要。

本文主要介绍了目前为止发现的瓜环及其衍生物家族中聚合度最大的瓜环即铰接十四元瓜环（cucurbit[14]uril以下简称tQ[14]），并研究其烷基二胺主客体多腔体包结的作用。tQ[14]的发现预示着瓜环可以达到较高的聚合度，而且证明在瓜环的合成中是可以独立存在的。结果发现，tQ[14]多腔体包结烷基二胺很大程度上提高了瓜环的利用效率，可以帮助我们更好的了解瓜环及其衍生物的主客体化学，更加扩大了瓜环在各个领域的应用，比如医药化学、分子自组装、分子识别、催化作用以及生物化学上的应用。

1.1 瓜环及其衍生物的研究概况

早在1905年Behrned等^[8]人就合成得到了六元瓜环，但该化合物一直没有引起人们足够的重视，Freemna和Mock等人在1951年才重新研究了该反应过程，并确定了它的结构^[9]。由于该类化合物的系统命名特别复杂， Feremna建议用cucurbituril命名。2003年，Kim 等研究组报道了合成多羟基瓜环的新方法^[10]。在 85^oC 的水溶液中，普通瓜环在强氧化剂 K₂S₂O₈的作用下，腰上的质子氢被氧化为羟基，其产率达到 45％。Kim等还发现阳离子树枝状聚合物、DNA和瓜环会以非共价键组合,完全自组装为三元配合物，其中瓜环虽无生物活性但却是功能模块。最近，Kim等将含有琉基终端的玻璃底物与全经基六元瓜环的烷基化衍生物在紫外光下反应,得到用Q[6]表面修饰的玻璃模板，然后与带有荧光基团的精胺反应，再充分水洗，从而可以用作传感器或生物芯片。Miyahara 等^[11]最近在酸的催化作用下浓缩乙烯脲和福尔马林（甲醛）合成得到了一类新的瓜环――半瓜环。Day 等^[12]在研究瓜环的合成实验时，意外地得到了空腔内混有一个 Q[5]的 Q[10]分子，从而进一步壮大了瓜环家族。我国的学者对瓜环衍生物的合成也做了很大的贡献。比如贵州大学陶朱教授课题组^[13]则利用二甲基取代甘脲的二醚与甘脲二聚体成功合成了新型取代六元瓜环——对称四甲基六元瓜环。所以我们可以得出结论，进一步衍生化的瓜环在普通溶剂中具有良好的溶解度，从而解决了瓜环的低溶解度带来的在很多应用上受限制的问题，使得瓜环衍生物在众多领域有广泛的应用领域。因此这些瓜环衍生物的合成大大推动了瓜环化学的快速发展和应用前景。

1.2 瓜环的主客体研究

瓜环可以作为一类新型分子包结容器，因为在水溶液中以及有机溶剂中对有机分子、金属配合物及多种金属离子具有很强的键合能力及包结作用，所以在超分子化学研究中扮演着日渐不可替代的角色。瓜环是由疏水性的内腔和极性羰基端口构成的，而且瓜环衍生物的中间空腔和端口尺寸随着聚合度n的增大而增大，从而可以键合各种大小形状不同的分子和离子。另外，瓜环下两个极性端口均含有多个羰基氧原子，因此对于阳离子来说是优良的给体，对客体分子表现出具有不同的分子识别性质，所以具有较强并且专一的主客体键合能力。比如，空腔直径较小的 Q[5]只能容纳体积较小的中性分子，如O₂、N₂、乙氰、甲醇等。Q[5]也可以在端口键合NH⁴ 和Pb² 等阳离子，而两个NH⁴ 正好把Q[5]的两端口封住，端口羰基氧原子对带正电的阳离子来说是优良的电子给体，该配合作用远大于醚氧给体。而Q[6]的空腔尺寸与α-环糊精接近，能包结更大的中性分子，如四氢呋喃、环戊烷和苯的衍生物等^[14]。

