多胺修飾β－環糊精:釹配合物對萘二胺的分子識別研究

姜慧明，楊 紅

(大連民族學院a.生命科學學院;b.環境與資源學院，遼寧大連 116605)

多胺修飾β－環糊精:釹配合物對萘二胺的分子識別研究

姜慧明a，楊 紅b

(大連民族學院a.生命科學學院;b.環境與資源學院，遼寧大連 116605)

將β－環糊精的6－OH用二乙烯三胺基取代，得到了6－脫氧－二乙烯三胺基β－環糊精(DTCD)，在鑭系金屬NdCl3的存在下，分別與1，5－萘二胺和1，8－萘二胺反應，得到了2種三元超分子配合物，并用核磁共振氫譜對配合物進行了表征。其中主客體分子的化學計量比為2∶1，客體分子等價氫原子的信號簡并現象在包合前后沒有發生變化，表明客體分子在主體空腔保持著對稱的構象。2種三元超分子配合物均呈“三明治”式夾心結構。

β－環糊精;修飾;分子識別;萘二胺;釹;核磁共振;包合

β－環糊精是一種具有親水親油雙重性質的超分子主體化合物，其外壁為多羥基，使得β－環糊精具有較好的水溶性，而內部空腔由糖苷氧原子以及葡萄糖單元的C3和C5氫原子構成，為富電的疏水性微環境。β－環糊精可以在水溶液中結合各種無機、有機和生物小分子形成包合物，因此在科學和工業領域具有各種應用。但從β－環糊精的結構特點和性質來看，它還有比較大的局限性，表現在常溫水溶性較低，分子識別的位點較少，還缺少酶那樣的有效功能團。為增加β－環糊精的分子模式識別(Pattern Recognization，PR)能力，使之具有酶功能，通常在環糊精分子中引入一定官能團修飾成環糊精衍生物。與單體相比，修飾性環糊精衍生物往往具有更大的水溶性和更強的分子識別能力。因此修飾環糊精具有更廣闊的應用領域，目前對此已經開展了大量的研究工作［1－9］。

作為新一代超分子主體化合物，β－環糊精對客體分子的識別主要有兩種:一種是“內識別”，主客體分子之間的相互作用力主要為范德華力、疏水作用力、色散力等;另一種是“外識別”，作用力主要為氫鍵。對應于兩種識別方式，β－環糊精與客體分子主要形成兩種超分子體系:包合物和表面作用產物。本文討論的客體分子與β－環糊精空腔的尺寸匹配或近似匹配，能夠完全或部分進入β－環糊精的空腔，屬于內識別模式。β－環糊精的內識別機理主要是通過H－3和H－5進行的，二者均指向空腔，可以作為分子組裝和識別客體分子的探針來研究空腔內客體分子的構象。在核磁共振氫譜中，H－3和H－5位移變化的幅度和方向表明了與空腔內客體分子相互作用的強弱，而客體分子各氫原子位移變化的幅度和方向同樣揭示了與主體空腔的相互作用和結合的緊密程度。

目前對化學修飾β－環糊精研究較多的是向β－環糊精引入一些識別基團如各種生色基作為熒光探針［10－12］，來探索生命體內一些比較復雜的現象。其中多胺修飾β－環糊精及其金屬配合物，與天然β－環糊精相比，大大增加了分子識別的位點，從而引起了科學家們廣泛的興趣［13－14］。

在β－環糊精:金屬離子:客體分子三元超分子配合物的研究中，目前研究最多的是銅配合物［15－20］，其次是鈷、鎳、鋅［21－22］。研究主要集中于多點分子識別以及三元配合物之間的相互作用。目前稀土金屬尤其是鑭系金屬在β－環糊精領域的應用研究還未見報道，而鑭系金屬有機配合物發光材料是重要的發光材料來源，其應用研究對于設計新型發光材料及開拓新的應用領域有著重要意義。因此本文選擇鑭系金屬釹作為電荷中心，研究擁有該電荷中心的修飾β－環糊精的分子組裝及識別效應。

