Cryptophane的分子識(shí)別研究進(jìn)展

趙艷艷，劉慧敏，魯 平，李晨潔，李 昱

(臨沂大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山東 臨沂 276005)

1 引言

Cryptophane是近年來超分子化學(xué)中較熱門的主體分子，通常具有親脂性分子內(nèi)空腔，可捕獲相應(yīng)尺寸的客體小分子[1]。自cryptophane分子與客體分子的絡(luò)合作用被發(fā)現(xiàn)以來，吸引了諸多研究者關(guān)注，他們利用各種光學(xué)、化學(xué)儀器方法，如核磁共振、振動(dòng)光譜、色譜及理論計(jì)算等途徑揭示了各種cryptophane分子與客體分子的相互作用。先進(jìn)的分析技術(shù)使得這種越來越多的客體分子被發(fā)現(xiàn)存在這種與cryptophane分子間發(fā)生在固體中或溶液中的絡(luò)合作用，主要包括cryptophane與中性小分子的絡(luò)合作用、cryptophane與銨的絡(luò)合作用、cryptophane與金屬離子的絡(luò)合作用、cryptophane與陰離子的絡(luò)合作用、cryptophane的手形識(shí)別及cryptophane與Xe的絡(luò)合作用等。

2 Cryptophane與各種客體分子絡(luò)合作用研究進(jìn)展

2.1 與中性小分子的絡(luò)合作用

20世紀(jì)90年代中期，cryptophane分子與中性小分子之間的這類絡(luò)合作用的研究主要局限于發(fā)生在不與客體小分子存在競爭作用的溶劑中。例如，cryptophane-A對(duì)甲烷的絡(luò)合作用最早通過核磁共振實(shí)驗(yàn)證明[2]，用在298 K快速交換的自由甲烷和被絡(luò)合甲烷的高場位移信號(hào)表征。cryptophane分子對(duì)非極性物質(zhì)的絡(luò)合作用主要是基于客體分子擁有適當(dāng)?shù)姆肿映叽缍襝ryptophane分子本身框架具有足夠的入口使得客體分子能進(jìn)入和離開內(nèi)部空腔，與此同時(shí)，客體分子的結(jié)構(gòu)和對(duì)稱性、主體分子芳環(huán)上的電子云密度和溶劑效應(yīng)等都能影響主客體分子絡(luò)合物的形成，二者之間的絡(luò)合穩(wěn)定性主要是依靠范德華力維持的。這些影響因素往往很難分開單獨(dú)評(píng)估其作用，但是客體分子的尺寸與主體分子的空腔大小比例(占用比)常常能為是否能有效封裝提供指示[3]。根據(jù)客體分子的尺寸，二氯甲烷(分子大小約為58?3)對(duì)cryptophane-C(內(nèi)部空腔大小約為95?3)具有較好的親和力，而氯仿(分子大小約為72?3)則更容易被cryptophane-E(內(nèi)部空腔大小約為121?3)絡(luò)合，綜合結(jié)果顯示客體分子對(duì)主體分子內(nèi)部空腔的體積占用比為55%左右時(shí)，主客體分子絡(luò)合物較穩(wěn)定。

Akabori等通過核磁共振方法研究了某些烷烴和含不同橋聯(lián)基團(tuán)的cryptophane之間的絡(luò)合作用[4]。結(jié)果表明能否有效封裝客體分子在很大程度上取決于cryptophane分子是否為反式或順式結(jié)構(gòu)，同時(shí)是否為芳香烴橋聯(lián)也影響較大。類似的研究表明反式結(jié)構(gòu)的cryptophane不能與烷烴形成絡(luò)合物，但是擁有雙乙基醚橋聯(lián)的反式cryptophane和順式cryptophane均能有效進(jìn)行封裝[5]。

