Cryptophane的分子識別研究進展

趙艷艷，劉慧敏，魯 平，李晨潔，李 昱

(臨沂大學 化學化工學院，山東 臨沂 276005)

1 引言

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

2 Cryptophane與各種客體分子絡合作用研究進展

2.1 與中性小分子的絡合作用

20世紀90年代中期，cryptophane分子與中性小分子之間的這類絡合作用的研究主要局限于發生在不與客體小分子存在競爭作用的溶劑中。例如，cryptophane-A對甲烷的絡合作用最早通過核磁共振實驗證明[2]，用在298 K快速交換的自由甲烷和被絡合甲烷的高場位移信號表征。cryptophane分子對非極性物質的絡合作用主要是基于客體分子擁有適當的分子尺寸而且cryptophane分子本身框架具有足夠的入口使得客體分子能進入和離開內部空腔，與此同時，客體分子的結構和對稱性、主體分子芳環上的電子云密度和溶劑效應等都能影響主客體分子絡合物的形成，二者之間的絡合穩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評估其作用，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]。根據客體分子的尺寸，二氯甲烷(分子大小約為58?3)對cryptophane-C(內部空腔大小約為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(內部空腔大小約為121?3)絡合，綜合結果顯示客體分子對主體分子內部空腔的體積占用比為55%左右時，主客體分子絡合物較穩定。

Akabori等通過核磁共振方法研究了某些烷烴和含不同橋聯基團的cryptophane之間的絡合作用[4]。結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構，同時是否為芳香烴橋聯也影響較大。類似的研究表明反式結構的cryptophane不能與烷烴形成絡合物，但是擁有雙乙基醚橋聯的反式cryptophane和順式cryptophane均能有效進行封裝[5]。

2.2 與銨的絡合作用

除了能有效地封裝鹵代甲烷和一些揮發性有機化合物，cryptophane分子還能很好地識別適當大小的有機銨陽離子。通常來講，cryptophane與銨離子之間的絡合作用比中性分子更強，尤其是在C2H2Cl4或水溶液介質中時更為適用。例如cryptophane-E與四甲基銨陽離子的結合常數Ka高達475000 M-1，但與三甲基胺的結合常數則顯著下降為1600 M-1[6]。Cryptophane與銨離子之間的絡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合物穩定性的決定性因素。同時，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絡合物穩定性具有重要影響。

Garcia等為了研究影響銨陽離子客體和cryptophane主體絡合物穩定性的主要原因進行了系列實驗[6]研究在合成新型cryptophane分子的基礎上展開，其分子內空腔尺寸與cryptophane-E相似，但是cryptophane-E芳香環上的六個甲氧基被甲硫基取代。這種改變降低了主體分子的區域負電荷密度并且使得供客體化合物進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行絡合實驗發現相比cryptophane-E，新合成的cryptophane分子與這些客體化合物的鍵合性能發生了較大改變。而且氯仿與cryptophane-E的絡合物的半衰期僅0.55s，而與新合成的cryptophane的絡合物半衰期達24min。四甲基銨與cryptophane-E的絡合物的半衰期為13h，而與新合成的cryptophane的絡合物半衰期則長達792d。

類似地，Et3MeN+、Et4N+、EtMe3N+和 Me4N+等銨離子與含二甲苯基橋聯的cryptophane的絡合也曾通過高場位移的質子共振被研究[7]。結果顯示Et3MeN+絡合最為理想，而且EtMe3N+和 Me4N+這種相對較小的離子絡合過程熵值為正而較大的客體離子Et3MeN+、Et4N+絡合過程熵值為負值。

2.3 與金屬離子的絡合作用

一直以來，中性小分子和銨陽離子與cryptophane主體分子的絡合被廣泛研究，但其與金屬離子絡合方面的研究甚少，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生競爭的溶劑。Cryptophane分子對金屬離子的絡合最早被Akabori等人在1996年報道[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，且順式結構的主體分子的萃取率優于反式結構，其中尤以銫金屬離子的萃取效果最佳。

2.4 與陰離子的絡合作用

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

2.5 手性識別

值得指出的是，最初開展cryptophane合成這項研究的目的在于設計一種為識別CHFClBr這種手性分子兩種構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等人報道了第一個能手性識別CHFClBr的結構，即具有手性的cryptophane-C[10]。手性cryptophane-C可區分CHFClBr的兩種構象，當在混有內消旋的CHFClBr有機溶液中加入右旋手性cryptophane-C時，其核磁共振譜圖顯示兩組雙峰，而未加入時為兩組單峰。兩組雙峰的密度分布不一樣，表明兩種構象與手性cryptophane-C的絡合物穩定常數有所差異。Collet等人的這項研究開了cryptophane手性識別的先例，有助于區分的絕對構型。McCammon等人進行了一系列理論計算來支持Collet的這一研究結果[11]。

2.6 與Xe的絡合

一直以來，在液相或凝結相中通過有機分子絡合稀有氣體如He、Xe甚至是Rn都存在較大挑戰性，主要困難在于設計一種合適的有機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學應用中占有重要地位[12]，但僅有少數幾種有機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這種絡合物在氘代1,1,2,2-四氯乙烷中的存在。當溫度為278 K，對Xe@cryptophane-A絡合物進行了129Xe核磁實驗。當Xe過量時，核磁譜中可清楚觀察到兩個獨立的單峰，化學位移分別為229.5 ppm和62.3 ppm。這兩個單峰分別為溶液中自由的Xe原子和被cryptophane-A分子內空腔捕獲的Xe原子的峰。Cryptophane-A與Xe原子絡合物的穩定常數通過核磁數據得到，Ka值在278 K為3900，是一種非常強的鍵合過程，尤其在氣體中性客體的絡合作用中是很少見的。這個發現為Xe原子在醫學顯影方面的研究提供了新的思路，引出了很多很優秀的研究，研究表明，Xe@cryptophane這類絡合物在129Xe NMR譜中較大化學位移主要受Xe原子的高度極化和環境影響[12]。

3 展望

目前，超分子化學所構建的主-體體系仍然是化學、材料等學科的研究熱點，近年來，基于cryptophane所建立的超分子體系得到了迅速發展，這些主客體體系的絡合過程的研究對于客體分子的識別應用有著重要的指導意義，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，因此使得各種cryptophane結構在多種客體小分子的識別檢測領域有較大的應用前景，相信隨著科學研究的深入，隨著更多新型cryptophane結構的設計合成，更過的cryptophane-客體分子的絡合體系將被建立并應用在分子識別領域。