宋桂先，唐 青，黃 英*，張建新，陶 朱，薛賽鳳，祝黔江

(1.貴州大學(xué) 大環(huán)化學(xué)及超分子化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025;2.貴州大學(xué) 生化工程中心，貴州 貴陽(yáng) 550025;3.貴州省天然產(chǎn)物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550009)

分子識(shí)別就是主體(或受體)對(duì)客體(或底物)選擇性結(jié)合并產(chǎn)生某種特定功能的過(guò)程，是組裝及組裝功能的基礎(chǔ)，是酶和受體選擇性的根基［1］。近年來(lái)，超分子化學(xué)及其應(yīng)用研究越來(lái)越受到科學(xué)家的重視，尤其是受體分子的設(shè)計(jì)合成引起了世界化學(xué)家的普遍關(guān)注［2］，且發(fā)現(xiàn)客體分子與瓜環(huán)形成超分子自組裝體系后，其理化性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)及生物活性等發(fā)生了不同程度的改變［3－6］。瓜環(huán)［7－9］(Cucurbit［n］urils，Q［n］)，具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)剛性，能根據(jù)自身空腔的大小，選擇性地容納尺寸、形狀相匹配的客體分子，形成了特有的瓜環(huán)主客體化學(xué)［10－14］。對(duì)于八元瓜環(huán)(Q［8］)或十元瓜環(huán)(Q［10］)來(lái)說(shuō)，常可通過(guò)引入富電子客體與缺電子客體通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)或協(xié)同作用形成主客體包結(jié)配合物。1，1'-亞乙基-2，2'-聯(lián)吡啶(1，1'-Ethylene-2，2'-bipyridinium，EB)為季銨鹽類(lèi)化合物，能與瓜環(huán)形成穩(wěn)定的配合物［15－16］。因此，本文擬選用金剛烷胺(1-Adamantanamine，AD)為競(jìng)爭(zhēng)客體，研究Q［8］與AD 及EB 之間的分子識(shí)別作用(圖1)，探討三元主客體作用體系的作用機(jī)制、作用模式等，為瓜環(huán)的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

圖1 Q［8］與EB 和AD 的可能作用模式圖

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

VARIAN INOVA-400M 核磁共振儀(VARIAN，America)，Agilent 8453 型紫外－可見(jiàn)分光光度計(jì)(Agilent，America)，Cary Eclipse 熒光光譜儀(Agilent，America)，Nano ITC 等溫滴定量熱儀(TA，America)。八元瓜環(huán)由實(shí)驗(yàn)室按文獻(xiàn)［17－18］制備，1，1'-亞乙基-2，2'-聯(lián)吡啶、金剛烷胺購(gòu)自阿拉丁，水為二次蒸餾水。

1.2 紫外吸收光譜及熒光發(fā)射光譜測(cè)定

EB、AD 分別配成1.00× 10－3mol/L 母液，Q［8］配成1.00×10－4mol/L 母液備用。固定客體EB 的濃度為2×10－5mol/L，采用摩爾比法改變瓜環(huán)的濃度(0～6)×10－5mol/L 分別配制一系列不同物質(zhì)的量之比的溶液;測(cè)定Q［8］與EB 在水溶液中的紫外可見(jiàn)吸收光譜，并以激發(fā)波長(zhǎng)為309 nm，激發(fā)狹縫5 nm，發(fā)射狹縫5 nm 測(cè)定體系的熒光發(fā)射光譜。此后，固定Q［8］/EB 體系濃度為2.00×10－5mol/L，加入AD，分別以上述相同條件測(cè)定三者紫外吸收光譜與熒光發(fā)射光譜。

1.3 等溫量熱測(cè)定

EB、AD 分別配成1.00× 10－3mol/L 母液，Q［8］配成1.00×10－4mol/L 母液備用。取Q［8］母液稀釋至濃度為5×10－5mol/L，在水溶液中用EB 及AD 滴定Q［8］，采用Nano ITC 等溫滴定量熱儀測(cè)定主客體Q［8］/EB、Q［8］/AD 在25℃時(shí)的熱力學(xué)平衡常數(shù)及其他熱力學(xué)參數(shù)，樣品池體積為960 μL，攪拌速度為250 r/min，4 μL/滴，間隔時(shí)間150 s。以水為參比，此后，另固定Q［8］/EB 體系濃度為5.00× 10－5mol/L，用AD 母液滴定滴Q［8］/EB，相同條件測(cè)定三者作用熱力學(xué)平衡常數(shù)及其他熱力學(xué)參數(shù)。

