Cryptophane與鹵代甲烷主客體分子體系研究進展

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)

鹵代甲烷是甲烷的鹵代物，指甲烷分子中一個或多個氫原子被鹵素原子取代后的一類化合物，是甲烷最常見一類的取代物之一，其應用廣泛，但大部分對人體及環境都具有較大毒性。以氯仿為例，氯仿大量被用作生產聚四氟乙烯和制冷劑的前體，也曾在醫學用作麻醉劑。在制藥、染料及農業領域也常被用作生產中的常用溶劑，因此大量含氯仿的廢液及廢氣被排放[1]。氯仿氣體可致人體中樞神經系統損傷，危害生命健康。當空氣中氯仿濃度達1000 ppm，人在其中短時間內就會感到頭暈頭痛。長期和氯仿接觸造成的慢性中毒可致肝臟和腎臟(在這里氯仿會轉化成光氣，劇毒)損傷，若直接接觸氯仿，可致皮膚腐蝕[2]。因此，研究簡單廉價操作方便的氯仿檢測方法對于生產安全、環境安全及人體健康具有重大意義。

1 基于不同方法構建的cryptophane與鹵代甲烷主客體分子體系

Cryptophane是一種具有分子內空腔的主體化合物(圖1)，常能對尺寸合適的小分子進行封裝識別[3-4]，不少鹵代甲烷尤其是氯代甲烷均能與cryptophane發生較為穩定的絡合作用，因此可將cryptophane對其絡合應用于鹵代甲烷的檢測領域。近年來，多種研究手段被引入用于cryptophane與鹵代甲烷主客體分子體系的構建。

圖1 幾種常見的Cryptophanes分子結構

1.1 核磁共振法

核磁共振方法是最早用來研究cryptophane絡合作用也是應用最廣泛的方法之一[5]，并一直沿用至今，不時可見通過核磁共振研究cryptophane與鹵代甲烷絡合的研究報道。

2012年，Brotin等人通過核磁共振氫譜和碳譜對溶液中的cryptophane-D即順式的cryptophane-C與氯仿和二氯甲烷之間的作用分別進行了不同實驗條件的研究，進行了詳細的描述，其中最成功的發現無疑是，當客體分子為氯仿時，絡合前后cryptophane-D的橋聯基團部分的碳譜出現很明顯的位移偏差[7]。他們解釋這種變化是由于將客體分子引入cryptophane-D空腔后，存在構象選擇，經過重排后最終產生了新的構象造成的，這種解釋得到了密度泛函理論計算結果的支持。同時，他們還發現氯仿和二氯甲烷與cryptophane-D絡合時存在較大差異，cryptophane與氯仿的絡合是一個較慢的交換過程，但與二氯甲烷的絡合在較大溫度范圍內都是較快的。在熱力學上也有不同，二氯甲烷與cryptophane-D的絡合過程焓變幾乎為0。在2015年，該團隊再次利用核磁共振的方法，進一步研究了cryptophane-D與氯仿分子的絡合過程，提出了在這種存在兩種結構相互交換轉變過程的雜環雙自旋體系在兩種結構相互改變過程中的縱向松弛理論[8]。

鹵代甲烷被cryptophane分子絡合過程的動力學行為特別是針對鹵代甲烷在cryptophane空腔中的物理狀態和行為也通過核磁共振進行了大量研究。例如，Kowalewski等研究了氯仿分子在cryptophane-E內部空腔中的動力學行為。他們先應用Lipar-Szabo模式對氯仿分子和cryptophane-E進行了T1 碳-13縱向弛豫時間進行了準確測試。通過計算，得出二者的相關時間接近，cryptophane-E為0.67 ns，氯仿為0.5 ns。說明二者間存在較強的動態耦合，在分子重組的時間程度上，二者的絡合物表現為一個統一的體系，CTV單元和被封裝的氯仿分子的氫原子之間存在各向異性的作用力[9]。

1.2 拉曼光譜法

拉曼光譜是繼核磁共法振方法后被發現的可用于研究相對較復雜的主-客體體系的另一種精確靈敏的方法。拉曼光譜與光學顯微鏡聯有效分析具有獨特三維空間的樣品，可用于研究微晶結構、表面形貌甚至是在透明矩陣中的原位分析[10-11]。

拉曼顯微測譜可提供高空間分辨率和高靈敏度，因此能分析到微米級樣品如cryptophane與客體分子復合物的單晶結構。2001年，Cavagnat等人首次通過拉曼光譜研究了中性小分子氯仿在主體分子空腔內與主體分子cryptophane-A和E的相互作用[12]。他們分析了多種復合物單晶，氘標記的氯仿在cryptophane-A的吸收域外出峰。可觀察氘較強的C-D拉伸，說明在這種斜方形晶體中存在較強的極化效應。而且，由于主體化合物產生的主要過渡是通過電腦方法指定的，因此測試得到的客體化合物的方向是相對主體化合物的。在CDCl3@cryptophane-A這種復合物中，C3分子軸與晶體ac面的主對角線幾乎平行，很好地解釋了實驗譜圖數據。被捕獲的CDCl3中的C-D鍵與CTV單元的C3軸存在較為明顯的作用，這個結果與通過核磁共振方法研究得到的液態和固態形式結果都是一致的。他們的研究還發現，相對于氣態的自由CDCl3，被捕獲的CDCl3分子其vCD或vCH拉伸波束有紅移，且這種紅移在CDCl3@cryptophane-E復合物中發生得比CDCl3@cryptophane-A更明顯，說明氯仿分子與cryptophane-E相互作用相較cryptophane-A更強，同樣，這也是與核磁共振數據結果相符合的。

