王廷廷，解豐源，王 晶，翁美琪，孫馨怡，查亞東，樊 志

(天津科技大學(xué)化工與材料學(xué)院，天津 300457)

以結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的化合物分子作為結(jié)構(gòu)單元，通過分子間弱相互作用(通常包括氫鍵、π-π疊加、配位相互作用、靜電相互作用、疏水相互作用等)構(gòu)筑超分子體[1-2]，可以設(shè)計(jì)并研究與特定功能相匹配的、具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的目標(biāo)產(chǎn)物[3-4]．在目前研究的眾多主體化合物中，因在藥物傳輸、不對(duì)稱合成、手性分離、催化、酶的模擬等方面具有特殊優(yōu)勢(shì)，以環(huán)糊精為母體的主客體化學(xué)研究受到科研人員的廣泛關(guān)注[5-6]．然而，β-環(huán)糊精因其上下邊緣的氫鍵網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致的剛性結(jié)構(gòu)限制了其應(yīng)用，因此利用不同的合成手段，選擇不同的功能基團(tuán)取代環(huán)糊精分子中的羥基，進(jìn)而合成具有特定結(jié)構(gòu)的新型化合物也就成為環(huán)糊精化學(xué)中的重點(diǎn)問題[7-12]．

本文以 N，N-二甲基甲酰胺為溶劑，利用對(duì)氯苯酚和單-[6-氧-6-(4-對(duì)甲苯磺酰基)]-β-環(huán)糊精的反應(yīng)得到單-[6-氧-6-(4-氯苯)]-β-環(huán)糊精，并利用 X射線衍射分析、核磁共振波譜方法研究其在水溶液及固態(tài)中的分子自組裝行為．

1 材料與方法

1.1 試劑

β-環(huán)糊精購(gòu)自山東智源生物科技有限公司；使用前重結(jié)晶 2次，在 100℃下干燥 18h．N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，純度 99.5%，購(gòu)自天津市北方天醫(yī)化學(xué)試劑廠；加入過量氫化鈣攪拌 1d，在 40℃以下減壓蒸出．對(duì)甲苯磺酰氯，純度 99%，購(gòu)自百靈威科技有限公司；在乙醚中重結(jié)晶，經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù) 5%的氫氧化鈉水溶液洗滌2次，蒸餾水洗滌4次，無水硫酸鎂干燥后得到對(duì)甲苯磺酰氯白色結(jié)晶．

1.2 單-[6-氧-6-(4-氯苯)]-β-環(huán)糊精的制備

1.2.1 單-[6-氧-6-(4-甲基苯磺酰基)]-β-環(huán)糊精(6-OTs-β-CD)的合成

根據(jù)文獻(xiàn)[9]進(jìn)行 6-OTs-β-CD 的合成(圖 1)．在1500mL蒸餾水中加入200g β-環(huán)糊精，在攪拌情況下，于 6min內(nèi)勻速滴加 8.3mol/L氫氧化鈉水溶液60mL，至水溶液變澄清后加入對(duì)甲苯磺酰氯(30.3g)的乙腈溶液，10min內(nèi)滴加完畢，反應(yīng)液中立即有白色沉淀析出．室溫下攪拌 2.5h，反應(yīng)完畢．過濾，利用鹽酸(2mol/L)調(diào)節(jié)濾液至微堿性，溫度保持在5℃下，白色沉淀逐漸析出．在水中重結(jié)晶 2次后，70℃下干燥6h，所得產(chǎn)物質(zhì)量18.6g，收率9.2%．

圖1 合成示意圖Fig. 1 Schema of synthesis

1.2.2 單-[6-氧-6-(4-氯苯)]-β-環(huán)糊精的合成

將對(duì)氯苯酚(0.52g，4mmol)溶于 DMF(10mL)中，加入干燥的 K2CO3(0.71g，5mmol)固體粉末，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，25℃下攪拌 2h后，滴加單-[6-氧-6-(4-甲基苯磺酰基)]-β-環(huán)糊精(1.9g，1.5mmol)的DMF溶液，在 75～80℃反應(yīng) 24h．反應(yīng)完畢，減壓蒸餾反應(yīng)液得到黃色固體粉末，將所得黃色固體粉末溶于熱水中，利用丙酮析出白色固體產(chǎn)物，用 V(乙醇)∶V(水)＝2∶1的乙醇水溶液重結(jié)晶 2次，再使用Sephadex-25凝膠色譜柱分離純化，最后在水中進(jìn)行2次重結(jié)晶，得到白色化合物1，產(chǎn)率32%．

1.3 樣品表征與分析

化合物1晶體結(jié)構(gòu)用Siemens SMART CCD 面探儀進(jìn)行分析，Mo靶 Kα射線(λ＝0.071073nm)，石墨單色器ω掃描方式進(jìn)行測(cè)定．選取尺寸為 0.30nm×0.20nm×0.15nm的單晶體，在 113(2)K溫度下，用ω/2θ方式掃描，在-15＜h＜13、-21＜k＜13、-31＜l＜31范圍內(nèi)共收集 24337個(gè)衍射點(diǎn)用于結(jié)構(gòu)測(cè)定和修正．晶體結(jié)構(gòu)的解析和結(jié)構(gòu)修正分別用SHELX97(Sheldrick，1990)和 SHELX97(Sheldrick，1997)程序完成．

