張錦錦， 鄒 雷， 王巧純

（華東理工大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，精細化工研究所，結(jié)構(gòu)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(shù)）是由甘脲和甲醛在酸性條件下縮合形成的大環(huán)分子，其中甘脲單元之間通過亞甲基橋聯(lián)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(zhì)子化的有機胺[6]、吡啶鎓[7]、紫精[8]等具有很強的包結(jié)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(jié)對紫精還原態(tài)自由基有良好的穩(wěn)定性作用[10]，因此紫精/葫蘆脲復(fù)合體系在刺激響應(yīng)型材料[11]、超分子自組裝[12]等領(lǐng)域的研究備受矚目。許多研究結(jié)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(jié)模式有很大的影響。比如，內(nèi)腔較小的CB[6]一般與烷基化取代的紫精結(jié)合力較強，且CB[6]停留在烷基上[13]。內(nèi)腔中等的CB[7]與紫精化合物的包結(jié)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(lián)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(cè)鏈基團上。腔體較大的CB[8]則傾向于包結(jié)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(nèi)腔同時包結(jié)紫精和電子給體，形成三元復(fù)合物，甚至是超分子聚合物[16]。

考慮到CB[8]內(nèi)腔大到足夠容納兩個芳環(huán)單元，因此猜測其與含芐基的紫精分子進行包結(jié)時，很有可能形成1 個CB[8]同時包裹2 個芐基的頭對頭結(jié)合型復(fù)合物。這種1∶2 的包結(jié)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(jié)作用相互交聯(lián)，這將為進一步構(gòu)建相關(guān)超分子聚合物，甚至是刺激響應(yīng)型材料打下良好的基礎(chǔ)。本文制備了不對稱的紫精化合物1-乙基-1’-芐基-4,4’-聯(lián)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(zhì)譜（HRMS）等手段，詳細考察EBV 與CB[8]的包結(jié)行為。

1 實驗部分

1.1 原料和試劑

聯(lián)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(jīng)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(nèi)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(zhì)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(chǔ)上進行改進，如圖1 所示。

稱取聯(lián)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(xù)回流反應(yīng)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(yīng)聯(lián)吡啶，干燥后得1.85 g 淺黃色固體1（產(chǎn)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(yīng)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(chǎn)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(jié)果與討論

2.1 EBV 與CB[8]包結(jié)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(zhì)的量之比）的包結(jié)物，但在對二者進行核磁滴定實驗時發(fā)現(xiàn)，隨著CB[8]加入量的增加，除了EBV 本身的質(zhì)子信號外，還出現(xiàn)了一組新的質(zhì)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(fā)現(xiàn)，CB[8]與EBV 單元的物質(zhì)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(lián)吡啶單元的Hd、He的化學(xué)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(huán)單元上的Hh、Hi、Hj進一步發(fā)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(xué)位移也向高場移動0.72，而乙基單元上的氫及聯(lián)吡啶單元上的Hc的化學(xué)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(yù)期的1∶2 頭對頭包結(jié)物2EBV-CB[8](圖1)，即1 個CB[8]內(nèi)腔同時包結(jié)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(yīng)向高場移動；處于端口外面的Hd、He由于去屏蔽效應(yīng)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(zhì)的量之比為1∶2 時，游離的EBV 質(zhì)子信號完全消失（圖2(d)），只剩下包結(jié)物的信號峰。再繼續(xù)加入CB[8]時，所得核磁圖譜并不發(fā)生變化，說明二者確實形成1∶2 的穩(wěn)定包結(jié)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(zhì)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(fā)現(xiàn)二者完全一致。這說明文獻報道的包結(jié)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(jié)物。

2.2 EBV 與CB[8]的包結(jié)行為的ITC 分析

為進一步研究EBV 與CB[8]的包結(jié)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(jié)果如圖3 所示，得到的具體數(shù)據(jù)如表1 所示。所得結(jié)果并不能按經(jīng)典的用于擬合1∶1 包結(jié)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(jié)過程中，兩個客體分子不是同時與主體分子包結(jié)[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(jié)，該過程的結(jié)合常數(shù)為K1=（1.65±1.22）×107M-1（1 M=1 mol/L，余同），對應(yīng)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(wěn)定包結(jié)物，整個過程的表觀包結(jié)常數(shù)（Ka）為（1.34±0.193）×1013M-2，對應(yīng)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(qū)動的。

2.3 EBV 與CB[8]的包結(jié)行為的質(zhì)譜分析

上述包結(jié)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(fā)現(xiàn)了1∶1 包 結(jié) 物 的[M-2Br]2+信 號 峰，m/z值 為802.28，相關(guān)同位素峰型與理論模擬結(jié)果一致。此外，質(zhì)譜圖中在m/z=1 019.28 處出現(xiàn)了1∶2 包結(jié)物的[M-2Br]2+信號峰，同樣其相關(guān)同位素峰型與理論模擬結(jié)果一致。這表明EBV 與CB[8]包結(jié)過程中確實經(jīng)歷了從1∶1 包結(jié)到1∶2 包結(jié)這兩種過程。

2.4 濃度對1∶1 及1∶2 兩種包結(jié)模式的影響

EBV 與CB[8]的包結(jié)比例受濃度影響。EBV與CB[8]的反應(yīng)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(zhì)的量之比）形成的超分子；HG2表示GB[8]與EBV 以1∶2（物質(zhì)的量之比）形成的超分子。

則反應(yīng)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(zhì)的量之比1∶2混合，所以：

聯(lián)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(jié)物的平衡濃度c(HG)=3.50×10-4mol/L，占包結(jié)物總摩爾分數(shù)的3.38%，而1∶2 包結(jié)物的平衡濃度c(HG2)為1.00×10-2mol/L，其摩爾分數(shù)高達96.6%。所以在核磁圖譜中只觀察到1∶2 的包結(jié)物。

然而，在質(zhì)譜圖譜中同時觀察到1∶1 和1∶2 兩種包結(jié)物的信號峰（圖4），原因如下：取c(HG)為1.00×10-5mol/L，根據(jù)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(jié)物的平衡濃度c(HG)為1.00×10-5mol/L，占包結(jié)物總摩爾分數(shù)的54.8%，而1∶2 包結(jié)物的平衡濃度c(HG2)為8.24×10-6mol/L，摩爾分數(shù)為45.2%，所以在ESIHRMS 圖譜中同時觀察到1∶1 和1∶2 兩種包結(jié)物的信號峰。

由此可見，EBV 與CB[8]的包結(jié)比例受其濃度影響，隨著EBV 和CB[8]濃度的降低，1∶2 包結(jié)物的摩爾分數(shù)會逐漸降低，而1∶1 包結(jié)物的摩爾分數(shù)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(jié)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(jié) 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(jié)合，先經(jīng)過1∶1 包結(jié)，最終實現(xiàn)1∶2 包結(jié)。第一過程包結(jié)常數(shù)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(jié)常數(shù)為(1.34±0.193)×1013M-2，對應(yīng)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(qū)動的自組裝過程。該研究結(jié)果為將來利用多芐基紫精衍生物與CB[8]進行自組裝構(gòu)建功能性超分子聚合物體系打下了良好基礎(chǔ)。

圖4 EBV 與CB[8]包結(jié)物的ESI-HRMS（(a)、(b)分別為1∶1、1∶2 包結(jié)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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