多胺修饰β－环糊精:钕配合物对萘二胺的分子识别研究

姜慧明，杨 红

(大连民族学院a.生命科学学院;b.环境与资源学院，辽宁大连 116605)

多胺修饰β－环糊精:钕配合物对萘二胺的分子识别研究

姜慧明a，杨 红b

(大连民族学院a.生命科学学院;b.环境与资源学院，辽宁大连 116605)

将β－环糊精的6－OH用二乙烯三胺基取代，得到了6－脱氧－二乙烯三胺基β－环糊精(DTCD)，在镧系金属NdCl3的存在下，分别与1，5－萘二胺和1，8－萘二胺反应，得到了2种三元超分子配合物，并用核磁共振氢谱对配合物进行了表征。其中主客体分子的化学计量比为2∶1，客体分子等价氢原子的信号简并现象在包合前后没有发生变化，表明客体分子在主体空腔保持着对称的构象。2种三元超分子配合物均呈“三明治”式夹心结构。

β－环糊精;修饰;分子识别;萘二胺;钕;核磁共振;包合

β－环糊精是一种具有亲水亲油双重性质的超分子主体化合物，其外壁为多羟基，使得β－环糊精具有较好的水溶性，而内部空腔由糖苷氧原子以及葡萄糖单元的C3和C5氢原子构成，为富电的疏水性微环境。β－环糊精可以在水溶液中结合各种无机、有机和生物小分子形成包合物，因此在科学和工业领域具有各种应用。但从β－环糊精的结构特点和性质来看，它还有比较大的局限性，表现在常温水溶性较低，分子识别的位点较少，还缺少酶那样的有效功能团。为增加β－环糊精的分子模式识别(Pattern Recognization，PR)能力，使之具有酶功能，通常在环糊精分子中引入一定官能团修饰成环糊精衍生物。与单体相比，修饰性环糊精衍生物往往具有更大的水溶性和更强的分子识别能力。因此修饰环糊精具有更广阔的应用领域，目前对此已经开展了大量的研究工作［1－9］。

作为新一代超分子主体化合物，β－环糊精对客体分子的识别主要有两种:一种是“内识别”，主客体分子之间的相互作用力主要为范德华力、疏水作用力、色散力等;另一种是“外识别”，作用力主要为氢键。对应于两种识别方式，β－环糊精与客体分子主要形成两种超分子体系:包合物和表面作用产物。本文讨论的客体分子与β－环糊精空腔的尺寸匹配或近似匹配，能够完全或部分进入β－环糊精的空腔，属于内识别模式。β－环糊精的内识别机理主要是通过H－3和H－5进行的，二者均指向空腔，可以作为分子组装和识别客体分子的探针来研究空腔内客体分子的构象。在核磁共振氢谱中，H－3和H－5位移变化的幅度和方向表明了与空腔内客体分子相互作用的强弱，而客体分子各氢原子位移变化的幅度和方向同样揭示了与主体空腔的相互作用和结合的紧密程度。

目前对化学修饰β－环糊精研究较多的是向β－环糊精引入一些识别基团如各种生色基作为荧光探针［10－12］，来探索生命体内一些比较复杂的现象。其中多胺修饰β－环糊精及其金属配合物，与天然β－环糊精相比，大大增加了分子识别的位点，从而引起了科学家们广泛的兴趣［13－14］。

在β－环糊精:金属离子:客体分子三元超分子配合物的研究中，目前研究最多的是铜配合物［15－20］，其次是钴、镍、锌［21－22］。研究主要集中于多点分子识别以及三元配合物之间的相互作用。目前稀土金属尤其是镧系金属在β－环糊精领域的应用研究还未见报道，而镧系金属有机配合物发光材料是重要的发光材料来源，其应用研究对于设计新型发光材料及开拓新的应用领域有着重要意义。因此本文选择镧系金属钕作为电荷中心，研究拥有该电荷中心的修饰β－环糊精的分子组装及识别效应。

1 材料与方法

1.1 仪器及试剂

Varian Mercury AS400 Instrument核磁共振波谱仪(Varian Co.);85－2型恒温磁电搅拌器(巩义市英峪予华仪器厂)。实验中所用对甲苯磺酰氯、氢氧化钠、四氢呋喃、丙酮、乙醚、二甲亚砜均为市售分析纯试剂。β－环糊精为南开大学精细化学实验厂产品，使用前蒸馏水重结晶两次。1，5－萘二胺、1，8－萘二胺为Acros organics公司分析纯试剂。二乙烯三胺为上海信一化工实业有限公司产品，NdCl3从相应的氧化物中制备，该氧化物为大连民族学院杯芳烃实验室友情赠送，纯度为99.99%。

