Cryptophane與鹵代甲烷主客體分子體系研究進(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)

鹵代甲烷是甲烷的鹵代物，指甲烷分子中一個(gè)或多個(gè)氫原子被鹵素原子取代后的一類(lèi)化合物，是甲烷最常見(jiàn)一類(lèi)的取代物之一，其應(yīng)用廣泛，但大部分對(duì)人體及環(huán)境都具有較大毒性。以氯仿為例，氯仿大量被用作生產(chǎn)聚四氟乙烯和制冷劑的前體，也曾在醫(yī)學(xué)用作麻醉劑。在制藥、染料及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也常被用作生產(chǎn)中的常用溶劑，因此大量含氯仿的廢液及廢氣被排放[1]。氯仿氣體可致人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷，危害生命健康。當(dāng)空氣中氯仿濃度達(dá)1000 ppm，人在其中短時(shí)間內(nèi)就會(huì)感到頭暈頭痛。長(zhǎng)期和氯仿接觸造成的慢性中毒可致肝臟和腎臟(在這里氯仿會(huì)轉(zhuǎn)化成光氣，劇毒)損傷，若直接接觸氯仿，可致皮膚腐蝕[2]。因此，研究簡(jiǎn)單廉價(jià)操作方便的氯仿檢測(cè)方法對(duì)于生產(chǎn)安全、環(huán)境安全及人體健康具有重大意義。

1 基于不同方法構(gòu)建的cryptophane與鹵代甲烷主客體分子體系

Cryptophane是一種具有分子內(nèi)空腔的主體化合物(圖1)，常能對(duì)尺寸合適的小分子進(jìn)行封裝識(shí)別[3-4]，不少鹵代甲烷尤其是氯代甲烷均能與cryptophane發(fā)生較為穩(wěn)定的絡(luò)合作用，因此可將cryptophane對(duì)其絡(luò)合應(yīng)用于鹵代甲烷的檢測(cè)領(lǐng)域。近年來(lái)，多種研究手段被引入用于cryptophane與鹵代甲烷主客體分子體系的構(gòu)建。

圖1 幾種常見(jiàn)的Cryptophanes分子結(jié)構(gòu)

1.1 核磁共振法

核磁共振方法是最早用來(lái)研究cryptophane絡(luò)合作用也是應(yīng)用最廣泛的方法之一[5]，并一直沿用至今，不時(shí)可見(jiàn)通過(guò)核磁共振研究cryptophane與鹵代甲烷絡(luò)合的研究報(bào)道。

2012年，Brotin等人通過(guò)核磁共振氫譜和碳譜對(duì)溶液中的cryptophane-D即順式的cryptophane-C與氯仿和二氯甲烷之間的作用分別進(jìn)行了不同實(shí)驗(yàn)條件的研究，進(jìn)行了詳細(xì)的描述，其中最成功的發(fā)現(xiàn)無(wú)疑是，當(dāng)客體分子為氯仿時(shí)，絡(luò)合前后cryptophane-D的橋聯(lián)基團(tuán)部分的碳譜出現(xiàn)很明顯的位移偏差[7]。他們解釋這種變化是由于將客體分子引入cryptophane-D空腔后，存在構(gòu)象選擇，經(jīng)過(guò)重排后最終產(chǎn)生了新的構(gòu)象造成的，這種解釋得到了密度泛函理論計(jì)算結(jié)果的支持。同時(shí)，他們還發(fā)現(xiàn)氯仿和二氯甲烷與cryptophane-D絡(luò)合時(shí)存在較大差異，cryptophane與氯仿的絡(luò)合是一個(gè)較慢的交換過(guò)程，但與二氯甲烷的絡(luò)合在較大溫度范圍內(nèi)都是較快的。在熱力學(xué)上也有不同，二氯甲烷與cryptophane-D的絡(luò)合過(guò)程焓變幾乎為0。在2015年，該團(tuán)隊(duì)再次利用核磁共振的方法，進(jìn)一步研究了cryptophane-D與氯仿分子的絡(luò)合過(guò)程，提出了在這種存在兩種結(jié)構(gòu)相互交換轉(zhuǎn)變過(guò)程的雜環(huán)雙自旋體系在兩種結(jié)構(gòu)相互改變過(guò)程中的縱向松弛理論[8]。

