不對稱芐基紫精與葫蘆[8]脲包結行為的探究

張錦錦， 鄒 雷， 王巧純

（華東理工大學化學與分子工程學院，精細化工研究所，結構可控先進功能材料及其制備教育部重點實驗室，上海 200237）

葫蘆脲（CB[n]，其中n表示甘脲單元數）是由甘脲和甲醛在酸性條件下縮合形成的大環分子，其中甘脲單元之間通過亞甲基橋聯在一起，兩端為親水性的羰基，中間為疏水性的空腔[1-5]。葫蘆脲對帶正電荷的客體分子如質子化的有機胺[6]、吡啶鎓[7]、紫精[8]等具有很強的包結能力[9]。這些客體中，紫精分子具有可逆的氧化還原變色性能，而且葫蘆脲的包結對紫精還原態自由基有良好的穩定性作用[10]，因此紫精/葫蘆脲復合體系在刺激響應型材料[11]、超分子自組裝[12]等領域的研究備受矚目。許多研究結果表明，紫精分子的取代基以及葫蘆脲空腔的大小對兩者的包結模式有很大的影響。比如，內腔較小的CB[6]一般與烷基化取代的紫精結合力較強，且CB[6]停留在烷基上[13]。內腔中等的CB[7]與紫精化合物的包結位點則取決于取代基的極性及烷基鏈的長度，當取代基的極性大，或者體積較小時，CB[7]會停留在聯吡啶部分[14]；當取代基（特別是芐基[15]）為親油性基團且體積較大時，CB[7]則停留在側鏈基團上。腔體較大的CB[8]則傾向于包結兩個芳香型取代基單元，特別是當紫精單元與芳香型電子給體（如萘酚衍生物）相連時，CB[8]內腔同時包結紫精和電子給體，形成三元復合物，甚至是超分子聚合物[16]。

考慮到CB[8]內腔大到足夠容納兩個芳環單元，因此猜測其與含芐基的紫精分子進行包結時，很有可能形成1 個CB[8]同時包裹2 個芐基的頭對頭結合型復合物。這種1∶2 的包結模式如果成立，那么含多個芐基紫精的客體砌塊單元就可通過與CB[8]的包結作用相互交聯，這將為進一步構建相關超分子聚合物，甚至是刺激響應型材料打下良好的基礎。本文制備了不對稱的紫精化合物1-乙基-1’-芐基-4,4’-聯吡啶溴化鹽（EBV），運用核磁共振氫譜（1H-NMR）、等溫滴定量熱法（ITC）、高分辨質譜（HRMS）等手段，詳細考察EBV 與CB[8]的包結行為。

1 實驗部分

1.1 原料和試劑

聯吡啶、溴化芐，均為分析純，購于阿拉丁生化科技股份有限公司；溴乙烷、尿素、多聚甲醛，均為分析純，購于上海麥克林生化科技有限公司；乙腈、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、濃鹽酸（w=37%）、乙酸乙酯、無水甲醇（w=98%）、丙酮，均為分析純，購于上海泰坦科技股份有限公司。以上試劑未經進一步提純直接使用。實驗用水為去離子水。

1.2 測試與表征

1H-NMR 與核磁共振碳譜（12C-NMR）使用德國Brüker 公司 AM-400 型核磁共振波譜儀測試，以四甲基硅烷（TMS）為內標，室溫下測試；HRMS 采用Xevo G2 TOF MS 的電噴霧離子化（ESI）-高分辨飛行時間質譜儀測試；等溫滴定量熱儀的型號為Microcal ITC200（GE Healthcare）。

1.3 實驗步驟

1.3.1 EBV 的合成 EBV 的合成在文獻報道[17-18]的基礎上進行改進，如圖1 所示。

稱取聯吡啶（9.37 g，60.0 mmol）溶于50.0 mL 乙腈中，加熱至回流。緩慢滴加溴乙烷（1.09 g，10.0 mmol）與10.0 mL 乙腈的混合溶液，滴加完畢后繼續回流反應20 h。冷卻后旋蒸除去溶劑，剩余物用乙酸乙酯多次洗滌除去未反應聯吡啶，干燥后得1.85 g 淺黃色固體1（產率69.8%）。1H-NMR (400 MHz, D2O，298 K，δ)：8.84 (d，J=6.9 Hz，2H)，8.62 (d，J=6.3 Hz，2H)，8.25(d，J=6.7 Hz，2H)，7.76 (d，J=6.3 Hz，2H)，4.56 (q，J=7.4 Hz，2H)，1.54 (t，J=7.4 Hz，3H)。

