6-全脫氧-6-全氯代-β-環(huán)糊精的合成及自組裝行為

嚴(yán)冬青，王聰聰，王冬雪，高俊杰，趙鑫濤，孫 蕊，樊 志

（天津科技大學(xué)化工與材料學(xué)院，天津 300457）

6-全脫氧-6-全氯代-β-環(huán)糊精的合成及自組裝行為

嚴(yán)冬青，王聰聰，王冬雪，高俊杰，趙鑫濤，孫 蕊，樊 志

（天津科技大學(xué)化工與材料學(xué)院，天津 300457）

為了獲得需要的結(jié)構(gòu)分子，利用β-環(huán)糊精、咪唑和苯磺酰氯反應(yīng)合成了6-全脫氧-6-全氯代-β-環(huán)糊精.通過X射線衍射分析、核磁光譜及熱重分析等方法進(jìn)行了表征.晶體結(jié)構(gòu)顯示，化合物分子利用β-環(huán)糊精小口端的頭-對-頭相互作用以及大口端的尾-對-尾相互作用沿著a軸進(jìn)行排列，形成線狀超結(jié)構(gòu)，其中在小口端通過Cl—Cl相互作用和氫鍵作用形成了疏水層，而在大口端通過羥基之間的氫鍵形成了親水層.熱重分析結(jié)果表明β-環(huán)糊精分子間相互作用的減弱導(dǎo)致化合物不同的熱力學(xué)特性.

修飾環(huán)糊精；合成；自組裝；晶體結(jié)構(gòu)；超分子

近年來，利用單一分子或多種分子作為結(jié)構(gòu)單元，通過分子間弱相互作用（如疏水作用、氫鍵、鹽鍵、van der Waals作用等）構(gòu)筑超分子體［1-3］，進(jìn)而設(shè)計并合成具有所希望的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)及功能性的超分子成為超分子化學(xué)領(lǐng)域研究的目標(biāo)［4］.雖然環(huán)糊精在藥物傳輸、不對稱合成、分子開關(guān)、手性分離、催化、模擬酶、分子識別等方面具有的實際應(yīng)用及巨大的、潛在的應(yīng)用價值［5-8］，但是由于環(huán)糊精自身結(jié)構(gòu)無法滿足研究的需要，為了合成具有所希望的結(jié)構(gòu)功能的單元分子，人們選擇各種反應(yīng)對環(huán)糊精進(jìn)行修飾，并引入具有特殊功能的一些官能團(tuán)，以期獲得需要的結(jié)構(gòu)分子［9-11］.

本文利用苯磺酰氯、咪唑與β-環(huán)糊精反應(yīng)得到6-全脫氧-6-全氯代-β-環(huán)糊精，并利用X射線衍射分析等方法研究了其分子結(jié)構(gòu)及形成線性超分子聚合物的分子自組裝行為.

1 材料與方法

1.1 試劑

β-環(huán)糊精，化學(xué)純，山東濱州智源生物科技有限公司，使用前經(jīng)二次蒸餾水重結(jié)晶2次，95，℃干燥24，h，置于干燥器中備用；N，N-二甲基甲酰胺（DMF），分析純，天津化學(xué)試劑一廠，使用前在氫化鈣存在下于室溫下攪拌1，d，在低于40，℃條件下減壓蒸出；咪唑、苯磺酰氯，分析純，天津化學(xué)試劑一廠，未經(jīng)純化直接使用.

1.2 實驗過程

將β-環(huán)糊精（1.9，g，1.5，mmol）和咪唑（1.5，g，22.5，mmol）溶于60，mL DMF中，在氮氣保護(hù)下加入無水苯磺酰氯（3.9，g，22.5，mmol），室溫下攪拌2，h后，升溫至70，℃反應(yīng)24，h.反應(yīng)完畢，將反應(yīng)液減壓蒸餾除去溶劑，加入200，mL水，再加入2，mol/L NaOH水溶液直至溶液完全呈現(xiàn)堿性，繼續(xù)攪拌2，h.過濾，收集沉淀，并分別用H2O和丙酮進(jìn)行洗滌，得到初產(chǎn)物.然后在DMF-H2O溶劑中重結(jié)晶，得到目標(biāo)化合物1（1.7，g，產(chǎn)率79%），合成路線如圖1所示［12］.

