超分子作用對2-(2-氨基苯基)苯并噻唑分子內質子轉移的影響

向俊峰　易平貴任志勇　于賢勇　陳建　劉武　李桃梅

(湖南科技大學化學化工學院，理論有機化學與功能分子教育部重點實驗室，分子構效關系湖南省普通高校重點實驗室，湖南湘潭411201)

超分子作用對2-(2-氨基苯基)苯并噻唑分子內質子轉移的影響

向俊峰易平貴*任志勇于賢勇陳建劉武李桃梅

(湖南科技大學化學化工學院，理論有機化學與功能分子教育部重點實驗室，分子構效關系湖南省普通高校重點實驗室，湖南湘潭411201)

采用穩態熒光、瞬態熒光及量子化學計算等手段對2-(2-氨基苯基)苯并噻唑(APBT)在不同溶劑中的質子轉移進行了研究。結果表明，溶劑的極性及質子化對APBT的質子轉移有較大的影響，通過對超分子作用的考察，發現七元瓜環(CB[7])的加入對APBT質子轉移起到了一定的抑制作用，APBT與CB[7]能形成化學計量比為1:1的主客體包合物，同時測定了包合物的結合常數等熱力學參數。此外，核磁共振氫譜和包合物的理論計算表明APBT分子進入了CB[7]的疏水空腔。

質子轉移；七元瓜環；極化連續介質模型；熱力學；主客體化學

苯并噻唑類衍生物是一類具有良好藥用價值和光學活性的化合物，被廣泛應用于抗菌藥物、熒光探針以及光電二極管等領域5,10－12。瓜環13因其具有親水的羰基裙帶和疏水的納米空腔，且具有較好的水溶性，在主客體化學研究中占有重要地位，它不僅能夠改變客體化合物的水溶性，也能減小溶劑環境對客體化合物的影響，這對質子轉移過程的研究具有特殊作用14－16。

本文主要結合熒光光譜法結合量子化學理論計算，對2-(2-氨基苯基)苯并噻唑(APBT)的質子轉移進行研究，并通過七元瓜環(CB[7])的作用考察納米空腔對其質子轉移的影響。

2　實驗部分

2.1試劑與儀器

2-氨基苯甲酸(98%)與鄰氨基苯硫酚(98%)購于上海九鼎化學科技有限公司；多聚磷酸PPA(98%)夠買于上海晶純實業有限公司；七元瓜環來自陶朱教授課題組(貴州大學)；實驗用水均為二次蒸餾水；實驗所用溶劑均為分析純等級，購買于富于精細化工有限公司。

熒光光譜和瞬態熒光分別采用RF-5301 PC熒光光譜儀(日本，Shimadzu)和920穩態瞬態熒光光譜儀(英國，Edinburgh)測定；核磁共振譜采用Bruke AV II 500MHz核磁共振儀(德國，Bruke)測定；質譜采用Q-Tof Prem ier四級柱飛行時間質譜儀(美國，Waters)測試。

2.2實驗過程

2.2.1APBT的制備及表征

APBT按照參考文獻17進行制備提純。

2.2.2光譜測試

激發波長設定為300nm，分別測定室溫下不同溶劑與不同pH值下的熒光發射光譜；在pH= 2.88的水溶液中，以0.25的摩爾比逐次向2×10－5mol?L－1的APBT溶液中加入七元瓜環，測定室溫下的熒光壽命和量子產率，以及298、308與318 K下的熒光發射光譜；以20%DCl為溶劑，分別測定APBT與APBT和CB[7]混合體系的核磁氫譜。

2.2.3理論計算

APBT分子的互變異構體胺式(am ine)與亞胺式(im ine)的激發態結構S1采用泛函TD M06-2X/6-31G+(d,p)進行了全優化，胺式與亞胺式激發態結構之間質子轉移的能壘在激發態優化結構的基礎上通過對轉移質子的移動距離掃描獲得，溶劑化作用采用極化連續介質模型(PCM)；APBT與CB [7]之間包合物穩定結構通過ONIOM模型優化獲得，其中高層結構APBT分子與低層結構CB[7]分子分別用M06-2X/6-31G+(d,p)和M06-2X/6-31G方法。

圖1　 APBT(2.0×10－5mol?L－1)在不同溶液中的穩態熒光光譜圖Fig.1 Steady-state fluorescence spectra of APBT (2.0×10－5m ol?L－1)at differen t solven ts (a)dioxane,(b)ethanol,(c)N,N-dimethyl formamide,(d)ethylacetate, (e)cyclohexane,(f)dimethylsulfoxide,(g)water. λex=300nm,slitw idth Ex=15nm,Em=15nm