1.3 瓜环的应用前景

瓜环具有亲水性的两侧极性端口和疏水性的内部空腔，其特殊的穴状结构现已成为化学界的研究热点。尤其是近几年来，关于瓜环组装和自组装研究在分子开关、分子识别等方面的应用以及瓜环在生物科学、催化剂载体、药物的缓释控等领域的研究和应用获得了重要的研究成果。特别地，再次强调瓜环的结构，它是由疏水性的内腔和亲水性的极性羰基氧端构成，具有较强并且专一的主客体键合能力，因此不同尺寸下可以与特定的客体分子结合，起到识别不同分子的作用，这一独特的性质更是被很多学者应用到新型的污水处理系统中。更重要的是，瓜环可以与金属离子发生键合，最重要的应用就是可以在水溶液中分离重镧系离子和轻镧系离子^[15]。超分子催化也是一项重要的应用领域，瓜环的结构特征尤其是其疏水的空腔决定了其可以作为分子反应容器。目前对于瓜环的催化作用研究也是瓜环化学比较热门的研究方向之一。由于瓜环的空腔对客体分子的选择性结合，必然会影响被包结客体分子的反应活性。比如，Mock等研究了六元瓜环对1，3-偶极环加成反应的催化作用，结果表明，六元瓜环使反应速度明显加快。反应速率大概提高了 500 倍^[16]。另外，在医药生也有很重要的应用。Kim 课题组在 Q[7]的空腔内成功包结了一个抗癌类药物奥沙利铂形成稳定的包结配合物。包结作用大大增强了该药物的稳定性，同时可以减缓药物的释放，对细胞的摄取起到缓冲作用，这就很大程度上降低了药物对人体的副作用，意义重大^[17]。

1.4 tQ[14]与脂肪二胺主客体包结

我们已经认识到超分子主体的空腔和分子胶囊的空腔环境在溶液中是完全不同的^[18-20]。被包结的客体分子和在生物学体系中一样表现出不寻常的构造形态和反应性^[21-24]。在过去的几十年中，许多研究者已经对包结在超分子空腔和分子胶囊中的客体分子进行了研究。特别是Rebeketal已经研究了客体分子在与其自组装的分子胶囊的空腔中的性质^[18-20]。但大部分这些超分子主体和分子胶囊都只有一个空腔且是刚性结构的。据我们所知,具有多个空腔的超分子主体和分子胶囊包结客体的情况还没有被报道过^[25]。

Q[5,10]的两个端口都具有相同数量的羰基氧，还有一个疏水性的空腔[26-30]。 大量的文献已经报道了客体分子和这些瓜环的疏水性空腔作用时采取扭曲的构造和表现出特殊的反应性。例如，Kim研究组发现了烷基链和Q[8]的空腔作用时，烷基链呈现出U形构造^[31,32]。 Mock和Shih用NMR技术详尽的阐述了Q[6]和烷基二胺离子形成的主客体化合物^[33]。近年，我们成功的合成了14个苷脲单元由28个亚甲基桥联而成的tQ[14]^[34]。初步的实验表明，tQ[14]有两个特点：(1) tQ[14]不仅可以溶解在水溶液中，而且可以溶解在有机溶剂中，如DMSO和DMF；(2)更重要的是tQ[14]是弹性可变的，具有一个中心空腔（ ~120±30ų）和两个相同的贝壳式空腔（ ~200±40ų），如图1所示。然而，关于tQ[14]还有两个更重要的问题未被回 答：tQ[14]的中心空腔和两端空腔的环境有何差异吗？客体分子如何占据tQ[14]的两种不同的空腔？为了解决这两个问题，我们通过核磁滴定和ITC技术研究了tQ[14]和一系列脂肪二胺离子( H₃N(CH2)nNH³ ,n=2，4，6，8，10,简称1-5)在水溶液和DMSO中的主客体性质。 实验结果表明，作用模式与客体的长度和选择的溶剂有关。作用模式如图2。

图 1 tQ[14]的中心空腔和两端空腔

图2 tQ[14]与不同脂肪胺客体的作用模式

2 实验部分

2.1实验仪器及试剂

客体1-5的制备是通过相应的胺类与盐酸在水溶液中反应获得。且所有的胺类都是从Aldrich公司购买。客体1-5（浓度为1mM）的pH值分别为5.42，5.82，6.03，5.17和5.91。tQ[14]主体溶液是在我们实验室制备（Angew. Chem.，Int. Ed. 2013，52，7252–7255）。每个NMR管中加入0.40mg的客体与0.5mlD₂O或DMSO，之后滴入tQ[14]主体溶液（0.50mlD₂O或DMSO中含有0.5mg tQ[14]）。所有的NMR数据都是在温度为293.15k条件下获得的，且从型号为Bruker DPX 400分光计中获得。MALDI-TOF质谱分析是纪录在Bruker BIFLEX III超高分辨傅里叶转换离子回旋加速器（FT-ICR）质谱仪中。