1 材料與方法

1.1 儀器及試劑

Varian Mercury AS400 Instrument核磁共振波譜儀(Varian Co.);85－2型恒溫磁電攪拌器(鞏義市英峪予華儀器廠)。實驗中所用對甲苯磺酰氯、氫氧化鈉、四氫呋喃、丙酮、乙醚、二甲亞砜均為市售分析純試劑。β－環糊精為南開大學精細化學實驗廠產品，使用前蒸餾水重結晶兩次。1，5－萘二胺、1，8－萘二胺為Acros organics公司分析純試劑。二乙烯三胺為上海信一化工實業有限公司產品，NdCl3從相應的氧化物中制備，該氧化物為大連民族學院杯芳烴實驗室友情贈送，純度為99.99%。

1.2 合成實驗

1.2.1 單［6－(二乙烯三氨基)－6－脫氧］－環糊精(DTCD)的合成

合成路線和方法:

在250 mL四口圓底燒瓶中已加入100 mL蒸餾水和70 mL四氫呋喃組成的混合溶劑中，再加入10 g－CD 和0.4 g KOH，攪拌15 min，待大部分固體溶解后，滴加30 mL溶有1.68 g對甲苯磺酰氯的THF溶液，于1.5 h內滴完，再劇烈攪拌3 h，反應完畢后加入40 mL丙酮，放入冰箱，待固體充分析出后過濾，晾干，用乙醚浸泡2 d，然后過濾，再用乙醚洗滌，得到白色固體6 g，用蒸餾水重結晶2次得到4.5 g 6－OTs－6－脫氧－β－CD。

在100 mL三口瓶中加入2 g 6－OTs－6－脫氧－β－CD，再加入30 mL二乙烯三胺，放入攪拌子。把三口瓶固定于恒溫磁力攪拌器上，通入氮氣保護30 min后開啟溫度按鈕在70℃條件下攪拌7 h，反應完畢后進行減壓水蒸氣蒸餾，除去部分多胺，把反應物滴入200 mL丙酮中，析出白色沉淀。抽慮，得白色固體，用少量水溶解后加入丙酮，再次析出白色粉末，離心干燥后得白色固體。

1.2.2 DTCD －NdCl3－ 萘二胺三元超分子化合物的合成

在50 mL圓底燒瓶中加入 DTCD 0.1 g，NdCl30.02 g，加入10 mL去離子水使其充分溶解后再加入碳酸氫鈉配置的緩沖液。稱取0.01 g 1，8－萘二胺(或1，5－萘二胺)，用0.1 mL DMSO 充分溶解，然后慢慢滴加至上述溶液中直至有沉淀生成，常溫下攪拌3～4 h。反應完畢后，離心提取固體干燥。

1.2.3 核磁共振實驗

超分子包合物的核磁共振譜圖是以氘代DMSO為溶劑測定的，以DMSO在2.48的吸收峰作為內標。客體分子是以氘代氯仿為溶劑，以溶劑在7.28的信號作為內標，實驗溫度為298 K。

2 結果與討論

β－環糊精的6位羥基是比較弱的離去基團，與對甲苯璜酰氯反應轉換成OTs后，可以比較容易的被修飾基團所取代。二乙烯三胺和6－OTs－6－脫氧β－CD在氮氣保護下反應，得到了化學修飾β－環糊精DTCD，β－環糊精的窄口端被多氨基鏈占據，該鏈狀結構會與β－環糊精的空腔發生自包結作用，從而縮小了β－環糊精的有效空腔，影響了底物分子與β－環糊精空腔的有效結合。但經過化學修飾后，產物DTCD的水溶性優于β－環糊精，這對發生在水相中的主客體分子的包合反應是有利的。

2.1 超分子體系的核磁共振氫譜分析

主客體分子的結構和氫原子標記如圖1。

圖1 主客體分子的結構和氫原子標記

DTCD－NdCl3－1，5－萘二胺三元超分子配合物中主客體分子的化學位移和變化見表1和表2(注:△δ=δ(配合物) －δ(單體)，s為單峰，d為雙重峰，t為三重峰，以下同)。