圖1 化合物1的合成示意圖Fig. 1 Synthetic route of compound 1

1.3 分析與儀器

化合物1晶體結(jié)構(gòu)用Siemens SMART CCD 面探儀，使用Mo靶Kα射線（λ=0.071，073，nm），石墨單色器ω 掃描方式進(jìn)行測定.選取尺寸為0.26，mm× 0.24，mm×0.20，mm的單晶體，在顯微鏡下，迅速將其置于含有少許母液的硬質(zhì)毛細(xì)管中，在113（2）K溫度下，用ω/2θ方式掃描，在-20＜h＜20，-23＜k＜28，-23＜l＜23范圍內(nèi)共收集63，053個衍射點用于結(jié)構(gòu)測定和修正.晶體結(jié)構(gòu)的解析和結(jié)構(gòu)修正分別用SHELX97（Sheldrick，1990）和SHELX97（Sheldrick，1997）程序完成.

核磁共振氫譜采用Varian Mercury VX300型核磁共振儀進(jìn)行測定；元素分析采用EA1108型元素分析儀進(jìn)行測定.

2 結(jié)果與討論

2.1 化合物1的表征

利用核磁共振儀及元素分析儀對化合物進(jìn)行了表征，其數(shù)據(jù)如下：1H，NMR（DMSO-d6，TMS）：δ 7.93（s，1，H，H-DMF），5.81～6.01（m，14，H，OH），4.867～4.946（d，7，H，H-1），4.058（d，7，H，H-4），3.77～3.93（m，14，H，H-2，H-3），3.59～3.62（m，7，H，H-5），3.24～3.34（m，14，H，H-6），2.89（s，6，H，HDMF）.元素分析理論值（C42H63O28Cl7·C3H7ON· 9H2O）：C 36.05，H 5.92，N 0.93，Cl 16.55；實測值：C 36.08，H 5.87，N 0.88，Cl 16.59.

2.2 化合物1的自組裝行為

化合物1的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如下：分子式C45H84Cl7NO36；相對分子質(zhì)量1，471.28；單斜晶系；空間群P2（1）；晶胞參數(shù)a=1.317，0（3）nm，b= 1.896，4（4）nm，c=2.818，3（6）nm，α=90°，β= 101.69°，γ=90°，V=7.039（2）nm3；Z=4；最終的R［I＞2σ（I）］因子R1=0.050，5，wR2=0.118，5.

化合物1的分子結(jié)構(gòu)存在兩種不同的構(gòu)型，如圖2所示.

圖2 化合物1的分子結(jié)構(gòu)圖（俯視）Fig. 2 Molecular structure of compound 1（top side）

在分子的兩種構(gòu)型中，氯原子的相對位置不同，A構(gòu)型中，Cl（2）、Cl（3）、Cl（5）采取偏轉(zhuǎn)-反式取向指向β-環(huán)糊精的空腔，而Cl（1）、Cl（4）、Cl（7）采取偏轉(zhuǎn)-偏轉(zhuǎn)取向指向空腔外側(cè)，而無序的Cl（6）占據(jù)兩個位置，分別采取偏轉(zhuǎn)-反式和偏轉(zhuǎn)-偏轉(zhuǎn)取向.B構(gòu)型中，Cl（1′）、Cl（4′）、Cl（5′）采取偏轉(zhuǎn)-反式取向指向β-環(huán)糊精的空腔，而Cl（2′）、Cl（3′）、Cl（7′）采取偏轉(zhuǎn)-偏轉(zhuǎn)取向指向空腔外側(cè)，無序的Cl（6′）依然占據(jù)兩個位置，分別采取偏轉(zhuǎn)-反式和偏轉(zhuǎn)-偏轉(zhuǎn)取向.值得注意的是，采取偏轉(zhuǎn)-偏轉(zhuǎn)取向指向空腔外側(cè)的氯原子均與相鄰的C—H形成氫鍵這些氫鍵作用有助于穩(wěn)定氯原子的取向.

