甲氧基柱[5]芳烴與溴代小分子的主-客體絡(luò)合行為研究

李燦花,杜 瑤,楊云漢,羅建萍,古 捷,魯佳佳,楊麗娟,2，釧永明,2

(1.云南民族大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南民族大學(xué) 生物基材料綠色制備技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心 云南省高校智能超分子化學(xué)重點實驗室，云南 昆明 650500)

主-客體化學(xué)是超分子化學(xué)研究的重要組成部分，而大環(huán)化合物作為超分子化學(xué)的關(guān)鍵參與者，它的發(fā)現(xiàn)促進了該領(lǐng)域的飛速發(fā)展.柱芳烴作為新型大環(huán)化合物首次于2008年被Ogoshi報道[1]，它是由對苯二酚及其衍生物通過亞甲基橋連而成的環(huán)狀低聚物，具有獨特的剛性疏水空腔結(jié)構(gòu)，是繼冠醚[2]、環(huán)糊精[3-6]、杯芳烴[7]、葫蘆脲[8]后的新型大環(huán)主體化合物.

柱芳烴因具有獨特的柱狀結(jié)構(gòu)、可選擇性的修飾基團以及具有良好的富電子空腔等特點[8]，近年來在分子識別[7-9]、分子功能材料[9-10]和藥物轉(zhuǎn)運[11]等方面廣泛應(yīng)用.自柱芳烴發(fā)現(xiàn)以來，不同客體小分子與柱芳烴的主客體絡(luò)合行為被廣泛報道，例如2008年，Ogoshi報道了不同柱芳烴與紫精衍生物的主-客體絡(luò)合行為，發(fā)現(xiàn)水溶性柱[5]芳烴的絡(luò)合行為更為顯著[1].2010年，黃飛鶴等[6]課題報道了二異丁基柱芳烴與十烷基三乙基六氟磷酸銨能形成 1∶1 的主客體絡(luò)合物, 而柱[5]芳烴則由于內(nèi)腔較小難以形成絡(luò)合物[12].2011年，李春舉報道了柱芳烴與中性二咪唑分子的絡(luò)合行為[13].2015年，魏太保課題組報道了水溶性季銨鹽柱[5]芳烴與多種脂肪羧酸的絡(luò)合行為[14]，隨后又報道了DMP5A與苯并咪唑雜環(huán)化合物的主-客體絡(luò)合行為[15].迄今為止，有關(guān)柱芳烴主客體絡(luò)合行為的研究，客體分子的選擇主要集中線型分子和含有咪唑環(huán)、吡啶環(huán)的有機陽離子等較多.

本文選用制備方法簡單的甲氧基柱[5]芳烴(DMP5A)作為主體分子，2-溴溴芐(G-1)和2,4′-二溴苯乙酮(G-2)作為客體分子.通過紫外可見光譜、紅外光譜和核磁共振等波譜分析方法，研究了DMP5A分別與G-1和G-2之間的主-客體絡(luò)合行為.

1 實 驗

1.1 儀器與試劑

儀器：Bruke Avance DRX 500核磁共振儀(瑞士布魯克公司)；8453型紫外-可見分光光度計(美國安捷倫公司)；FTIR Thermo Nicolet IS10型紅外光譜儀(美國尼高力公司).

試劑：2-溴溴芐，2, 4′-二溴苯乙酮，均為市售分析純試劑，DMP5A參照文獻[16]合成.

圖1 甲氧基柱[5]芳烴與溴代小分子G-1、G-2的結(jié)構(gòu)

1.2 實驗方法

1.2.1 Job曲線的繪制

采用等摩爾連續(xù)變化法[17]分別確定了DMP5A與2種溴代小分子(G-1、G-2)的絡(luò)合比.首先分別配制系列主體與客體儲備液各 50 mL，維持總濃度為1×10-5mol/L，使DMP5A與溴代小分子的摩爾比在0～1內(nèi)變化[17-19]，在最大吸收波長 295 nm 處測定吸光度.

1.2.2 紫外-可見光譜滴定

固定DMP5A的濃度為5×10-6mol/L，分別配制不同濃度梯度的G-1與G-2溶液，測定紫外-可見吸收光譜.所有實驗平行測定3次.

1.2.3 絡(luò)合物的紅外光譜測定

將DMP5A與2種溴代小分子置于紅外燈下干燥 30 min，按照質(zhì)量比1∶100的比例分別將待測樣品與KBr均勻混合并研磨制成粉，采用壓片法將其制備成薄片后測定紅外吸收光譜.