用Varian Mercury VX300型核磁共振儀進(jìn)行樣品的二維核磁共振氫譜分析；使用EA1108型元素分析儀測(cè)定樣品的元素含量．

2 結(jié)果與討論

2.1 化合物的表征結(jié)果

兩個(gè)化合物的核磁共振氫譜以及元素分析結(jié)果如下．

單-[6-氧-6-(4-甲基苯磺酰基)]-β-環(huán)糊精．1H NMR(DMSO-d6，TMS)δ 2.50(s，3H，CH3)，3.1～3.9(m，40H，C2H-C6H)，4.26～4.40(m，2H，C6’H)，4.74(d，1H，C1’H)，4.80(m，6H，C1H)，7.40(d，2H，ArH)，7.74(d，2H，ArH)；元素分析理論值(C49H76O37S?4H2O)：C 43.24% 、H 6.22% ；元素分析實(shí)測(cè)值：C 43.44%、H 6.25%.

單-[6-氧-6-(4-氯苯)]-β-環(huán)糊精(化合物 1).1H NMR(D2O)：δ 3.4～4.4(m，42H)；4.9～5.0(m，7H)；6.9～7.0(d，2H)；7.2～7.3(d，2H).元素分析理論值(C48H71ClO35?6H2O)：C 42.59%、H 6.33%；元素分析實(shí)測(cè)值：C 42.77%、H 6.48%.

2.2 化合物1的自組裝行為

化合物 1晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如下．分子式為C48H71ClO35；相對(duì)分子質(zhì)量 1243.5；晶系：正交；空間群：P2(1)2(1)2(1)；晶胞參數(shù)：a＝1.3648(7)nm，b＝1.9360(10)nm，c＝2.8810(15)nm，α＝90°，β＝90°，γ＝90°，V＝7.612(7)nm3；Z＝4；最終的 R[I＞2σ(I)]因子：R1＝0.2226，wR2＝0.4316．

化合物1的分子結(jié)構(gòu)如圖2所示，盡管環(huán)糊精母體上的一個(gè) 6-位羥基被氯苯基團(tuán)取代，6-位羥基之間的氫鍵部分遭到破壞，然而由于相鄰葡萄糖單元中2，3-位(大口端)羥基間的氫鍵依然保持，每個(gè)葡萄糖單元的4C1椅式構(gòu)象依然保持，分子中的7個(gè)糖苷氧原子在0.0052nm范圍內(nèi)共平面，環(huán)糊精依然保持原有的圓形結(jié)構(gòu)，并擁有一個(gè)近似的七重軸．每個(gè)環(huán)糊精單元的夾角即 C4(n)-O4(n)-C1(n＋1)的角度比較接近(見表 1)．苯環(huán)通過氧原子與葡萄糖單元(G7)的六位碳相連，苯環(huán)平面與 7個(gè)糖苷氧原子所在的平面成 50.7° 的夾角．受氧原子所成鍵角的限制，氯苯取代基沿著環(huán)糊精的側(cè)面伸展，指向環(huán)糊精空腔的外側(cè)，這種構(gòu)型有利于苯環(huán)從第二面羥基連續(xù)插入到另外環(huán)糊精的空腔中，形成頭對(duì)尾式的一維螺旋柱狀超分子．

圖2 化合物1的分子結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Molecular structure of compound 1

表1 化合物1中β-環(huán)糊精的幾何構(gòu)型Tab. 1 Geometrical structure of β-CD in compound 1

分子中引入氯苯基團(tuán)，疏水作用的存在使得其在水溶液中容易進(jìn)入環(huán)糊精的疏水空腔，如圖3所示．

圖3 化合物1的自組裝結(jié)構(gòu)Fig. 3 The self-assembly structure of compound 1

氯苯基團(tuán)從第二面羥基(即大口端)連續(xù)插入到相鄰環(huán)糊精的空腔中，在空間上沿著二重螺旋軸(a軸)進(jìn)行排列，形成螺旋柱狀超分子．在本文構(gòu)筑的分子組裝體中，氯苯基團(tuán)既作為主體又作為客體將環(huán)糊精單元連接起來．相鄰環(huán)糊精之間O4平面所成的夾角為 39.5°，芳香環(huán)與穿入環(huán)糊精糖苷氧原子的平面間夾角為 57.2°，其環(huán)中心與糖苷氧原子平面間的距離為 0.0211nm，可以看出，芳香環(huán)深深插入相鄰環(huán)糊精空腔中，以滿足氯苯基團(tuán)的疏水要求．另一方面，環(huán)糊精單元之間通過羥基間的氫鍵(表 2)，以及由水分子介入而形成的分子間氫鍵一起維持超分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定．而相鄰的螺旋柱狀結(jié)構(gòu)均以反方向排列，體現(xiàn)了超分子組裝體形成的另一個(gè)特征，即結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)特性．