化合物1中β-環(huán)糊精構(gòu)型的幾何參數(shù)見表1. 在分子結(jié)構(gòu)中，所有的6-位羥基均被氯原子取代，β-環(huán)糊精小口端的氫鍵消失，但由于大口端的氫鍵依然存在，因此使得β-環(huán)糊精分子依然保持原有的截錐狀結(jié)構(gòu)，而葡萄糖單元依然呈4C1椅式構(gòu)象，糖苷氧原子共平面的特性也沒有改變，構(gòu)型A、B中的7個糖苷氧原子分別在0.002，7、0.002，8，nm范圍內(nèi)共平面，形成近似正七邊形的結(jié)構(gòu)，其半徑平均值均為0.504，nm，與未修飾β-環(huán)糊精相同［35］，O4（n+1）··· O4（n）···O4（n-1）之間的鍵角平均值分別為129.9°和128.5°，相比較而言，構(gòu)型B的結(jié)構(gòu)更接近于正七邊形（128.571，4°）.O4（n）···O4（n-1）間距離分別為0.437，nm和0.438，nm，均略大于未修飾β-環(huán)糊精的0.431，nm，這可能是由于6-位羥基間氫鍵消失，導(dǎo)致β-環(huán)糊精小口端向外擴展造成的.

表1 化合物1中β-環(huán)糊精的幾何構(gòu)型Tab. 1 Geometrical data of β-CD

化合物1的分子利用分子間的弱相互作用自組裝成線狀超結(jié)構(gòu)，如圖3所示.在組裝結(jié)構(gòu)中，化合物1依然沿襲未修飾β-環(huán)糊精的組裝形式，即大口端對大口端，小口端對小口端.可以看出，在組裝體中存在著兩親特性，分別為由相鄰β-環(huán)糊精小口端的氯原子形成的疏水層，及由2，3-位羥基形成的親水層.同時還有溶劑分子水和DMF插入其間，DMF位于疏水層，而水分子除了占據(jù)β-環(huán)糊精的空腔外疏水層外，更多的位于親水層.

在線狀超分子體中，分子A和B利用β-環(huán)糊精小口端的氯之間的非鍵作用形成頭-對-頭的二聚體，兩個β-環(huán)糊精的糖苷氧原子所成平面之間的夾角為0.3°，幾乎平行；β-環(huán)糊精之間的距離為0.619，9，nm，而環(huán)糊精的高度為0.784，3，nm，與未修飾β-環(huán)糊精相比依然沒有明顯變化.相鄰β-環(huán)糊精之間存在著較強的弱相互作用，其中在β-環(huán)糊精小口端之間存在著氫鍵

和氯原子間的相互作用［13］.dCl1—Cl4′=0.366，nm，dCl3—Cl1′=0.342，nm，dCl5—Cl7′=0.394，nm，同時由于DMF分子插入其間，也與相鄰β-環(huán)糊精中的氯原子形成了氫鍵

如圖4（a）所示.

圖3 化合物1的自組裝結(jié)構(gòu)Fig. 3 Self-assembly structur of compound 1

而在β-環(huán)糊精的大口端，則通過2，3-位的羥基形成了眾多的氫鍵，形成了尾-對-尾的親水層，如圖4（b）所示，氫鍵列于表2.

表2 化合物1中環(huán)糊精羥基之間的氫鍵Tab. 2 Hydrogen-bonding interaction between adjacent β-CD in compound 1

2.3 化合物1的熱力學(xué)性質(zhì)

圖4 化合物1中環(huán)糊精之間的相互作用Fig. 4The intermolecular interaction between β-CD in compound 1