拉曼光譜與顯微鏡聯用還能區分不同CHCl3@cryptophane-A溶劑化物。X射線衍射實驗清楚證明了那個有兩種不同的氯仿分子在晶體單元時，CHCl3@cryptophane-A除了斜方形晶體還存在另一種棒狀的晶體結構。一種氯仿分子被捕獲存在于主體分子空腔內，另一種氯仿分子存在于晶體間隙中，因此在拉曼光譜中有兩種不同信號。變溫實驗顯示存在于晶體間隙種的氯仿分子對溫度更為敏感而且具有更高的遷移率。

1.3 色譜法

某些cryptophane及其衍生物是手性分子，其鍵合作用還可通過手性光學技術如電子圓二色譜(ECD)和振動圓二色譜(VCD)證明。經研究發現cryptophane衍生物的光學性質大多與許多外部參數相關明顯，如溶劑(有機相或是水相)及客體分子進入其空腔的能力等。振動圓二色譜與量子化學計算聯用時，可預測分子的絕對構型，其結果可與實際實驗光譜的結果相當。

2008年，Brotin等人合成了一系列不同取代的cryptophane-A衍生物，并通過振動圓二色譜研究了這些氯仿和這些衍生物的絡合物并與CHCl3@cryptophane-A進行了對比[13]。發現，在氯仿與眾多基團修飾的cryptophane-A衍生物的絡合物中，CHCl3@cryptophane-A-H的光譜數據差異較大，而三氟甲磺酸基修飾的絡合物差異較小，說明振動圓二色譜與密度泛函理論計算(DFT)聯用可用于區分cryptophane分子衍生物的絕對構型。

1.4 中間相

中間相也可用于研究主客體復合物體系，CHCl3@cryptophane-A這種復合物就曾在兩個非手性向列型晶體中通過13C NMR進行研究。Marjanska報道的這一方法實現了液態晶體中的主體分子和客體分子的局部定向[14]。兩種分子的優選定向恢復了復合物在各向異性的中間相中失去的偶極耦合作用，有利于主客體分子絡合物的結構和動力學方面的研究。稍晚一些，Goodson等人在一種向列型的熱致液晶中在不同溫度下研究了CHCl3@cryptophane-A和CHCl3@bis-cryptophane絡合物[15]。發現在被封裝后的氯仿分子相對自由的氯仿分子存在較大的13C-H偶極耦合作用。不同溫度下對封裝氯仿的有序參數進行試驗測試結果發現當溫度從283 K上升至304 K時，CHCl3@cryptophane-A和CHCl3@bis-cryptophane絡合物的有序參數均有較大提升，客體分子的內流動性不受溶劑(各向異性和液晶)影響，說明主客體分子運動密切相關。

1.5 其他方法

計算機理論計算如密度泛函理論計算也是用來研究cryptophane分子與氯代甲烷這種主客體分子體系的主要方法之一，通常與其他試驗方法聯用，是證明實際光譜數據的有力手段，也可通過理論計算數據為設計新型cryptophane分子結構提供思路，先行于實際試驗。

熒光光譜法也能有效研究這種體系。本課題組曾通過熒光光譜法對合成的cryptophane-E和cryptophane-M對氯仿分子的絡合作用分別進行了研究[16]。試驗發現兩種cryptophane分子在367 nm紫光燈照射下，均能發出藍色熒光，當在溶有cryptophane-E和cryptophane-M的有機溶液中加入氯仿，則熒光強度會發生猝滅，推斷為氯仿分子進入其空腔后產生熒光猝滅，且在一定氯仿濃度范圍內，這種猝滅現象呈線性變化。

利用光纖傳感建立對cryptophane分子與氯代甲烷分子的主客體體系是近年發展迅速的一個領域。基本原理為將含有cryptophane分子的敏感膜涂覆于光纖表面或內部孔徑，繼而與甲烷或氯代甲烷等小分子接觸時內部空腔被占使得光纖部分光學性質如折射率等發生改變從而將化學信號轉變為直觀的光信號而建立的一種分析研究方法，由于這種方法具有操作簡單、制作成本低、靈敏度高等優點近年來倍受青睞[17]。

2 展望

鹵代甲烷的識別檢測一直受到生產及研究的廣泛關注，近年來基于不同研究方法構建的cryptophane@鹵代甲烷主客體分子為其檢測提供了一個新的思路，通常能實現高靈敏度、低檢測限以及較好的重現性的檢測。隨著科學的進一步發展，相信會有更多的新型cryptophane結構被設計合成，更多的先進設備和方法也將應用在這一領域中。