3　結果與討論

3.1溶劑對激發態質子轉移的影響

不同極性的溶劑中，APBT的熒光發射光譜如圖1所示。由圖可以看出，隨著溶劑的改變，APBT的最大熒光發射波長有較大的移動。在二甲基亞砜、N,N-二甲基甲酰胺、水、乙酸乙酯和二氧六環、乙醇等溶液中，熒光發射峰波長在450nm左右，而在環己烷中出現了雙重熒光發射峰。這可能是由于在極性溶劑中，苯環上的氨基容易與溶劑之間形成分子間氫鍵，促使了胺式結構朝亞胺結構的轉變，而在環己烷溶液中胺式結構受溶劑的影響較小，因此存在雙重熒光發射峰。可見，溶液的極性對APBT分子的質子轉移是有很大影響的，在非極性溶劑中，這兩種結構存在著一定的動態平衡。

溶劑在質子轉移的動力學過程中起著重要的作用，其結構和性質都與氣相不同，采用TD M06-2X方法在6-31G+(d,p)基組上結合PCM模型來研究溶劑對APBT質子轉移的影響。從圖2中可知，溶劑的極性越大，其過度能壘(TD*)也越高，而其亞胺式構型(K*)隨著極性的增大也越來越穩定。從理論上說明了溶劑的極性對APBT分子互變異構體穩定性的影響，也說明了溶劑極性越小越有利于其胺式向亞胺式結構的過渡。

3.2溶液pH值對激發態質子轉移的影響

圖3為APBT客體化合物在不同pH值下的熒光發射光譜圖。從圖中可以看出，APBT化合物在酸性很強的水溶液中存在雙重熒光發射峰，其380與450nm處的熒光發射峰分別表示APBT的胺式結構與亞胺式結構這兩種互變異構體。pH值從1.1逐漸升到3.5，短波處的熒光發射峰逐漸降低伴隨著輕微紅移，并且有消失的趨勢，然而長波段的熒光發射峰從極其微弱逐漸增強。用Q(長波段與短波段熒光發射峰的強度比)來表示質子轉移效率，其值越大，表示質子轉移的效率越高。從插圖Ⅰ中可以看出，pH值的增大，促進了分子間的質子轉移，當pH值超過3.3時，質子轉移效率幾乎達到最大值，更加體現了激發態質子轉移對環境體系是非常敏感的。

圖2　 2-(2-氨基苯基)苯并噻唑的質子互變異構體在氣相和不同溶劑中激發態的能量變化圖Fig.2 Schematic d iagram of excited state energy change for the tautomersof 2-(2-am inophenyl)benzothiazole in gasphaseand different solvents The energy of E was taken as zero.

圖3　 APBT(1.0×10－5mol?L－1)在不同pH值緩沖溶液中的穩態熒光發射光譜Fig.3 Steady-state fluorescence spectra of APBT (1.0×10－5m ol?L－1)w ith d ifferent pH values in bu ffer solutions pH:(1)1.15,(2)1.42,(3)1.83,(4)2.15,(5)2.40,(6)2.83,(7)3.05, (8)3.30,(9)3.52.Inset Ishows the efficiency ofproton transfer. Inset IIshow s the enlaged scale. λex=300nm,slitw idth Ex=15nm,Em=10nm

圖4　 APBT(2.0×10－5mol?L－1)在pH=2.88時的CB[7]滴定熒光發射波譜Fig.4Fluorescence spectra of APBT(2.0×10－5mol?L－1) with different CB[7]concentrationsat pH=2.88 nCB[7]/nAPBT:(1)0.00,(2)0.25,(3)0.50,(4)0.75,(5)1.00,(6)1.25, (7)1.50,(8)1.75.Inset Ishow s the am ino form fluorescence on an enlaged scale.Inset IIshows the efficiency ofproton transfer. λex=300nm,slitw idth Ex=15nm,Em=10nm

3.3七元瓜環納米限制介質對激發態質子轉移的影響

圖4展示了在指定的pH條件下，主體化合物CB[7]與客體化合物APBT相互作用的熒光發射光譜圖。從圖中可以看出，隨著CB[7]的加入，熒光發射峰的強度在短波段處與長波段處分別以上升與下降的趨勢變動，當CB[7]的量為1.75倍客體化合物的量時，在短波段處，熒光發射峰強度變為原來的1.06倍，然而在長波段處的熒光發射峰卻僅僅為原來的0.26倍。從圖中也可以看出，隨著瓜環的加入，質子轉移的效率逐漸減小，最終趨于穩定狀態。這說明了瓜環的加入，促使了客體化合物進入瓜環的疏水空腔，降低了溶劑對客體化合物的影響，從而使瓜環對客體化合物起到了保護與屏蔽的作用，降低了質子的轉移，進一步的證明了圖3中的合理性，也說明了主客體化合物之間發生了明顯的相互作用。

