共轭与诱导效应在穴蕃中的运用

共轭与诱导效应在穴蕃中的运用 Π电子共轭效应在穴蕃中的运用 (XXX) 摘要: 穴蕃是一种笼状化合物，可以与一些客体小分子结合形成稳定的 主客体化合物，本文通过几篇相关的文献，对两者结合过程中可能存 在的π电子共轭效应进行了简单的讨论。 关键词:穴蕃、共轭效应、 σ-π超共轭。 ABSTRACT: Cryptophane is a cage-like compounds that can stabilize the host-guest compounds with small molecules combine to form some guest article by several relevant literature, for there may be a combination of both in the process of π-conjugated effect of a brief discussion . Keywords: cryptophane, conjugate effect, σ-π-conjugated super. 1.穴蕃 Xe原子分子作为分子探针用于超极化MRI很早就引起研究者的 兴趣，作为分子探针具有很强的优势，但Xe本身不具有特异性。为 此，2001年Spence M[1]所在研究组提出了一种新的设计思路，发展 了基于Xe的生物分子探针，称之为“二级”探针系统[2]，其中，Xe 原子为一级探针，功能化的“笼”状超分子穴番为二级探针。功能化 ——————————————————————————————————————————————— 的穴番(Cryptophane)由穴番A、一段链状分子残基(tether)和赋予探针特异性结合能力的配体(1igand)组成(如图1所示)。当129Xe进入到分子“笼”一穴番后，其化学位移相对于自由状态会有大幅度改变，因此可以通过129Xe化学位移的变化 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 到功能化穴番的存在，即功能化穴番赋予了“Xe对目标分子的特异性探测的能力”，例如，对癌细胞的特异性检测。更为有利的是，由于129Xe对环境的高度敏感性，通过其化学位移变化，可以判断功能化探针是否已经和目标分子结合。 图1 基于Xe的生物分子探针的结构示意图:“笼”状分子——穴番、配体及联接两者的链状残基。 2.π电子共轭效应 Π电子共轭效应 (π-conjugated effect) ，是指在共轭体系中由于原子间的相互影响而使体系内的π电子分布发生变化的一种电子效应，存在π-π共轭，p-π共轭，σ-π超共轭效应等三种形式。σ-π超共轭效应由一个烷基的 C—H 键的键合电子与相邻的键电子互相重叠而产生的一种共轭现象，存在于烷基连接在不饱和键上的化合物中，σ-π超共轭效应大小由烷基中 -H 原子的数目多少而定。σ-π超共轭效应超比一般电子共轭效应弱得多。 3.p-π和π-π共轭效应在穴蕃中的应用 三种π电子共轭效应中p-π共轭作用在穴蕃中应用较少，一般是在对穴蕃的的侧链改进时，可能会使用到，在穴蕃分子笼中应用的实例比较少见。π-π共轭效应常常用来增加电子云的传递效率。例如——————————————————————————————————————————————— 在测定Xe谱时，若侧链太长，则对笼内Xe的信号影响较小。因此可在侧链上长多连接共轭基团，利用π-π共轭效应以增强电子云的传递效率，最终较大影响 Xe的化学位移，以达到检测的目的。 英国利物浦大学的研究者就合成了一种螯合金属Pd的穴蕃。起初他们合成的复合物 [Pd3(en)3(L)2]?6(BF4)，得到了晶体。但该复合物程亚稳态，在DMSO溶液中存放两周之后，它会发生重排，转变为一种球状的原子[Pd6(L1)8]?12(BF4) 为了稳定构型，James J. Henkelis等人[3]采用了一种强的σ供体配体双-N-杂环卡宾配体与Pd结合，得到了较好的效果。通过实验发现，新的复合物有较高的稳定性，在DMSO中存放两周以及在80 ?以下，NMR图谱没有没有变化(如图2所示)。由于双-N-卡宾有较强的给电子共轭能力，使C-Pd键非常牢固，使得该复合物不易重排。同时吡啶基与萘环发生π,π共轭，一定程度上提高了结构的稳定性。 图2 [Pd(NCMe)2(bis-NHC-nap)]2+的结构 4.σ-π超共轭在穴蕃中的应用 由于穴蕃属于主客体化合物，穴蕃主体与客体之间常常存在一些次级作用力，像氢键，配位键，路易斯酸碱作用力，σ-π超共轭等。由于穴蕃分子中有六个苯环，由两个Cavitands连接在一起，所以穴蕃类化合物本身就具有很强的π电子效应。