氨基甲酸酯型豬去氧膽酸分子鉗的微波合成及其對(duì)鹵素陰離子的識(shí)別*1

曾碧濤, 周黎軍, 李相彪, 趙先明, 趙志剛

(1. 宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 宜賓 644003; 2. 西南民族大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境保護(hù)工程學(xué)院,四川 成都 610041)

具有對(duì)陰離子選擇性識(shí)別的人工受體的設(shè)計(jì)合成已成為超分子化學(xué)前沿領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[1]。近年來(lái)，多種不同的相互作用方式如靜電作用，氫鍵作用，疏水作用及路易斯酸中心離子配位作用等，都被應(yīng)用于陰離子受體化合物的設(shè)計(jì)合成工作中，其中氫鍵是重要的識(shí)別推動(dòng)力。文獻(xiàn)[2～5]報(bào)道了多種基于氫鍵作用的陰離子人工受體。為了具有強(qiáng)的識(shí)別作用和優(yōu)良的識(shí)別選擇性，人工受體中的氫鍵結(jié)構(gòu)單元通常是連接在剛性的骨架上的。豬去氧膽酸因其具有剛性的凹面結(jié)構(gòu)及固有的不對(duì)稱性，是構(gòu)筑分子鉗人工受體的理想結(jié)構(gòu)單元。

CompabcdeArC6H5-p-BrC6H4-m-NO2C6H4-p-NO2C6H4-p-MeOC6H4-

Scheme1

本文在微波輻射條件下，以豬去氧膽酸為隔離基，芳香胺為手臂，通過(guò)三光氣橋連，合成了五個(gè)新型豬去氧膽酸分子鉗(4a～4e, Scheme 1)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR, IR, MS和元素分析表征。紫外光譜滴定法的研究結(jié)果表明，4對(duì)鹵素陰離子均具有良好的識(shí)別能力，選擇順序依次為I->Br->Cl-；主客體之間形成1 ∶1型超分子配合物，識(shí)別作用的主要推動(dòng)力為氫鍵。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

X-4型數(shù)字顯示顯微熔點(diǎn)儀(溫度計(jì)未經(jīng)校正);Wzz-2B型自動(dòng)旋光儀;TU-1901型紫外可見(jiàn)光譜儀;Varian INOVA-400 MHz型核磁共振儀(CDCl3作溶劑,TMS作內(nèi)標(biāo));PERKIN-ELMER 1700型傅立葉變換紅外光譜儀(KBr壓片)；FINNIGAN-LCQ型質(zhì)譜儀；Carlo-Erba-1106型元素分析儀；XH-100A型商用微波反應(yīng)器。

所用試劑均為化學(xué)純或分析純;二氯甲烷經(jīng)CaH2回流數(shù)天，反應(yīng)前蒸出使用;吡啶經(jīng)KOH干燥24 h，過(guò)濾，蒸餾收集114 ℃～116 ℃餾分。

1.2 合成

(1) 3α,6α-二羥基-5β-24-膽烷酸甲酯(1)的合成

(2) 4的合成通法

在三頸瓶中加入1 0.2 g(0.5 mmol),無(wú)水CH2Cl210 mL,三光氣0.11 g(0.37 mmol)和無(wú)水吡啶0.2 mL,將三頸瓶置微波反應(yīng)器中，裝上配有干燥管的冷凝管，于100 W微波輻射回流反應(yīng)10 min。冷卻至室溫，中間體2無(wú)需分離，直接加入芳胺(3a～3e) 1.5 mmol和吡啶0.2 mL，繼續(xù)于100 W微波輻射回流反應(yīng)15 min～20 min。蒸除溶劑，殘余物用乙酸乙酯(30 mL)溶解，過(guò)濾，濾餅用乙酸乙酯(3×10 mL)洗滌，合并濾液和洗滌液，依次用10%NaHCO3溶液(3×20 mL)，飽和食鹽水(3×20 mL)洗滌，無(wú)水Na2SO4干燥，減壓蒸除溶劑，殘余物經(jīng)硅膠柱層析[梯度洗脫劑:V(CHCl3) ∶V(乙酸乙酯)=50 ∶1～20 ∶1]分離得4 。

4 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，1H NMR, IR和MS表征數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表 1 合成4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果*Table 1 Experamental results of synthesizing 4

*4c和4d為淺黃色固體，其余為白色固體

表 2 4的表征數(shù)據(jù)*Table 2 Characteristic data of 4

2 結(jié)果與討論

2.1 主客體超分子配合物的形成及其化學(xué)計(jì)量

固定主體4的濃度[c(4) 10-4mol·L-1～10-5mol·L-1],向主體的無(wú)水氯仿溶液中不斷加入客體陰離子[X-,c(X-)變化范圍10-3mol·L-1～10-4mol·L-1]。主客體充分作用達(dá)到平衡后,測(cè)定每組溶液的吸光度(A)。為消除客體在紫外區(qū)的干擾,采用相同濃度的客體氯仿溶液作參比。同時(shí),為排除體積變化對(duì)A的影響,客體加入的總體積不超過(guò)100 μL。隨客體的不斷加入,主體的A呈規(guī)律性的上升或下降,典型的吸收變化見(jiàn)圖1(以4e為例)，表明客體進(jìn)入主體的裂穴并產(chǎn)生了識(shí)別配合作用。利用主體A的變化可以測(cè)定主客體形成超分子配合物的結(jié)合常數(shù)。若主客體間形成1 ∶1型超分子配合物,在客體濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主體濃度時(shí),即c(X-)?c(4e), 根據(jù)修飾的Hildebrand-Benesi方程,以1/ΔA對(duì)1/c(X-)作圖，可得一條直線(圖2)。計(jì)算結(jié)果表明,所有主體與客體均形成1 ∶1型超分子配合物,其配合物的結(jié)合常數(shù)(Ka)和自由能變化[-ΔG0]見(jiàn)表3。