3.4主客體作用比及熱力學參數的確定

主客體化合物之間往往以范德華力、疏水作用力、靜電作用力和氫鍵作用力等維持其相互作用，故通過熱力學參數對主客體作用進行探討。包和比以及穩定常數對一個主客體相互作用的過程來說是重要的參數，并且穩定常數是隨著溫度的變化而變化的，也是熱力學的一個重要參數。我們采用在298、308和318 K下進行穩態熒光滴定實驗，通過Benesi-Hildebrand(公式(1))18,19來進行分析：

該公式中K表示包合物形成的結合常數，I0表示客體化合物的熒光強度，I表示加入一定主體化合物后的熒光強度，I∞表示主客體完全相互作用形成包和物的最終熒光強度。

圖5　 APBT在pH=2.88時不同溫度下與CB[7]相互作用的Benesi-Hildebrand分析圖Fig.5Benesi-Hildebrand p lotsof APBT w ith CB[7]in solution of pH=2.88 at different temperatures

表1　在pH=2.88的緩沖溶液中不同溫度下的包合物熱力學參數Table1 Thermodynam ic parametersof the com plex in solution of pH=2.88 at different tem peratures

如圖5所示，在不同溫度下，以熒光發射光譜長波段發射峰進行Benesi-Hildebrand分析，當n= 1時得到了具有很好線性相關的直線，說明了主客體化合物以化學計量比為1:1的形式形成包和物，同時得到了在298、308和318 K條件下的結合常數，分別為30873、27261和20836L?mol－1。說明了溫度越低，越有利于包合物的形成。

根據范特霍夫方程ln K=－ΔH/(RT)+ΔS/R，利用ln K與1/T作圖，通過斜率和截距求出焓變(ΔH)和熵變(ΔS)。然后通過方程ΔG=ΔH－TΔS求出吉布斯自由能(ΔG)20,21，具體結果見表1。從表中可以看出，該過程的ΔG<0，表明該過程完全是一個自發的過程。ΔH=－15.31 kJ?mol－1，表明形成包合物的過程是一個放熱的過程，這也是升高溫度，而主客體相互作用的穩定常數減小的原因所在，因此在溫度較低的環境下有利于包合物的形成，起到抑制質子轉移的效果。ΔS=34.80J?mol－1?K－1表明了客體化合物進入疏水性的納米空腔之前會釋放出結合水，這一過程伴隨著熵的增加，打破體系的平衡，使之變得無序。根據Ross等22提出的主客體相互作用方式和熱力學變化的規律來看，ΔH<0與ΔS>0表明了主客體相互作用是主要以疏水作用力為主。

3.5APBT與七元瓜環相互作用的瞬態光譜研究

APBT與七元瓜環的相互作用進一步通過瞬態熒光光譜來研究，在pH=2.88的水溶液中，以0.25倍的量逐漸向客體化合物中加入主體化合物溶液，通過表2我們可以看出，隨著瓜環的加入，體系中的熒光壽命由2.5423 ns增加到了5.5640ns，而量子產率由先前的2.11%下降到0.82%。通過熒光平均壽命(τf)和量子效率(Φf)，按照公式kr= Φf/τf與1/τf=kr+knr求出不同主體濃度下的輻射衰減速率常數(kr)與非輻射衰減速率常數(knr)23。從表2中看出隨著主體濃度的增加，非輻射衰減逐漸增強，輻射衰減逐漸減弱，然而輻射衰減還是起主導作用。瓜環的加入，主客體包合物的形成不僅增強了非輻射衰減，而且由于瓜環的疏水空腔對客體化合物起到一定的保護屏蔽作用，使得輻射衰減有助于包合物的形成，也降低了激發態質子轉移的效率。

表2　在pH=2.88的溶液中不同主體化合物濃度下熒光壽命、量子產率和輻射與非輻射衰減常數Table2 Fluorescence lifetime,quantum yield,and radiativeand non-radiative rate constantsof APBT in different concentrationsof CB[7]in solution of pH=2.88

3.6APBT與七元瓜環的核磁共振氫譜

APBT與CB[7]相互作用的1H NMR如圖6所示。隨著瓜環的加入，APBT與CB[7]發生相互作用，形成包合物，使得2-H與5-H向高場移動，由于APBT分子在空腔中發生屏蔽作用，使得光譜中的峰強度減弱。從這一結果中可以看出瓜環的加入促使APBT分子的疏水端進入瓜環空腔，這也表明了盡管客體分子上的氮原子可以與溶劑通過氫鍵相結合，但是在瓜環的條件下，客體分子選擇與瓜環相互作用，通過瓜環的疏水空腔形成更加穩定的包合物結構。

圖6　室溫下APBT與CB[7]作用在20%DCl中的核磁共振氫譜和可能作用的模型Fig.61H NMR spectra ofAPBT w ith CB[7]in 20%DCland the possib lemodelat room tem perature