1.4 1H NMR 測(cè)定

1H NMR 譜在25 ℃下用VARIAN INOVA-400 MHZ 核磁共振儀測(cè)定，溶劑為氘代水。

2 結(jié)果與討論

2.1 Q［8］/EB 及Q［8］/AD 體系的主客體相互作用研究

EB為季銨鹽類(lèi)化合物，在水溶液中以離子形式存在。水溶液中EB 在λ=309 nm 處有最大吸收峰，而Q［8］在此波長(zhǎng)處無(wú)吸收，當(dāng)在EB 中加入Q［8］(濃度為:(a)0;(b)4.0;(c)8.0;(d)12.0;(e)16.0;(f)20.0;(g)24.0;(h)28.0;(i)32.0;(j)36.0;(k)40.0;單位:μM)后，體系的紫外可見(jiàn)吸收強(qiáng)度隨著Q［8］濃度的增加而降低，在321 nm有等吸收點(diǎn)，且在CQ［8］/CEB≈1 時(shí)也出現(xiàn)平臺(tái)(圖2(A))，表明Q［8］與EB 形成了1∶1的主客體配合物，用軟件ReactLab EQUILIBRIA 計(jì)算平衡常數(shù)K=(7.66 ±0.55)×105L/mol。類(lèi)似地，EB 的最大熒光發(fā)射波長(zhǎng)為351 nm，而Q［8］在此波長(zhǎng)處無(wú)熒光，當(dāng)在EB 中加入Q［8］后，體系的熒光強(qiáng)度隨著Q［8］濃度的增加而降低，且在CQ［8］/CEB≈1 時(shí)也出現(xiàn)平臺(tái)(圖2(B))，通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的擬合得到Q［8］/EB 主客體配合物的平衡常數(shù)K=(4.38 ±0.22)×105L/mol［19］。

圖2 Q［8］/EB 的紫外吸收光譜圖(A)與熒光光譜圖(B)

等溫量熱滴定法(ITC)提供了Q［8］/EB 及Q［8］/AD 體系的熱力學(xué)常數(shù)(圖3)。Q［8］與EB作用如圖3(A)的熱力學(xué)平衡常數(shù)為Ka=(5.20 ±0.74)×105L/mol，反應(yīng)計(jì)量比n 約為1;Q［8］與AD 作用如圖3(B)的熱力學(xué)平衡常數(shù)為Ka=(1.74 ±0.82)×107L/mol，反應(yīng)計(jì)量比n 約為1。該數(shù)據(jù)顯示Q［8］與EB 及Q［8］與AD 均形成了包結(jié)計(jì)量比為1∶1主客體配合物。由圖中的熱力學(xué)數(shù)據(jù)也可知，對(duì)于Q［8］/EB 及Q［8］/AD 體系，其ΔH ＜0，表明上述超分子體系是放熱體系。

圖3 25 ℃時(shí)Q［8］與EB 在水溶液中等溫量熱滴定圖(A)以及Q［8］與AD 在水溶液中等溫量熱滴定圖(B)

2.2 AD 與Q［8］/EB 的相互作用研究

由于AD 獨(dú)特的結(jié)構(gòu)(圖1)表明其無(wú)光譜特征。當(dāng)在Q［8］/EB 體系中逐漸滴加AD(濃度為:(a)0;(b)4.0;(c)8.0;(d)12.0;(e)16.0;(f)20.0;(g)24.0;(h)28.0;(i)32.0;(j)36.0;(k)40.0;單位:μM)時(shí)，體系的紫外吸收強(qiáng)度和熒光發(fā)射強(qiáng)度均隨著AD 濃度的增加而逐漸增強(qiáng)(如圖4)，且在CAD/CQ［8］/EB≈1 時(shí)也出現(xiàn)平臺(tái)，通過(guò)計(jì)算得平衡常數(shù)分別為KUV=(1.46 ± 0.37)× 107L/mol，KIF=(2.93 ±0.51)×107L/mol。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明AD 能競(jìng)爭(zhēng)與Q［8］作用形成穩(wěn)定包合物，使EB 被擠出Q［8］內(nèi)腔。