2.2 與銨的絡(luò)合作用

除了能有效地封裝鹵代甲烷和一些揮發(fā)性有機(jī)化合物，cryptophane分子還能很好地識(shí)別適當(dāng)大小的有機(jī)銨陽離子。通常來講，cryptophane與銨離子之間的絡(luò)合作用比中性分子更強(qiáng)，尤其是在C2H2Cl4或水溶液介質(zhì)中時(shí)更為適用。例如cryptophane-E與四甲基銨陽離子的結(jié)合常數(shù)Ka高達(dá)475000 M-1，但與三甲基胺的結(jié)合常數(shù)則顯著下降為1600 M-1[6]。Cryptophane與銨離子之間的絡(luò)合作用受很多因素影響，其中，陽離子-π相互作用被視為影響絡(luò)合物穩(wěn)定性的決定性因素。同時(shí)，其他陽離子相互作用，尤其是與外圍氧原子的相互作用也對(duì)絡(luò)合物穩(wěn)定性具有重要影響。

Garcia等為了研究影響銨陽離子客體和cryptophane主體絡(luò)合物穩(wěn)定性的主要原因進(jìn)行了系列實(shí)驗(yàn)[6]研究在合成新型cryptophane分子的基礎(chǔ)上展開，其分子內(nèi)空腔尺寸與cryptophane-E相似，但是cryptophane-E芳香環(huán)上的六個(gè)甲氧基被甲硫基取代。這種改變降低了主體分子的區(qū)域負(fù)電荷密度并且使得供客體化合物進(jìn)入和離開的窗口大大減小。通過與氯仿、苦味酸三甲基胺和苦味酸四甲基銨在氘代1,1,2,2-二氯乙烷中進(jìn)行絡(luò)合實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)相比cryptophane-E，新合成的cryptophane分子與這些客體化合物的鍵合性能發(fā)生了較大改變。而且氯仿與cryptophane-E的絡(luò)合物的半衰期僅0.55s，而與新合成的cryptophane的絡(luò)合物半衰期達(dá)24min。四甲基銨與cryptophane-E的絡(luò)合物的半衰期為13h，而與新合成的cryptophane的絡(luò)合物半衰期則長達(dá)792d。

類似地，Et3MeN+、Et4N+、EtMe3N+和 Me4N+等銨離子與含二甲苯基橋聯(lián)的cryptophane的絡(luò)合也曾通過高場位移的質(zhì)子共振被研究[7]。結(jié)果顯示Et3MeN+絡(luò)合最為理想，而且EtMe3N+和 Me4N+這種相對(duì)較小的離子絡(luò)合過程熵值為正而較大的客體離子Et3MeN+、Et4N+絡(luò)合過程熵值為負(fù)值。

2.3 與金屬離子的絡(luò)合作用

一直以來，中性小分子和銨陽離子與cryptophane主體分子的絡(luò)合被廣泛研究，但其與金屬離子絡(luò)合方面的研究甚少，這可能由多種原因造成，例如探尋一種適合金屬離子但又不與其發(fā)生競爭的溶劑。Cryptophane分子對(duì)金屬離子的絡(luò)合最早被Akabori等人在1996年報(bào)道[8]，他們合成的含二乙基醚的cryptophane溶解在氯仿中，可以從水溶液中將堿金屬離子萃取出來，且順式結(jié)構(gòu)的主體分子的萃取率優(yōu)于反式結(jié)構(gòu)，其中尤以銫金屬離子的萃取效果最佳。

2.4 與陰離子的絡(luò)合作用

Cryptophane分子中各個(gè)CTV單元均為富電子結(jié)構(gòu)，這使得幾乎所有cryptophane結(jié)構(gòu)都不適于封裝陰離子客體化合物。但是，Holman等人在cryptophane-E的結(jié)構(gòu)上稍作改動(dòng)，引入了六個(gè)[Cp*Ru]部分，得到了一個(gè)擁有酸性內(nèi)部空腔的cryptophane結(jié)構(gòu)，能用于CF3SO3-和SbF6-等陰離子的封裝[9]。到目前為止，在所有已見報(bào)道的cryptophane及其衍生物中，該化合物是少見的對(duì)陰離子具有高親和力的結(jié)構(gòu)。由于這種金屬化的結(jié)構(gòu)變動(dòng)，其體積比cryptophane-E有增大，因此更容易絡(luò)合較大的陰離子客體化合物。