將固體1（0.251 g，1.0 mmol）和溴化芐（1.71 g，10.0 mmol）加入到耐壓管中，用乙腈或DMF 作溶劑，油浴加熱反應24 h。冷卻后抽濾，用乙腈多次洗滌濾餅，干燥得0.404 g 黃綠色固體EBV（產率92.6%）。1H-NMR (400 MHz，D2O，298 K，δ)：9.12 (dd，J=14.2，6.9 Hz，4H)，8.51 (t，J=5.3 Hz，4H)，7.51 (s, 5H)，5.91 (s,2H)，4.74 (q，J=7.4 Hz，2H)，1.67 (t，J=7.3 Hz，3H)；13CNMR（100 MHz，D2O，298 K，δ）：150.46，150.39，149.74，145.42，145.15，132.14，130.08，129.59，129.26，126.98，64.72，57.60，15.57；HRMS（ESI）：m/z355.081 3（[MBr]2+計算值355.081 0）。1.3.2 CB[8]的合成及純化 CB[8]按照文獻[1-5, 19]中所述的方法進行制備及純化。

2 結果與討論

2.1 EBV 與CB[8]包結行為的核磁研究

雖然已有文獻[20-21]提及CB[8]與EBV 形成1∶1（物質的量之比）的包結物，但在對二者進行核磁滴定實驗時發現，隨著CB[8]加入量的增加，除了EBV 本身的質子信號外，還出現了一組新的質子信號（圖2(b)及2(c)）。進一步對這一組信號進行峰面積積分時發現，CB[8]與EBV 單元的物質的量之比保持為1∶2。相比純粹的EBV 核磁，這組新的核磁信號中EBV 聯吡啶單元的Hd、He的化學位移向低場分別移動了0.27 和0.17；Hf則向高場移動0.36；而苯環單元上的Hh、Hi、Hj進一步發生分化，分別向高場移動1.31、1.16、1.16；此外，芐基上亞甲基Hg的化學位移也向高場移動0.72，而乙基單元上的氫及聯吡啶單元上的Hc的化學位移基本上沒有變化。這說明CB[8]與EBV 極有可能形成了我們預期的1∶2 頭對頭包結物2EBV-CB[8](圖1)，即1 個CB[8]內腔同時包結2 個芐基單元。

此時，芐基及處于CB[8]端口的Hf因為屏蔽效應向高場移動；處于端口外面的Hd、He由于去屏蔽效應向低場移動；而遠離CB[8]的Hc及乙基上的氫則基本不受影響。當CB[8]含量進一步增加，CB[8]與EBV 的物質的量之比為1∶2 時，游離的EBV 質子信號完全消失（圖2(d)），只剩下包結物的信號峰。再繼續加入CB[8]時，所得核磁圖譜并不發生變化，說明二者確實形成1∶2 的穩定包結物。而且這時由于CB[8]在水中的溶解度差(c＜1.00×10-5mol/L)[4]，過量的CB[8]離心后沉降在核磁管底部。進一步將CB[8]與EBV 物質的量之比為1∶2 條件下的核磁與文獻[20-21]報道的圖譜進行比對，發現二者完全一致。這說明文獻報道的包結模式中，CB[8]停留在芐基上是正確的，但是二者最終并非形成1∶1 的包結物。

2.2 EBV 與CB[8]的包結行為的ITC 分析

為進一步研究EBV 與CB[8]的包結行為，進行了ITC 測 試。將1.30×10-3mol/L 的EBV 水 溶 液 在298.15 K 下逐漸滴加到1.00×10-4mol/L的CB[8]水溶液中，結果如圖3 所示，得到的具體數據如表1 所示。所得結果并不能按經典的用于擬合1∶1 包結模式的“Independent”模型進行擬合，而與“Multiple sites”等溫模型則匹配良好。這表明EBV與CB[8]的包結過程中，兩個客體分子不是同時與主體分子包結[21]，而是分步進行，即如圖1(b)所示：隨著EBV 加入到CB[8]溶液中，首先進行1∶1 的包結，該過程的結合常數為K1=（1.65±1.22）×107M-1（1 M=1 mol/L，余同），對應的ΔH1和-TΔS1分別為（-26.2±1.26） kJ/mol和14.6 kJ/mol。之后隨著EBV 的進一步加入，最終形成1∶2 的穩定包結物，整個過程的表觀包結常數（Ka）為（1.34±0.193）×1013M-2，對應的ΔH和-TΔS分別為（-64.4±3.19）kJ/mol 和-9.43 kJ/mol，這表明該組裝行為是焓和熵共同驅動的。