1.2 合成实验

1.2.1 单［6－(二乙烯三氨基)－6－脱氧］－环糊精(DTCD)的合成

合成路线和方法:

在250 mL四口圆底烧瓶中已加入100 mL蒸馏水和70 mL四氢呋喃组成的混合溶剂中，再加入10 g－CD 和0.4 g KOH，搅拌15 min，待大部分固体溶解后，滴加30 mL溶有1.68 g对甲苯磺酰氯的THF溶液，于1.5 h内滴完，再剧烈搅拌3 h，反应完毕后加入40 mL丙酮，放入冰箱，待固体充分析出后过滤，晾干，用乙醚浸泡2 d，然后过滤，再用乙醚洗涤，得到白色固体6 g，用蒸馏水重结晶2次得到4.5 g 6－OTs－6－脱氧－β－CD。

在100 mL三口瓶中加入2 g 6－OTs－6－脱氧－β－CD，再加入30 mL二乙烯三胺，放入搅拌子。把三口瓶固定于恒温磁力搅拌器上，通入氮气保护30 min后开启温度按钮在70℃条件下搅拌7 h，反应完毕后进行减压水蒸气蒸馏，除去部分多胺，把反应物滴入200 mL丙酮中，析出白色沉淀。抽虑，得白色固体，用少量水溶解后加入丙酮，再次析出白色粉末，离心干燥后得白色固体。

1.2.2 DTCD －NdCl3－ 萘二胺三元超分子化合物的合成

在50 mL圆底烧瓶中加入 DTCD 0.1 g，NdCl30.02 g，加入10 mL去离子水使其充分溶解后再加入碳酸氢钠配置的缓冲液。称取0.01 g 1，8－萘二胺(或1，5－萘二胺)，用0.1 mL DMSO 充分溶解，然后慢慢滴加至上述溶液中直至有沉淀生成，常温下搅拌3～4 h。反应完毕后，离心提取固体干燥。

1.2.3 核磁共振实验

超分子包合物的核磁共振谱图是以氘代DMSO为溶剂测定的，以DMSO在2.48的吸收峰作为内标。客体分子是以氘代氯仿为溶剂，以溶剂在7.28的信号作为内标，实验温度为298 K。

2 结果与讨论

β－环糊精的6位羟基是比较弱的离去基团，与对甲苯璜酰氯反应转换成OTs后，可以比较容易的被修饰基团所取代。二乙烯三胺和6－OTs－6－脱氧β－CD在氮气保护下反应，得到了化学修饰β－环糊精DTCD，β－环糊精的窄口端被多氨基链占据，该链状结构会与β－环糊精的空腔发生自包结作用，从而缩小了β－环糊精的有效空腔，影响了底物分子与β－环糊精空腔的有效结合。但经过化学修饰后，产物DTCD的水溶性优于β－环糊精，这对发生在水相中的主客体分子的包合反应是有利的。

2.1 超分子体系的核磁共振氢谱分析

主客体分子的结构和氢原子标记如图1。

图1 主客体分子的结构和氢原子标记

DTCD－NdCl3－1，5－萘二胺三元超分子配合物中主客体分子的化学位移和变化见表1和表2(注:△δ=δ(配合物) －δ(单体)，s为单峰，d为双重峰，t为三重峰，以下同)。

表1 DTCD－NdCl3－1，5－萘二胺三元超分子配合物中1，5－萘二胺的化学位移和变化

表2 DTCD－NdCl3－1，5－萘二胺三元超分子配合物中DTCD的化学位移和变化

形成主客体三元超分子配合物后，主客体分子的化学位移没有发生显著的变化，这是由于主客体分子之间的主要相互作用力为较弱的范德华力，如偶极－偶极相互作用、色散力等，或者为几种相互作用的协同作用。

在β－环糊精的窄口端6位碳上引入多氨基基团，随着它与Nd3+形成配位键，产生了自包结作用，该包结作用降低了β－环糊精的有效空腔［20］。这一点可以被超分子体系中主客体分子的化学计量比得到验证。根据核磁信号的积分分析，在该三元配合物中，主客体分子的化学计量比为2∶1，这与天然β－环糊精－1，5－萘二胺包合物的结果不同(该体系中，主客体的化学计量比为1∶1)［23］。同时观察到主体分子中的H－3比H－5位移变化更加显著(见表2)，说明1，5－萘二胺进入β－环糊精空腔后更加靠近空腔的宽口端。在超分子体系内，1，5－萘二胺中的氨基的化学位移几乎没有发生变化(见表1)，说明它未能与Nd3+形成配位键，从而也证明了氨基更加靠近空腔的宽口端，客体分子苯环上质子的化学位移都发生了变化;同时证明是与β－环糊精完全包合的，存在主客体分子间的相互作用，但位移变化的平均幅度要低于天然β－环糊精对1，5－萘二胺的包合［23］，等价氢原子的信号简并现象依然存在(见表1)，表明1，5－萘二胺在β－环糊精空腔的构象是对称的。