λ/nm圖 1 4e·Br-氯仿溶液的UV譜圖*Figure 1 UV spectra of chloroform solution of 4e·Br-*25 ℃, λmax=244.0 nm; c(4e)=2.16×10-5 mol·L-1; c(Br-)/mol·L-1依次為0, 1.28×10-3, 2.56×10-3, 3.84×10-3, 5.12×10-3, 6.40×10-3, 8.32×10-3, 1.02×10-4和1.28×10-4

1/c(Br-)0圖 2 4e·Br-的1/ΔA-1/c(Br-)0曲線*Figure 2 1/ΔA-1/c(Br-)0 curve of 4e·Br-*測(cè)試條件同圖1

從表3可以看出：(1)所有考察的主體對(duì)客體Cl-, Br-, I-均具有識(shí)別能力。主客體之間形成1 ∶1型超分子配合物，識(shí)別作用的推動(dòng)力主要為鹵素陰離子與酰胺氮?dú)渲g的氫鍵作用，結(jié)合常數(shù)最高可達(dá)2.43×103L·mol-1。(2)主體分子鉗4a～4e對(duì)所考察的客體陰離子的識(shí)別結(jié)合常數(shù)大小次序?yàn)椋篒->Br->Cl-。這種識(shí)別選擇性的規(guī)律可以從形成氫鍵強(qiáng)弱方面來(lái)解釋。主體4a～4e的裂穴空腔由兩個(gè)大的臂和膽甾的α面所構(gòu)成，孔穴較大，所有考察的客體均能被包結(jié)在裂穴內(nèi)。由于I-的直徑最大，其與主體裂穴的幾何形狀匹配互補(bǔ)剛好，形成氫的距離最短，作用最強(qiáng)，故結(jié)合常數(shù)最大；Br-的直徑次之，與主體形成氫鍵的強(qiáng)弱居中，結(jié)合常數(shù)次之；而Cl-的直徑較小，與主體裂穴尺寸匹配較差，形成氫鍵的距離最遠(yuǎn)，作用弱，因而結(jié)合常數(shù)最小。(3)主體分子鉗結(jié)構(gòu)的微小變化，對(duì)結(jié)合常數(shù)存在顯著影響。例如：主體分子鉗4c,4d手臂上的NO2分別位于苯環(huán)的間位和對(duì)位時(shí)，其對(duì)I-的結(jié)合常數(shù)分別為2 430.45 L·mol-1和317.68 L·mol-1，相差較大。這點(diǎn)充分說(shuō)明主體手臂取代基的位置變化所帶來(lái)的微環(huán)境效應(yīng)對(duì)識(shí)別性能也產(chǎn)生重要影響。

表 3 [4+X-]的Ka和-ΔG0*Table 3 Ka and -ΔG0 of [4+X-]

*Ka:結(jié)合常數(shù), -ΔG0:自由能變化;氯仿為溶劑，25 ℃

2.2 計(jì)算機(jī)分子模擬

4a的計(jì)算機(jī)分子模擬圖見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，4a的最低能量為鉗形，主體的兩個(gè)酰胺氮?dú)滟|(zhì)子正好處于裂穴內(nèi)，與進(jìn)入裂穴的客體陰離子形成氫鍵作用。由于4a的裂穴較為開(kāi)闊，所考察的三種陰離子均能充分進(jìn)入主體裂穴，因而決定主體識(shí)別選擇性的主要因素為主客體形成氫鍵的強(qiáng)弱。由于Cl-, Br-和I-的直徑分別為3.34 ?， 3.64 ?和4.21 ?，其中I-的直徑最大，形成氫鍵的距離最短，因而主體4a同I-形成的氫鍵作用最強(qiáng)，Br-次之，Cl-最弱，故結(jié)合常數(shù)大小次序表現(xiàn)為I->Br->Cl-，這與紫外滴定實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果完全吻合。

4a的最低能量構(gòu)象圖

[4a·I-]的最低能量構(gòu)象圖
圖34a的計(jì)算機(jī)分子模擬圖
Figure3Computer simulation diagram in4amolecule

2.3 4a·I-的1H NMR研究

為了進(jìn)一步證明主體分子中的酰胺氮?dú)滟|(zhì)子與客體陰離子之間確實(shí)形成了氫鍵作用，我們用1H NMR初步考察了主體4a·I-的識(shí)別配合作用，結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)，Bu4N+I-對(duì)主體分子鉗4a質(zhì)子化學(xué)位移的影響。在識(shí)別配合前，4a的兩個(gè)-CONH質(zhì)子的化學(xué)位移值為6.684和6.612，4a·I-的化學(xué)位移值為6.752和6.721，分別向低場(chǎng)移動(dòng)了0.068和0.109，這充分說(shuō)明了主體的酰胺氮?dú)渫腕wI-之間形成了較強(qiáng)的氫鍵作用。

δ δ圖 4 4a and complex 4a·I-的1H NMR譜圖*Figure 4 1H NMR spectra of 4a and 4a·I-*以CDCl3為溶劑

3 結(jié)論

合成了五個(gè)新型豬去氧膽酸分子鉗(4a～4e),4a～4e對(duì)所考察的陰離子均有識(shí)別作用，主客體間形成1 ∶1型超分子配合物，識(shí)別作用的推動(dòng)力主要來(lái)自于主體與客體之間的氫鍵作用。同時(shí)主體側(cè)臂上取代基的變化所導(dǎo)致的微環(huán)境差異、主體與客體在尺寸和形狀上的匹配均對(duì)識(shí)別有重要的影響。

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