表1 DTCD－NdCl3－1，5－萘二胺三元超分子配合物中1，5－萘二胺的化學位移和變化

表2 DTCD－NdCl3－1，5－萘二胺三元超分子配合物中DTCD的化學位移和變化

形成主客體三元超分子配合物后，主客體分子的化學位移沒有發生顯著的變化，這是由于主客體分子之間的主要相互作用力為較弱的范德華力，如偶極－偶極相互作用、色散力等，或者為幾種相互作用的協同作用。

在β－環糊精的窄口端6位碳上引入多氨基基團，隨著它與Nd3+形成配位鍵，產生了自包結作用，該包結作用降低了β－環糊精的有效空腔［20］。這一點可以被超分子體系中主客體分子的化學計量比得到驗證。根據核磁信號的積分分析，在該三元配合物中，主客體分子的化學計量比為2∶1，這與天然β－環糊精－1，5－萘二胺包合物的結果不同(該體系中，主客體的化學計量比為1∶1)［23］。同時觀察到主體分子中的H－3比H－5位移變化更加顯著(見表2)，說明1，5－萘二胺進入β－環糊精空腔后更加靠近空腔的寬口端。在超分子體系內，1，5－萘二胺中的氨基的化學位移幾乎沒有發生變化(見表1)，說明它未能與Nd3+形成配位鍵，從而也證明了氨基更加靠近空腔的寬口端，客體分子苯環上質子的化學位移都發生了變化;同時證明是與β－環糊精完全包合的，存在主客體分子間的相互作用，但位移變化的平均幅度要低于天然β－環糊精對1，5－萘二胺的包合［23］，等價氫原子的信號簡并現象依然存在(見表1)，表明1，5－萘二胺在β－環糊精空腔的構象是對稱的。

綜上所述，在DTCD－NdCl3－1，5－萘二胺三元超分子配合物中，1，5－萘二胺是被2個DTCD分子包合，形成“三明治”式的結構，氨基的側面原子C－2，3和C－6，7分別指向空腔的深處。2個氨基分別位于2個DTCD的空腔壁。

DTCD－NdCl3－1，8－萘二胺體系主客體分子的化學位移和變化見表3和表4。

表3 DTCD－NdCl3－1，8－萘二胺三元超分子配合物中1，8－萘二胺的化學位移和變化

表4 DTCD－NdCl3－1，8－萘二胺三元超分子配合物中DTCD的化學位移和變化

形成三元超分子配合物后，1，8－萘二胺的化學位移發生了較大的變化(見表3)，這證明了三元配合物中各成分之間存在較強的相互作用。萘環上的氫原子的位移變化為－0.19～0.03，變化幅度超過1，5－萘二胺。而氨基的位移變化達到了1.05，類似于天然β－環糊精對1，8－萘二胺的包合物［23］。其位移變化的原因與天然β－環糊精對1，8－萘二胺的包合類似［23］，即超分子體系的形成破壞了空腔內1，8－萘二胺2個氨基的分子內氫鍵，從而達到了自由氨基(類似于1，5－萘二胺)的化學位移。

根據信號的積分分析，在該三元配合物中，主客體分子的化學計量比為2∶1，這與天然β－環糊精－1，8－萘二胺包合物的結果不同［23］(該體系中，主客體的化學計量比為1∶1)。同時觀察到該系列主體分子中的H－3比H－5位移變化更加顯著(見表4)，說明1，8－萘二胺進入β－環糊精空腔后，更加靠近空腔的寬口端。萘環的分子尺寸與β－環糊精非常匹配，能夠以兩種垂直的取向完全包合在空腔里面［24］。由表3可看出，客體分子1，8－萘二胺的化學位移都發生了變化，證明是與β－環糊精完全包合的，存在主客體分子間的相互作用，但位移變化的平均幅度低于天然 β －環糊精對 1，8－萘二胺的包合［23］。與DTCD和NdCl3形成三元配合物后，1，8－萘二胺分子中等價的氫原子的信號簡并現象依然存在，說明1，8－萘二胺在2個β－環糊精空腔的構象是對稱的。由此可見，1，8－萘二胺是被2個DTCD分子包合，形成“三明治”式的結構，氨基的側面原子C－2，3和C－6，7分別指向2個空腔的深處，2個氨基分別位于2個DTCD的空腔壁。