圖4 AD 與Q［8］/EB 的紫外吸收光譜圖(A)及熒光光譜圖(B)

AD 滴定Q［8］/EB 的ITC 滴定數(shù)據(jù)如圖5(A)及表1 所示，結(jié)果顯示反應(yīng)計(jì)量比n 約為1，因此可推斷，AD 與Q［8］/EB 作用比為1∶1，由表1的熱力學(xué)數(shù)據(jù)可看出，對(duì)于Q［8］/EB，Q［8］/AD及Q［8］/EB/AD 體系來(lái)說(shuō)，其ΔH ＜0，表明上述超分子體系均是放熱體系。從表1 數(shù)據(jù)還可知，KQ［8］/AD＞KQ［8］/EB，據(jù)此可推測(cè)當(dāng)在Q［8］/EB 體系中逐漸滴加AD 時(shí)，AD 與EB 競(jìng)爭(zhēng)著與Q［8］作用，隨著AD 濃度的增加，EB 逐漸被擠出瓜環(huán)的內(nèi)腔，而AD 與Q［8］形成Q［8］/AD 穩(wěn)定的二元包合物。

圖5 25 ℃的水溶液中AD 與Q［8］/EB 的等溫量熱滴定圖(A)以及AD 與Q［8］及EB 的氫核磁共振圖譜(B)

表1 Q［8］與EB 及AD 相互作用的熱力學(xué)參數(shù)

Q［8］/EB/AD 相互作用共存體系在水溶液中的1H NMR 譜圖進(jìn)一步驗(yàn)證了AD 競(jìng)爭(zhēng)與Q［8］作用形成穩(wěn)定配合物(如圖5(B))。核磁圖譜顯示，相對(duì)于游離EB 及AD 來(lái)說(shuō)，加入Q［8］后，EB 中Ha－j質(zhì)子共振峰均向高場(chǎng)移動(dòng)，說(shuō)明EB 進(jìn)入了Q［8］的空腔而受到了屏蔽作用;AD 結(jié)構(gòu)中H1－9質(zhì)子共振峰也均向高場(chǎng)移動(dòng)，且峰變寬，說(shuō)明AD也進(jìn)入Q［8］的空腔受到了屏蔽作用。當(dāng)在Q［8］/EB體系加入AD 時(shí)，EB 的H 質(zhì)子共振峰會(huì)隨著AD 的增加而逐漸移向低場(chǎng)，當(dāng)AD∶Q［8］∶EB達(dá)到1∶1∶1時(shí)，EB 的H 質(zhì)子共振峰會(huì)移到游離客體H 質(zhì)子共振峰位置，說(shuō)明AD 將EB 擠出了Q［8］的空腔而與Q［8］形成了穩(wěn)定的Q［8］/AD 主客體配合物。其原因可能是由于AD為富電子客體，其與Q［8］具有較強(qiáng)的結(jié)合力，當(dāng)將AD 加入Q［8］/EB體系后，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)作用將EB 擠出Q［8］空腔，其可能作用模式如圖1 所示。

3 結(jié)論

本文利用紫外吸收光譜、熒光光譜、核磁技術(shù)、等溫量熱滴定儀等分析測(cè)試手段考察了Q［8］與EB 及AD 間的相互作用，結(jié)果表明Q［8］與EB 及AD 均形成了包結(jié)計(jì)量比為1∶1的主客體配合物。當(dāng)在Q［8］/EB 體系加入AD 時(shí)，由于AD 與Q［8］結(jié)合力較強(qiáng)，能競(jìng)爭(zhēng)Q［8］內(nèi)腔，使EB 被擠出Q［8］內(nèi)腔，導(dǎo)致客體光譜性質(zhì)和熱力學(xué)性質(zhì)均發(fā)生了改變。

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