1.2.4 絡(luò)合物的一維、二維核磁共振氫譜測定

分別將一定量的DMP5A/G-1、DMP5A/G-2溶于CDCl3，在工作頻率為 500 MHz，溫度為 25 ℃ 的條件下，分別測定其一維核磁共振氫譜(1H NMR)、二維核磁共振氫譜(NOESY).

1.2.5 分子對接

DMP5A的結(jié)構(gòu)取自劍橋晶體數(shù)據(jù)庫，2種溴代小分子的結(jié)構(gòu)由Gaussian View構(gòu)建.采用PM3半經(jīng)驗方法對主-客體絡(luò)合物結(jié)構(gòu)進行全優(yōu)化，經(jīng)計算后發(fā)現(xiàn)并未產(chǎn)生虛頻，表明優(yōu)化后的主-客體絡(luò)合物結(jié)構(gòu)達到最穩(wěn)定構(gòu)型.隨后，使用Auto Dock Tools對DMP5A添加極性氫原子后作為受體，格點盒子尺寸為 0.3 nm×0.3 nm×0.3 nm，格點間距為 0.375 nm，將DMP5A的幾何中心作為與格點盒子中心重合，2種溴代物小分子作為配體，使用AutoGrid計算其格點能量圖后，由AutoDock 4.2執(zhí)行50次的構(gòu)象搜索，聚類分析后得到其對接結(jié)果[20].

2 結(jié)果與討論

2.1 Job曲線的繪制

以吸光度差值×比例系數(shù)(ΔA×XGuest)為縱坐標，比例系數(shù)(XGuest)為橫坐標繪制Job曲線，根據(jù)曲線最高點對應(yīng)的XGuest可判斷主-客體絡(luò)合物的絡(luò)合比，若最高點為0.33、0.5、0.67或0.75時，則主客體之間形成絡(luò)合物的絡(luò)合比分別為2∶1、1∶1、1∶2 和1∶3.由圖2可知，曲線的最高點對應(yīng)的XGuest為0.5，由此推斷出主-客體之間以1∶1形成絡(luò)合物.

圖2 DMP5A與溴代小分子G-1、G-2的Job曲線

2.2 紫外-可見光譜滴定

溴代小分子G-1、G-2與DMP5A的紫外-可見光譜滴定如圖3所示.溴代小分子G-1、G-2的線性方程相關(guān)系數(shù)列于表1.從圖3可看出，隨著溴代小分子G-1與G-2濃度的增加，主體吸光度有規(guī)律的逐漸增加.

為了確定DMP5A與G-1、G-2的結(jié)合常數(shù)，用氯仿配制了DMP5A和G-1、G-2的母液.DMP5A的濃度保持5×10-6mol/L 不變，加入不同濃度的G-1、G-2，通過紫外光譜檢測吸光度變化情況.然后通過非線性擬合的方法，得到DMP5A與G-1、G-2的結(jié)合常數(shù)[21].

圖3 DMP5A與溴代小分子(A)G-1和(B)G-2的紫外光譜滴定

表1 DMP5A與溴代小分子G-1、G-2的線性方程與R2值

非線性擬合方程如下：

其中,A0為DMP5A的吸光度，A∞為溴代小分子濃度最大時的吸光度，K為絡(luò)合常數(shù)，C為客體的濃度.

2.3 絡(luò)合物的 FTIR 結(jié)果分析

DMP5A、G-1、G-2、DMP5A/G-1和DMP5A/G-2的紅外吸收光譜如圖4所示.從DMP5A的紅外光譜圖可知，2 870 cm-1處為甲基上C—H的伸縮振動，而 2 925、2 827 cm-1處則為亞甲基的伸縮振動.3 010 cm-1處為苯環(huán)上C—H鍵的伸縮振動，而910～665 cm-1處的紅外吸收峰為苯環(huán)上C—H鍵的面外彎曲振動，其面內(nèi)彎曲振動則在 1 250～1 000 cm-1處.