2.2 三元超分子配合物的構象分析

在合成的兩種三元超分子配合物中，DTCD側鏈上的多氨基會和NdCl3形成配位鍵。在形成配位鍵的過程中，軌道的相互作用不起決定性因素，金屬與配體的相互作用主要是靜電作用，成鍵的方向性不顯著，類似于離子化合物，配體的數目取決于空間位阻和相互之間的距離，以及可供選擇的配體數目，因此釹離子在與多氨基形成配位鍵后，也會與β－環糊精空腔窄口端的一個或多個羥基形成配位鍵。該金屬與氮原子或氧原子的配位吸收峰出現在300～400 cm－1，常規紅外光譜無法檢測到該吸收峰。

通過核磁共振分析得知，在該系列配合物中，主客體分子的化學計量比均為2∶1，客體分子的構象分布式是對稱的，從而推導出了在鑭系金屬NdCl3的存在下，多胺修飾β－環糊精對1，5－萘二胺和1，8－萘二胺的分子識別信息，明確給出了客體分子在β－環糊精空腔的構象。這兩種三元超分子配合物的結構如圖2。

圖2 三元超分子配合物的結構示意圖

3 結論

本文討論了多胺修飾β－環糊精的分子識別效應，即β－環糊精被二乙烯三胺修飾，其6位羥基被取代，得到取代β－環糊精DTCD。在鑭系金屬 NdCl3的存在下，DTCD 與1，5－萘二胺、1，8－萘二胺形成了兩種三元超分子配合物，通過對超分子體系的核磁共振氫譜分析，推導出了客體分子在主體空腔的構象。結論如下:

(1)多胺修飾的β－環糊精具有多個配位基團，能夠與鑭系金屬離子(NdCl3)形成配位鍵，同時捕獲客體分子1，5－萘二胺、1，8－萘二胺進入空腔，形成超分子化合物。

(2)兩種三元超分子配合物中，主客體分子的化學位移都發生了變化，表明主客體分子之間存在著相互作用力，表明了超分子體系的形成。同時，主客體分子的化學計量比均為2∶1，與天然β－環糊精對1，5－萘二胺或1，8－萘二胺的包合狀態不同(該體系中，化學計量比為1∶1)［23］。這表明多胺修飾β－環糊精的體系中，側臂氨基鏈的自包結縮小了β－環糊精的有效空腔，使苯環與其相對匹配［20］。

(3)在這兩種超分子配合物中，主體分子的H－3的位移變化比H－5的位移變化更加顯著，說明客體分子萘二胺進入多胺修飾β－環糊精的空腔后，與空腔的寬口端結合比較緊密，進一步表明萘二胺是被2個β－環糊精空腔完全包合的，主客體分子形成了一種“三明治”式結構，客體分子保持了對稱的構象。

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Molecular Recognition of Naphthalenediamine by Polyamine Modified β－Cyclodextrin:Neudymium Metal Complexes

JIANG Hui－minga，YANG Hongb
(a.College of Life Science;b.College of Environment and Resources，Dalian Nationalities University，Dalian Liaoning 116605，China)

6－OH of β －Cyclodextrin was modified by diethylene triamine，6－deoxy－diethylene triamido－β －Cyclodextrin(DTCD)was prepared，which complexes 1，5－naphthalenediamine and 1，8 － naphthalenediamine，respectively，in the presence of lanthanide NdCl3to synthesize two ternary inclusion complexes(host－guest－metal).The molecular recognition of DTCD －Nd complex to 1，5－naphthalenediamine and 1，8－naphthalenediamine was investigated via1H NMR spectroscopy.The stoichiometric proportion of host and guest molecules is 2∶1 for the complexes.Signal degeneration still exists for the guest molecules after the inclusion process，revealing the symmetrical conformation of the guest molecules inside the cavities of the two host molecules.Two complexes both exhibit“sandwich”－ typed structure.

β－cyclodextrin(β－CD);modification;molecular recognition;naphthalenediamine;Neudymium;NMR;complexation

O636.11

A

1009－315X(2012)01－0004－05

2011－09－21;最后

2011－10－12

中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助項目(DC10040106)。

姜慧明(1972－)，男，山東萊陽人，副教授，主要從事有機化學的雙語教學和超分子化合物研究。

(責任編輯 鄒永紅)