表2 化合物1中β-環(huán)糊精羥基之間的氫鍵Tab. 2 Hydrogen-bonding interaction between adjacent β-CD hydroxyls in compound 1

續(xù)表

環(huán)糊精上下邊緣擁有眾多的既可以作為氫鍵給體也可以作為受體的羥基，因此可以形成豐富的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，從而可以把一維螺旋柱狀超分子連接起來，使化合物的自組裝結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到更復(fù)雜的程度，如圖 4所示．

圖4 化合物1形成的三維超結(jié)構(gòu)Fig. 4 Three-dimension structure of compound 1

另外，環(huán)糊精的親水性使得大量的水分子填充到組裝體中的空隙，使得組裝體中的氫鍵因水分子的加入而得到強(qiáng)化．從晶體結(jié)構(gòu)中可以看到，通過環(huán)糊精眾多羥基間的氫鍵相互作用穩(wěn)定了其有序高級(jí)結(jié)構(gòu)，同時(shí)晶格空隙中存在大量的水分子，形成了密集的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步穩(wěn)定鏈狀結(jié)構(gòu)．但組裝體的排列受限于一維自組裝的結(jié)構(gòu)互補(bǔ)，化合物1相鄰的螺旋柱狀結(jié)構(gòu)均以反方向排列．然而環(huán)糊精的晶體在空氣中容易失去部分水分子，破壞了原有的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致晶體塌陷，這也許正是環(huán)糊精衍生物及其包合物的單晶不能在空氣中穩(wěn)定存在的根本原因，這一缺陷也導(dǎo)致了環(huán)糊精衍生物在固體狀態(tài)下吸附能力的減弱．

2.3 化合物1在溶液中的分子自組裝行為

在核磁技術(shù)中，通過二維核磁給出的分子內(nèi)的NOE相關(guān)歸屬質(zhì)子，進(jìn)而通過各個(gè)質(zhì)子相關(guān)的強(qiáng)弱來確定氯苯取代基與環(huán)糊精母體的相對(duì)位置(形成分子內(nèi)或分子間化合物)．根據(jù)這一信息，不但可以分析分子間空間上的相互作用，同時(shí)還可以提供主-客體絡(luò)合物的作用方式．因此，二維核磁常用于分析環(huán)糊精化合物在水溶液中的結(jié)構(gòu)[13]．

為了分析化合物1的自組裝機(jī)理，采用核磁波譜探究其在水溶液中的構(gòu)象．根據(jù)一維核磁結(jié)果可知，隨著化合物1濃度的增加，苯環(huán)質(zhì)子的化學(xué)位移向高場(chǎng)移動(dòng)，說明化合物 1在水溶液中逐漸聚集，形成二聚體、三聚體或多聚體[13]．而聚集體的結(jié)構(gòu)可通過二維核磁得到，如圖5所示．

圖5 化合物1的二維核磁譜圖Fig. 5 1H ROESY spectrum(300 MHz)of compound 1

1HROESY 光譜清楚地顯示了環(huán)糊精內(nèi)腔的H3、H5質(zhì)子與苯環(huán)質(zhì)子的 NOE 相關(guān)(峰 A、B、C、D)，表明在水溶液中分子進(jìn)行了聚集，氯苯基團(tuán)進(jìn)入了環(huán)糊精的空腔．圖中：苯環(huán)上的質(zhì)子(Hm)與環(huán)糊精空腔質(zhì)子(H5)的相關(guān)(峰 C)，弱于質(zhì)子(Hm)與環(huán)糊精空腔質(zhì)子(H3)的相關(guān)(峰 D)，說明 Hm更接近于H3；苯環(huán)上的質(zhì)子(Ho)與環(huán)糊精空腔質(zhì)子(H5)的相關(guān)(峰 A)，強(qiáng)于質(zhì)子(Ho)與環(huán)糊精空腔質(zhì)子(H3)的相關(guān)(峰 B)，說明 Ho更接近于 H5．這說明氯苯基團(tuán)是從環(huán)糊精第二面羥基(大口端)進(jìn)入了另外一個(gè)環(huán)糊精的空腔．由此可見，化合物 1在水溶液中的聚集結(jié)構(gòu)和固態(tài)的分子組裝行為相似．

3 結(jié) 論

利用 X射線衍射分析及核磁光譜方法研究單-[6-氧-6-(4-氯苯)]-β-環(huán)糊精在水溶液和固態(tài)中的分子自組裝行為．結(jié)果表明，單-[6-氧-6-(4-氯苯)]-β-環(huán)糊精通過氯苯基團(tuán)從環(huán)糊精的第二面羥基連續(xù)插入到相鄰環(huán)糊精的空腔中，形成螺旋柱狀超分子，這些數(shù)據(jù)的積累有助于理解分子從溶液聚集到固態(tài)組裝的形成過程，進(jìn)而為設(shè)計(jì)分子組裝提供思路．