鹵代甲烷被cryptophane分子絡(luò)合過(guò)程的動(dòng)力學(xué)行為特別是針對(duì)鹵代甲烷在cryptophane空腔中的物理狀態(tài)和行為也通過(guò)核磁共振進(jìn)行了大量研究。例如，Kowalewski等研究了氯仿分子在cryptophane-E內(nèi)部空腔中的動(dòng)力學(xué)行為。他們先應(yīng)用Lipar-Szabo模式對(duì)氯仿分子和cryptophane-E進(jìn)行了T1 碳-13縱向弛豫時(shí)間進(jìn)行了準(zhǔn)確測(cè)試。通過(guò)計(jì)算，得出二者的相關(guān)時(shí)間接近，cryptophane-E為0.67 ns，氯仿為0.5 ns。說(shuō)明二者間存在較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)耦合，在分子重組的時(shí)間程度上，二者的絡(luò)合物表現(xiàn)為一個(gè)統(tǒng)一的體系，CTV單元和被封裝的氯仿分子的氫原子之間存在各向異性的作用力[9]。

1.2 拉曼光譜法

拉曼光譜是繼核磁共法振方法后被發(fā)現(xiàn)的可用于研究相對(duì)較復(fù)雜的主-客體體系的另一種精確靈敏的方法。拉曼光譜與光學(xué)顯微鏡聯(lián)有效分析具有獨(dú)特三維空間的樣品，可用于研究微晶結(jié)構(gòu)、表面形貌甚至是在透明矩陣中的原位分析[10-11]。

拉曼顯微測(cè)譜可提供高空間分辨率和高靈敏度，因此能分析到微米級(jí)樣品如cryptophane與客體分子復(fù)合物的單晶結(jié)構(gòu)。2001年，Cavagnat等人首次通過(guò)拉曼光譜研究了中性小分子氯仿在主體分子空腔內(nèi)與主體分子cryptophane-A和E的相互作用[12]。他們分析了多種復(fù)合物單晶，氘標(biāo)記的氯仿在cryptophane-A的吸收域外出峰?？捎^察氘較強(qiáng)的C-D拉伸，說(shuō)明在這種斜方形晶體中存在較強(qiáng)的極化效應(yīng)。而且，由于主體化合物產(chǎn)生的主要過(guò)渡是通過(guò)電腦方法指定的，因此測(cè)試得到的客體化合物的方向是相對(duì)主體化合物的。在CDCl3@cryptophane-A這種復(fù)合物中，C3分子軸與晶體ac面的主對(duì)角線幾乎平行，很好地解釋了實(shí)驗(yàn)譜圖數(shù)據(jù)。被捕獲的CDCl3中的C-D鍵與CTV單元的C3軸存在較為明顯的作用，這個(gè)結(jié)果與通過(guò)核磁共振方法研究得到的液態(tài)和固態(tài)形式結(jié)果都是一致的。他們的研究還發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于氣態(tài)的自由CDCl3，被捕獲的CDCl3分子其vCD或vCH拉伸波束有紅移，且這種紅移在CDCl3@cryptophane-E復(fù)合物中發(fā)生得比CDCl3@cryptophane-A更明顯，說(shuō)明氯仿分子與cryptophane-E相互作用相較cryptophane-A更強(qiáng)，同樣，這也是與核磁共振數(shù)據(jù)結(jié)果相符合的。

拉曼光譜與顯微鏡聯(lián)用還能區(qū)分不同CHCl3@cryptophane-A溶劑化物。X射線衍射實(shí)驗(yàn)清楚證明了那個(gè)有兩種不同的氯仿分子在晶體單元時(shí)，CHCl3@cryptophane-A除了斜方形晶體還存在另一種棒狀的晶體結(jié)構(gòu)。一種氯仿分子被捕獲存在于主體分子空腔內(nèi)，另一種氯仿分子存在于晶體間隙中，因此在拉曼光譜中有兩種不同信號(hào)。變溫實(shí)驗(yàn)顯示存在于晶體間隙種的氯仿分子對(duì)溫度更為敏感而且具有更高的遷移率。

1.3 色譜法

某些cryptophane及其衍生物是手性分子，其鍵合作用還可通過(guò)手性光學(xué)技術(shù)如電子圓二色譜(ECD)和振動(dòng)圓二色譜(VCD)證明。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)cryptophane衍生物的光學(xué)性質(zhì)大多與許多外部參數(shù)相關(guān)明顯，如溶劑(有機(jī)相或是水相)及客體分子進(jìn)入其空腔的能力等。振動(dòng)圓二色譜與量子化學(xué)計(jì)算聯(lián)用時(shí)，可預(yù)測(cè)分子的絕對(duì)構(gòu)型，其結(jié)果可與實(shí)際實(shí)驗(yàn)光譜的結(jié)果相當(dāng)。