2.3 EBV 與CB[8]的包結行為的質譜分析

上述包結行為的推論進一步得到了ESI-HRMS的驗證。如圖4 所示，在ESI-HRMS 譜圖中發現了1∶1 包 結 物 的[M-2Br]2+信 號 峰，m/z值 為802.28，相關同位素峰型與理論模擬結果一致。此外，質譜圖中在m/z=1 019.28 處出現了1∶2 包結物的[M-2Br]2+信號峰，同樣其相關同位素峰型與理論模擬結果一致。這表明EBV 與CB[8]包結過程中確實經歷了從1∶1 包結到1∶2 包結這兩種過程。

2.4 濃度對1∶1 及1∶2 兩種包結模式的影響

EBV 與CB[8]的包結比例受濃度影響。EBV與CB[8]的反應過程為：其中：H 表示主體分子CB[8]；G 表示客體分子EBV；HG 表示CB[8]與EBV 以1∶1（物質的量之比）形成的超分子；HG2表示GB[8]與EBV 以1∶2（物質的量之比）形成的超分子。

則反應平衡時，

其中：c(H)、c(G)、c(HG)、c(HG2)分別表示H、G、HG、HG2的平衡濃度。

另外，由物料守恒得知，

其中：c(H0)、c(G0)分別表示CB[8]和EBV 的總濃度。

因最初將CB[8]和EBV 以物質的量之比1∶2混合，所以：

聯立式（3）～（7）可得：

在核磁測試中，取c(HG2)為1.00×10-2mol/L，由式(4)、(8)可得：

其中：K1用1.65×107M-1代入，K2用8.14×105M-1代入，由式（9）可計算得到c(G)=3.51×10-4mol/L ，c(H)=6.06×10-8mol/L，1∶1 包結物的平衡濃度c(HG)=3.50×10-4mol/L，占包結物總摩爾分數的3.38%，而1∶2 包結物的平衡濃度c(HG2)為1.00×10-2mol/L，其摩爾分數高達96.6%。所以在核磁圖譜中只觀察到1∶2 的包結物。

然而，在質譜圖譜中同時觀察到1∶1 和1∶2 兩種包結物的信號峰（圖4），原因如下：取c(HG)為1.00×10-5mol/L，根據式（3）～（8）計算得到c(G)為1.01×10-5mol/L，c(H)為5.99×10-8mol/L，1∶1 包結物的平衡濃度c(HG)為1.00×10-5mol/L，占包結物總摩爾分數的54.8%，而1∶2 包結物的平衡濃度c(HG2)為8.24×10-6mol/L，摩爾分數為45.2%，所以在ESIHRMS 圖譜中同時觀察到1∶1 和1∶2 兩種包結物的信號峰。

由此可見，EBV 與CB[8]的包結比例受其濃度影響，隨著EBV 和CB[8]濃度的降低，1∶2 包結物的摩爾分數會逐漸降低，而1∶1 包結物的摩爾分數則會逐漸增加。

圖3 將EBV（1.30×10-3 mol/L）在298.15 K 下滴加到CB[8]（1.00×10-4 mol/L）水溶液中的ITC 圖像Fig. 3 ITC pattern of the complexation of EBV(1.30×10-3 mol/L) with CB[8](1.00×10-4 mol/L) in aqueous solution at 298.15 K

表1 EBV 和CB[8]包結行為的ITC 測定值（298.15 K）Table 1 ITC values of the complexation of EBV with CB[8] (298.15 K)

3 結 論

通過1H-NMR、ITC 和HRMS 分析表明，EBV 與CB[8]在水溶液中進行分步結合，先經過1∶1 包結，最終實現1∶2 包結。第一過程包結常數為(1.65±1.22)×107M-1，ΔH1和-TΔS1分別為(-26.2±1.26) kJ/mol和14.6 kJ/mol。而整個過程的表觀包結常數為(1.34±0.193)×1013M-2，對應的ΔH和-TΔS分別為(-64.4±3.19) kJ/mol 和-9.43 kJ/mol，是由焓和熵共同驅動的自組裝過程。該研究結果為將來利用多芐基紫精衍生物與CB[8]進行自組裝構建功能性超分子聚合物體系打下了良好基礎。

圖4 EBV 與CB[8]包結物的ESI-HRMS（(a)、(b)分別為1∶1、1∶2 包結物的信號峰，其中上面為理論模擬圖，下面為測試圖）
Fig. 4 ESI-HRMS of the EBV/CB[8] complex ( (a) and (b) are the signal peaks of 1∶1 and 1∶2 inclusions, respectively, the corresponding simulated spectra (up) and test spectra (down))

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