官能團(tuán)的變化會影響化合物的穩(wěn)定性，本文利用TGA技術(shù)比較了化合物1與天然β-環(huán)糊精的熱穩(wěn)定性，結(jié)果如圖5所示.從圖5可以清楚看出：化合物1與未修飾β-環(huán)糊精的熱穩(wěn)定性存在明顯差異.未修飾β-環(huán)糊精在100，℃左右出現(xiàn)一個失重臺階，這對應(yīng)的是β-環(huán)糊精晶格和空腔中的水分子脫去，此時失重13.96%；緊接著在100～280，℃出現(xiàn)一個較長溫區(qū)平臺，亦即在β-環(huán)糊精熔融之前整個體系不再有質(zhì)量的減少，直至280，℃開始快速失重，這是由于β-環(huán)糊精的分解造成的質(zhì)量減少；在290～320，℃失重 45.86%，然后隨著溫度的升高，未修飾β-環(huán)糊精不斷碳化而緩慢失重.然而，化合物1則與未修飾β-環(huán)糊精表現(xiàn)不同，在100，℃以下并沒有明顯的失重臺階，而且在100～200，℃也沒有出現(xiàn)溫度平臺，僅僅在100～200，℃之間表現(xiàn)為緩慢失重，直至溫度升高到化合物1熔融分解前，體系一直表現(xiàn)為這種極緩慢失重狀態(tài)，當(dāng)體系達(dá)到220，℃時出現(xiàn)了急劇失重，即化合物1開始熔融分解，在228～235，℃極窄區(qū)間內(nèi)失重達(dá)到27.54%，然后隨著溫度升高而發(fā)生碳化，從而緩慢失重.這種差異的出現(xiàn)，源于化合物1中6-位羥基的鹵代，原有的親水性發(fā)生了改變，變?yōu)槭杷?，使得化合?的溶劑水分子較未修飾β-環(huán)糊精少，因此在100，℃以下并沒有出現(xiàn)明顯的失重.而化合物1出現(xiàn)急劇失重的溫度明顯低于未修飾β-環(huán)糊精，這可能是由于羥基被氯原子取代之后，6-羥基形成的分子內(nèi)氫鍵消失，而分子間的氫鍵也大為減少，因而導(dǎo)致分子內(nèi)和分子間的相互作用減弱.

圖5 不同樣品的TGA曲線Fig. 5 TGA curves of different samples

3 結(jié) 語

利用氯原子取代β-環(huán)糊精的6-位羥基，得到了6-全脫氧-6-全氯代-β-環(huán)糊精，通過核磁共振氫譜和X射線衍射分析進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征，同時采用TGA研究了其熱力學(xué)穩(wěn)定性.結(jié)果表明：6-全脫氧-6-全氯代-β-環(huán)糊精依然可以利用環(huán)糊精小口端的頭-對-頭相互作用以及大口端的尾-對-尾相互作用沿著a軸進(jìn)行排列，形成線狀超結(jié)構(gòu).整個超結(jié)構(gòu)表現(xiàn)了兩親特性，在小口端氯原子間相互作用及氫鍵相互作用構(gòu)成了疏水層，而在大口端利用羥基的作用形成了親水層.同時由于氯原子的取代，使得分子間的非共價鍵相互作用減弱，進(jìn)而降低了分子的熱穩(wěn)定性.這些數(shù)據(jù)的積累有助于理解分子結(jié)構(gòu)及熱穩(wěn)定性與分子間弱相互作用之間的關(guān)系，可以為構(gòu)筑超分子材料提供設(shè)計思路.

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責(zé)任編輯：周建軍

Self-assembly Behavior and Synthesis of Per（6-chlorin-6-deoxy）-β-cyclodextrin

YAN Dongqing，WANG Congcong，WANG Dongxue，GAO Junjie，ZHAO Xintao，SUN Rui，F(xiàn)AN Zhi
（College of Chemical Engineering and Materials Science，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300457，China）

In order to obtain the molecule with a needed structure，the modified β-cyclodextrin，per（6-chlorin-6-deoxy）-βcyclodextrin，was synthesized through the reaction of β-cyclodextrin，benzenesulfonyl chloride and imidazole in N，N-dimethylformamide（DMF）.Its molecular structure was measured by X-ray crystallography，1H NMR spectroscopy，and thermogravimetric analysis（TGA）.The crystal structure shows that the molecules of the compound are aligned on the a-axis to form a linear superstructure through head-to-head interactions at the primary side and tail-to-tail interactions at the secondary side.At the primary side，the chlorine atoms，through Cl—Cl interaction and that of hydrogen bonds，form hydrophobic layers，and at the secondary，the hydroxyl groups interact through hydrogen bonds to form hydrophilic layers.Thermogravimetric analysis shows that the different thermodynamic character results from the weakening of the interaction between the adjacent β-cyclodextrins.

modified cyclodextrin；synthesis；self-assembly；crystal structure；supramolecule

O624

A

1672-6510（2016）05-0042-05

10.13364/j.issn.1672-6510.20150144

2015-10-08；

2016-01-08

國家自然科學(xué)基金資助項目（21373150）

嚴(yán)冬青（1991—），女，新疆人，碩士研究生；通信作者：樊 志，教授，zhifan@tust.edu.cn.