3.7APBT與CB[7]相互作用的理論計算

為了更好地了解APBT的兩種互變異構體與七元瓜環的相互作用，我們采用ONIOM{M06-2X/6-31G+(d,p):M06-2X/6-31G}對兩種互變異構體相對應的包合物結構進行全優化，最終得到了最穩定的復合物結構，如圖7所示。從圖中可以看出，APBT分子的胺式與亞胺式在結構上發生了很大的變化，胺式結構的APBT的所有原子基本處于同一個水平面，而亞胺式結構則存在很大程度的偏轉，存在著明顯的兩平面結構。當主體化合物加入后，胺式結構主要以疏水端的苯并噻唑環進入瓜環空腔，客體化合物的結構發生一定程度的扭轉，其中氨基上的兩個氫原子分別與七元瓜環的兩個羰基氧形成了兩分子間氫鍵。而亞胺式結構主要以苯并噻唑環端的苯環進入瓜環空腔，其中兩個氮原子上的氫均與七元瓜環的相鄰羰基氧形成分子間氫鍵結構，其具體結構參數如表3所示。可見，這兩種質子互變異構體均能夠與CB[7]形成比較穩定的包合物。在結構上由于主體化合物瓜環的影響，均發生了一定的結構變化。

圖7　 APBT質子互變構型和相對應的包合物APBT@CB[7]的結構優化圖Fig.7 Com putationally optim ized geometriesof theAPBT tautomersand the corresponding APBT@CB[7]

表3　 APBT質子互變構型和相對應的包合物APBT@CB[7]的結構參數Table3 Com putationally optim ized geometry parametersof theAPBT tautomersand the corresponding APBT@CB[7]

4　結論

通過熒光光譜對APBT在不同溶劑以及納米限制介質中進行考察，發現不同的環境APBT表現出不同的熒光發射峰，胺式結構與亞胺式結構在溶液中存在一定的動態平衡，當CB[7]存在時，減小了溶劑對APBT分子的影響，從而抑制了質子的轉移過程，同時對熒光壽命和量子產率起到了一定的影響。通過Benesi-Hildebrand方程對熒光數據的擬合，用核磁滴定實驗以及理論計算等方法最終確定了APBT與CB[7]以1:1的作用形式形成了包合物。通過理論與實驗結合的手段來對APBT的考察，希望能夠在這一類質子轉移的研究中起到一定的幫助。

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Effect of Supra-Molecular Interaction on the Intramolecular Proton Transfer of 2-(2-Aminophenyl)benzothiazole

XIANG Jun-Feng YIPing-Gui*REN Zhi-Yong YU Xian-Yong CHEN Jian LIUWu LITao-Mei
(Hunan Province College Key Laboratory ofQSAR/QSPR,Key Laboratory ofTheoreticalChemistry and Molecular Simulation, Ministry ofEducation,SchoolofChemistry and Chemical Engineering,Hunan University ofScience and Technology, Xiangtan 411201,Hunan Province,P.R.China)

The excited-state intramo lecular proton transfer o f 2-(2-am inophenyl)benzothiazo le(APBT)in differentenvironments was detected by steady-state and transient fluorescence spectralmeasurements and quantum chem ica lca lcu lations.The results showed that the polarity and protonation of the solution strong ly affect the proton transferofAPBT.When APBT and cucurbit[7]uril(CB[7])werem ixed with each other,we found that the proton transfer process ofAPBTwas restrained by the formation ofa com p lex w ith a stoichiometric ratio o f1:1.The association constantand thermodynam ic parameters o f this com plexwere ca lcu lated.1H NMR spectroscopy and quantum chem icalcalculation data indicated thata 1:1APBT@CB[7]complex of the am ine or im ine tautomerofAPBT formed.

Proton transfer;Cucurbit[7]uril;Polarizable continuum mode l;Thermodynam ics; Host-guest chem istry

1　引言

質子轉移1－3在化學和生物領域中都廣泛存在4,5。質子轉移化合物在光、電或者是熱的作用下，其酸性基團上的質子通過分子內氫鍵轉移到相對應的N、O或S等能夠接受質子的基團上，這一過程就是激發態質子轉移(ESIPT)。激發態質子轉移由于具有雙重熒光發射峰，較大的Stokes位移，對環境有很強的敏感性等性質而受到很多科研人員的關注6－9。

August28,2015;Revised:December28,2015;Published onWeb:December29,2015.

O641

10.3866/PKU.WHXB201512291

*Corresponding author.Email:yipinggui@sohu.com;Tel:+86-731-58290187;Fax:+86-731-58290187.

Theprojectwas supported by the NationalNaturalScience Foundation ofChina(21172066,20971041)and Hunan University of Technology Team Projects,China([2012]318).

國家自然科學基金(21172066,20971041)和湖南省高校科技創新團隊項目(湘教通[2012]318)資助?Editorialofficeof Acta Physico-Chimica Sinica