若客体分子中有较多的甲基，可与穴蕃形成较强的σ-π超共轭次级作用，达到稳定客体分子的作用。下面通过几个实例来探讨一下，σ-π超共轭效应在穴蕃中——————————————————————————————————————————————— 的运用。 碱金属也可占据穴蕃，在CsCl水溶液中，Cs+可与Xe发生竞争[4]。在此基础之上，Chantal Garcia[5]等人研究了有机铵离子与穴蕃的相互作用。在穴蕃较低的浓度之下，采用分子动力学(MD)模拟主体穴蕃与客体四甲基铵离子和三甲基铵离子的结合与交换过程。研究发现穴蕃与四甲基铵离子有很高的结合常数，达到了2.83×106，Me4N+的结合常数比Me3NH+的结合常数高两个数量级。作者认为主要是前者比后者的刚性强，比较难于释放(交换)。穴蕃上下两部分呈现为Cavitands，通过与N+-H...π和N+ C-H...π在二苄氧离子和铵之间的相互作用，二者分子都产生了一个较大的σ-π超共轭，使得Me4N+与Me3NH+与穴蕃的的结合非常牢固。 图3 (a) Me3NH+@穴蕃的分子模型 (b)Me4N+@穴蕃的分子模型 Aline Schmitt[6] 等人利则用穴蕃的特性合成了一种水溶性的半穴蕃(图3所示)，用来检测胆碱。通过实验发现，该半穴蕃可以较好的与胆碱结合，298 K时亲和常数达到了6.4× 103。胆碱主要是通过p-π共轭与半穴蕃分子三角锥顶点相互作用，以及胆碱的铵单元与半穴蕃的苯氧基的σ-π超共轭来稳定半穴蕃内部的胆碱分子的。 图4 水溶性半穴蕃的结构以及与胆碱结构 复旦大学Kang-Da Zhang[7]等人针对穴蕃的特性和不足，设计合成了一种类似穴蕃的胶囊分子(如图5所示)，该分子对长链烷烃有较好的亲和性。胶囊分子由两个连接了苯并咪唑的四元环蕃通过氢键——————————————————————————————————————————————— 自组装而成。其中环蕃的苄基位连接了吡啶盐等亲水性基团。作者通 过实验发现，该胶囊分子可以与C11-C14结合形成主客体化合物。烷 基链可与胶囊分子三角锥顶端的苯环之间发生了σ-π超共轭效应。 其中亲和性C11>C12>C13>C14，主要是由于烷基链增长后会 发生折叠，减弱了σ-π超共轭效应，同时阻碍了烷烃进入胶囊内腔。 图5 胶囊分子的以及四元环蕃的结构(绿色为氢键) 总之，在穴蕃等主客体化合物中，π电子共轭作用是主客体化合 物得以稳定存在所不可缺少的，其中σ-π超共轭作用力作为一种次 级作用力成功的构建起了许多超分子复合物，达到丰富了主客体化合 物的存在形式。 参考文献: [1] Spence M M，Rubin S M，Dimitrov I (Proc Natl Acad Sci USA， 2001，98(19):10654-10657( [2]Sun Xian ping(孙献平)，Han Ye qing(韩叶清)，Luo Qing(罗 晴)(Physics(物理)，2011，40(6):381-390( [3]Inokuchi, F.; Miyahara, Y.; Inazu, T.; Shinkai, S. Angew. Chem.,Int. Ed. Engl. 2001, 34, 1364. [4]James J. Henkelis, Christopher J. Carruthers, Scott E. Chambers, Rob Clowes, Andrew I. Cooper,Julie Fisher, and Michaele J. Hardie.J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 14393?14396. [5]Chantal Garcia, Delphine Humilière, Nathalie Riva, André Collet and Jean-Pierre Dutasta.Org.Biomol.Chem.,2003,1,2207-2216. ——————————————————————————————————————————————— [6]Aline Schmitt,Vincent Robert,Jean-Pierre Dutasta,and Alexandre Martinez.Org. Lett. 2014, 16, 2374?2377. [7] Kang-Da Zhang, Dariush Ajami, and Julius Rebek,J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 18064?18066. ———————————————————————————————————————————————