2.5 手性識(shí)別

值得指出的是，最初開展cryptophane合成這項(xiàng)研究的目的在于設(shè)計(jì)一種為識(shí)別CHFClBr這種手性分子兩種構(gòu)象量身定做的主體分子。這是已知的最小的手性分子之一。1985年，Collet等人報(bào)道了第一個(gè)能手性識(shí)別CHFClBr的結(jié)構(gòu)，即具有手性的cryptophane-C[10]。手性cryptophane-C可區(qū)分CHFClBr的兩種構(gòu)象，當(dāng)在混有內(nèi)消旋的CHFClBr有機(jī)溶液中加入右旋手性cryptophane-C時(shí)，其核磁共振譜圖顯示兩組雙峰，而未加入時(shí)為兩組單峰。兩組雙峰的密度分布不一樣，表明兩種構(gòu)象與手性cryptophane-C的絡(luò)合物穩(wěn)定常數(shù)有所差異。Collet等人的這項(xiàng)研究開了cryptophane手性識(shí)別的先例，有助于區(qū)分的絕對(duì)構(gòu)型。McCammon等人進(jìn)行了一系列理論計(jì)算來支持Collet的這一研究結(jié)果[11]。

2.6 與Xe的絡(luò)合

一直以來，在液相或凝結(jié)相中通過有機(jī)分子絡(luò)合稀有氣體如He、Xe甚至是Rn都存在較大挑戰(zhàn)性，主要困難在于設(shè)計(jì)一種合適的有機(jī)主體分子捕獲這種稀有氣體原子。稀有氣體Xe在磁共振顯影和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中占有重要地位[12]，但僅有少數(shù)幾種有機(jī)分子可作為接收器鍵合溶液中的Xe原子。1998年，Bartik等人首次證明了Xe@cryptophane-A這種絡(luò)合物在氘代1,1,2,2-四氯乙烷中的存在。當(dāng)溫度為278 K，對(duì)Xe@cryptophane-A絡(luò)合物進(jìn)行了129Xe核磁實(shí)驗(yàn)。當(dāng)Xe過量時(shí)，核磁譜中可清楚觀察到兩個(gè)獨(dú)立的單峰，化學(xué)位移分別為229.5 ppm和62.3 ppm。這兩個(gè)單峰分別為溶液中自由的Xe原子和被cryptophane-A分子內(nèi)空腔捕獲的Xe原子的峰。Cryptophane-A與Xe原子絡(luò)合物的穩(wěn)定常數(shù)通過核磁數(shù)據(jù)得到，Ka值在278 K為3900，是一種非常強(qiáng)的鍵合過程，尤其在氣體中性客體的絡(luò)合作用中是很少見的。這個(gè)發(fā)現(xiàn)為Xe原子在醫(yī)學(xué)顯影方面的研究提供了新的思路，引出了很多很優(yōu)秀的研究，研究表明，Xe@cryptophane這類絡(luò)合物在129Xe NMR譜中較大化學(xué)位移主要受Xe原子的高度極化和環(huán)境影響[12]。

3 展望

目前，超分子化學(xué)所構(gòu)建的主-體體系仍然是化學(xué)、材料等學(xué)科的研究熱點(diǎn)，近年來，基于cryptophane所建立的超分子體系得到了迅速發(fā)展，這些主客體體系的絡(luò)合過程的研究對(duì)于客體分子的識(shí)別應(yīng)用有著重要的指導(dǎo)意義，而且研究這些體系的方法或儀器往往具有靈敏度高，檢測限低的特點(diǎn)，因此使得各種cryptophane結(jié)構(gòu)在多種客體小分子的識(shí)別檢測領(lǐng)域有較大的應(yīng)用前景，相信隨著科學(xué)研究的深入，隨著更多新型cryptophane結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合成，更過的cryptophane-客體分子的絡(luò)合體系將被建立并應(yīng)用在分子識(shí)別領(lǐng)域。