圖4 DMP5A、G-1、G-2、DMP5A/G-1和DMP5A/G-2的紅外吸收光譜

由DMP5A/G-1的紅外光譜圖可看出，主體DMP5A在 3 030 cm-1處的苯環(huán)的特征峰明顯減弱，客體G-1在 1 020.14 cm-1處的吸收峰紅移，揭示了溴代小分子與DMP5A存在不同程度上的絡(luò)合作用.從DMP5A/G-2的紅外光譜圖看出，G-2分子在 1 696.27 、1 581.90 cm-1處為羰基上的吸收峰，545.91 cm-1處是C—Br鍵的紅外吸收峰，與主體DMP5A絡(luò)合后，G-2分子羰基上 1 696.23、1 582.05 cm-1處的振動吸收峰明顯減弱.主體 2 978 cm-1處的吸收峰發(fā)生了紅移，苯環(huán)取代產(chǎn)物在 806.50 cm-1處的吸收峰也顯著減弱，并新增了 1 483.32、1 186.60、1 033.06 cm-1的吸收峰.以上結(jié)果表明，主體DMP5A與溴代小分子G-1、G-2都形成絡(luò)合物.

2.4 核磁共振分析

采用核磁共振[21-22]進一步研究了DMP5A與G-1、G-2之間的絡(luò)合行為.使用CDCl3作為溶劑，按照摩爾比1∶1將DMP5A與G-1、G-2分別混合后測定其1H NMR.絡(luò)合前后客體分子與DMP5A的化學(xué)位移變化見表2所示，G-1和G-2的質(zhì)子位置變化如圖1所示.

表2 DMP5A、DMP5A/G1、DMP5A/G2的

從表2可看出，主體分子DMP5A與G-1絡(luò)合后，DMP5A的質(zhì)子H-2、H-3均向高場方向移動，溴代小分子G-1的質(zhì)子H-a、H-d、H-e均發(fā)生顯著變化，說明G-1與DMP5A間存在著主-客體相互作用.DMP5A與G-2絡(luò)合后，DMP5A的質(zhì)子H-1、H-2均向低場方向移動，G-2的質(zhì)子H-c明顯向低場方向移動.上述結(jié)果證實了主體DMP5A分別與客體G-1、G-2之間形成絡(luò)合.

采用NOESY研究了DMP5A與G-1和G-2的絡(luò)合模式，見圖5.從圖5A看出，DMP5A的亞甲基質(zhì)子H-2與G-1分子上的亞甲基質(zhì)子H-e有強相互作用.從圖5B可看出，DMP5A中的亞甲基質(zhì)子H-1與溴代小分子G-2中的質(zhì)子H-c、H-a相互作用，說明宿主DMP5A與溴代物G-2形成了絡(luò)合物.以上分析結(jié)果表明，DMP5A/溴代小分子絡(luò)合物的形成.

圖5 在CDCl3中以1∶1摩爾比混合DMP5A和溴代小分子(A)DMP5A/G-1和(B)DMP5A/G-2的NOESY譜

2.5 分子對接結(jié)果分析

通過AutoDock4.2軟件將溴代小分子G-1～G-2分別對接到DMP5A的空腔中，對接后得到的成簇分析及結(jié)合能如表3所示.在50次對接結(jié)果中，最優(yōu)勢構(gòu)象的對接模式如圖6所示，DMP5A與G-1共有29個對接構(gòu)象形成最優(yōu)勢構(gòu)象簇，21個對接構(gòu)像形成了第2優(yōu)勢構(gòu)象簇，G-1分子完全進入到了DMP5A的空腔內(nèi)，說明G-1與DMP5A空間匹配度良好，可以形成較好的主-客體絡(luò)合物.

DMP5A與G-2共有17個對接構(gòu)象形成最優(yōu)勢構(gòu)象簇，33個對接構(gòu)像形成了第2優(yōu)勢構(gòu)象簇， G-2分子側(cè)鏈位于主體的空腔內(nèi)部，其余部分裸露在外，說明G-2與DMP5A空間匹配度良好，能形成的主-客體絡(luò)合物，此對接結(jié)果與核磁共振結(jié)果相吻合.

表3 DMP5A與溴代小分子G-1、G-2

圖6 簇1中DMP5A與2種溴代小分子G-1、G-2對接的最小優(yōu)勢構(gòu)象

4 結(jié)語

本論文研究了DMP5A與2種溴代物小分子間的絡(luò)合行為，通過等摩爾連續(xù)變化法證明主-客體的絡(luò)合比均為1∶1.紫外-可見光譜滴定表明，隨著溴代小分子濃度的增加，吸光度呈規(guī)律性增強.主-客體紅外吸收光譜的變化，證明了主-客體之間形成絡(luò)合.1H NMR質(zhì)子化學(xué)位移的變化和NOESY譜的H-H相關(guān)進一步表明溴代小分子對接到了DMP5A的空腔，分子對接模擬結(jié)果與實驗結(jié)果一致，證明主-客體絡(luò)合成功.