2.2 tQ[14]的制备

苷脲（50g，0.35mol）和多聚甲醛（26.2 g, 0.86 mol）的混合物在浓盐酸（100ml）中室温的条件下搅拌1小时之后加热到100^oC搅拌6小时。把得到的溶液冷却到室温之后注入到甲基醇（700ml）中沉淀下来得到粗糙的淡黄色固体。残渣在沸水中重新溶解3-4倍（200ml）。通过过滤和蒸发收集滤液从而得到粗糙固体，主产品是Q[5]和Q[7]，副产物是Q[5]@Q[10]，tQ[14]和少量的未知固体。通过色谱分析法，利用Dowex 50W2–400(H)型号的色谱柱,醋酸：水为1:1，来提纯混合物。样品（计算值为27g）注入到色谱柱中（5 cm (Ø) × 75 cm），用洗脱剂（醋酸：水体积比为1:1）洗脱样品最终得到黄白色的固体tQ[14]（0.86g，1.2%），并且在洗脱的过程中，逐渐加入0.01M到2M的盐酸。

2.3等温滴定量热法（ITC）实验

所有的滴定过程在Nano ITC仪器（TA，SA）上进行。所有的溶液都是在纯净水中制得并且在实验开始之前就进行脱气处理。把tQ[14]的水溶液（浓度为0.1mM）放进样品室重（体积为1.3mL）。温度从T=298.15K开始纪录。实验过程中，通过把客体溶液注入到去离子水中以及减掉主客体滴定中的数据来达到修正稀释温度的目的。利用Nano ITC分析软件进行电脑模拟（曲线拟合）。在曲线拟合之前通常去掉第一个数据点。利用独立的模型和ORIGIN 8.0软件分析数据。

3 结果与讨论

3.1 tQ[14]-二胺体系的核磁滴定分析

首先，通过核磁手段研究了tQ[14]与脂肪二胺离子在水溶液中的相互作用。¹H NMR滴定结果表明，除客体2，其余四个二胺客体与tQ[14]似乎具有相似的作用方式（如图3-图6所示），即当滴定刚开始时，或者说瓜环tQ[14]的量较大时，客体分子进入的屏蔽空腔使其失去了对称性，客体分子上具有对称性的所有亚甲基质子共振峰都展示出来，且均向高场移动；随着滴定过程中客体量的不断增加，又呈现出一组不断向低场移动的具有对称性的亚甲基质子共振峰，说明此时作用客体与游离客体交换频率大于仪器的工作频率，只能观察到作用客体与游离客体平均结果，从而可能掩盖了真实的主客体相互作用情况。这里我们以客体3与tQ[14]的作用情况作为代表进行较详细的表述。图4展示了在D₂O中客体3与tQ[14]相互作用的核磁滴定结果。在滴定最初期（图4e），即tQ[14]与客体3的作用比例为1.2时，可以观察到具有对称结构游离客体的6个亚甲基质子共振峰均向高场移动，即原有三组对称亚甲基质子共振峰在进入tQ[14]的空腔后发生分裂。因此有两种可能，一种情况可能是客体3进入tQ[14]的一种空腔，使其所有亚甲基质子均处于不同的化学环境而产生的分裂；另一种情况则是客体3进入tQ[14]的两个不同空腔，一些客体3进入中心空腔，一些客体3进入贝壳空腔或者客体3分别进入tQ[14]的两个贝壳空腔。究竟是哪一种作用模式，将在下面进一步讨论。随着客体3量的逐渐增加，客体3的亚甲基质子共振峰转变三个，并逐渐向低场移动（图4d，c和b）。说明此时客体3进出瓜环屏蔽空腔的频率大于仪器的工作频率，只能观察到作用客体与游离客体的平均结果。除说明客体进入瓜环的屏蔽空腔，但无法准确表述详细的主客体相互作用模式。但对于碳链较长的客体4，5也有类似的结果，显然tQ[14]的两种不同空腔均不能完全容纳这样的客体，因此，推测滴定初期主客体相互作用采用图2I的作用模式。

图3（500 MHz, D2O, 20°C），tQ[14]与客体1 的摩尔比分别为0(a), 0.25 (b), 0.43 (c), 1.02 (d),

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：18369字

相关图片展示：