2008年，Brotin等人合成了一系列不同取代的cryptophane-A衍生物，并通過(guò)振動(dòng)圓二色譜研究了這些氯仿和這些衍生物的絡(luò)合物并與CHCl3@cryptophane-A進(jìn)行了對(duì)比[13]。發(fā)現(xiàn)，在氯仿與眾多基團(tuán)修飾的cryptophane-A衍生物的絡(luò)合物中，CHCl3@cryptophane-A-H的光譜數(shù)據(jù)差異較大，而三氟甲磺酸基修飾的絡(luò)合物差異較小，說(shuō)明振動(dòng)圓二色譜與密度泛函理論計(jì)算(DFT)聯(lián)用可用于區(qū)分cryptophane分子衍生物的絕對(duì)構(gòu)型。

1.4 中間相

中間相也可用于研究主客體復(fù)合物體系，CHCl3@cryptophane-A這種復(fù)合物就曾在兩個(gè)非手性向列型晶體中通過(guò)13C NMR進(jìn)行研究。Marjanska報(bào)道的這一方法實(shí)現(xiàn)了液態(tài)晶體中的主體分子和客體分子的局部定向[14]。兩種分子的優(yōu)選定向恢復(fù)了復(fù)合物在各向異性的中間相中失去的偶極耦合作用，有利于主客體分子絡(luò)合物的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)方面的研究。稍晚一些，Goodson等人在一種向列型的熱致液晶中在不同溫度下研究了CHCl3@cryptophane-A和CHCl3@bis-cryptophane絡(luò)合物[15]。發(fā)現(xiàn)在被封裝后的氯仿分子相對(duì)自由的氯仿分子存在較大的13C-H偶極耦合作用。不同溫度下對(duì)封裝氯仿的有序參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度從283 K上升至304 K時(shí)，CHCl3@cryptophane-A和CHCl3@bis-cryptophane絡(luò)合物的有序參數(shù)均有較大提升，客體分子的內(nèi)流動(dòng)性不受溶劑(各向異性和液晶)影響，說(shuō)明主客體分子運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。

1.5 其他方法

計(jì)算機(jī)理論計(jì)算如密度泛函理論計(jì)算也是用來(lái)研究cryptophane分子與氯代甲烷這種主客體分子體系的主要方法之一，通常與其他試驗(yàn)方法聯(lián)用，是證明實(shí)際光譜數(shù)據(jù)的有力手段，也可通過(guò)理論計(jì)算數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)新型cryptophane分子結(jié)構(gòu)提供思路，先行于實(shí)際試驗(yàn)。

熒光光譜法也能有效研究這種體系。本課題組曾通過(guò)熒光光譜法對(duì)合成的cryptophane-E和cryptophane-M對(duì)氯仿分子的絡(luò)合作用分別進(jìn)行了研究[16]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩種cryptophane分子在367 nm紫光燈照射下，均能發(fā)出藍(lán)色熒光，當(dāng)在溶有cryptophane-E和cryptophane-M的有機(jī)溶液中加入氯仿，則熒光強(qiáng)度會(huì)發(fā)生猝滅，推斷為氯仿分子進(jìn)入其空腔后產(chǎn)生熒光猝滅，且在一定氯仿濃度范圍內(nèi)，這種猝滅現(xiàn)象呈線性變化。

利用光纖傳感建立對(duì)cryptophane分子與氯代甲烷分子的主客體體系是近年發(fā)展迅速的一個(gè)領(lǐng)域?；驹頌閷⒑衏ryptophane分子的敏感膜涂覆于光纖表面或內(nèi)部孔徑，繼而與甲烷或氯代甲烷等小分子接觸時(shí)內(nèi)部空腔被占使得光纖部分光學(xué)性質(zhì)如折射率等發(fā)生改變從而將化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^的光信號(hào)而建立的一種分析研究方法，由于這種方法具有操作簡(jiǎn)單、制作成本低、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)近年來(lái)倍受青睞[17]。

2 展望

鹵代甲烷的識(shí)別檢測(cè)一直受到生產(chǎn)及研究的廣泛關(guān)注，近年來(lái)基于不同研究方法構(gòu)建的cryptophane@鹵代甲烷主客體分子為其檢測(cè)提供了一個(gè)新的思路，通常能實(shí)現(xiàn)高靈敏度、低檢測(cè)限以及較好的重現(xiàn)性的檢測(cè)。隨著科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，相信會(huì)有更多的新型cryptophane結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)合成，更多的先進(jìn)設(shè)備和方法也將應(yīng)用在這一領(lǐng)域中。