综上所述，在DTCD－NdCl3－1，5－萘二胺三元超分子配合物中，1，5－萘二胺是被2个DTCD分子包合，形成“三明治”式的结构，氨基的侧面原子C－2，3和C－6，7分别指向空腔的深处。2个氨基分别位于2个DTCD的空腔壁。

DTCD－NdCl3－1，8－萘二胺体系主客体分子的化学位移和变化见表3和表4。

表3 DTCD－NdCl3－1，8－萘二胺三元超分子配合物中1，8－萘二胺的化学位移和变化

表4 DTCD－NdCl3－1，8－萘二胺三元超分子配合物中DTCD的化学位移和变化

形成三元超分子配合物后，1，8－萘二胺的化学位移发生了较大的变化(见表3)，这证明了三元配合物中各成分之间存在较强的相互作用。萘环上的氢原子的位移变化为－0.19～0.03，变化幅度超过1，5－萘二胺。而氨基的位移变化达到了1.05，类似于天然β－环糊精对1，8－萘二胺的包合物［23］。其位移变化的原因与天然β－环糊精对1，8－萘二胺的包合类似［23］，即超分子体系的形成破坏了空腔内1，8－萘二胺2个氨基的分子内氢键，从而达到了自由氨基(类似于1，5－萘二胺)的化学位移。

根据信号的积分分析，在该三元配合物中，主客体分子的化学计量比为2∶1，这与天然β－环糊精－1，8－萘二胺包合物的结果不同［23］(该体系中，主客体的化学计量比为1∶1)。同时观察到该系列主体分子中的H－3比H－5位移变化更加显著(见表4)，说明1，8－萘二胺进入β－环糊精空腔后，更加靠近空腔的宽口端。萘环的分子尺寸与β－环糊精非常匹配，能够以两种垂直的取向完全包合在空腔里面［24］。由表3可看出，客体分子1，8－萘二胺的化学位移都发生了变化，证明是与β－环糊精完全包合的，存在主客体分子间的相互作用，但位移变化的平均幅度低于天然 β －环糊精对 1，8－萘二胺的包合［23］。与DTCD和NdCl3形成三元配合物后，1，8－萘二胺分子中等价的氢原子的信号简并现象依然存在，说明1，8－萘二胺在2个β－环糊精空腔的构象是对称的。由此可见，1，8－萘二胺是被2个DTCD分子包合，形成“三明治”式的结构，氨基的侧面原子C－2，3和C－6，7分别指向2个空腔的深处，2个氨基分别位于2个DTCD的空腔壁。

2.2 三元超分子配合物的构象分析

在合成的两种三元超分子配合物中，DTCD侧链上的多氨基会和NdCl3形成配位键。在形成配位键的过程中，轨道的相互作用不起决定性因素，金属与配体的相互作用主要是静电作用，成键的方向性不显著，类似于离子化合物，配体的数目取决于空间位阻和相互之间的距离，以及可供选择的配体数目，因此钕离子在与多氨基形成配位键后，也会与β－环糊精空腔窄口端的一个或多个羟基形成配位键。该金属与氮原子或氧原子的配位吸收峰出现在300～400 cm－1，常规红外光谱无法检测到该吸收峰。

通过核磁共振分析得知，在该系列配合物中，主客体分子的化学计量比均为2∶1，客体分子的构象分布式是对称的，从而推导出了在镧系金属NdCl3的存在下，多胺修饰β－环糊精对1，5－萘二胺和1，8－萘二胺的分子识别信息，明确给出了客体分子在β－环糊精空腔的构象。这两种三元超分子配合物的结构如图2。

图2 三元超分子配合物的结构示意图

3 结论

本文讨论了多胺修饰β－环糊精的分子识别效应，即β－环糊精被二乙烯三胺修饰，其6位羟基被取代，得到取代β－环糊精DTCD。在镧系金属 NdCl3的存在下，DTCD 与1，5－萘二胺、1，8－萘二胺形成了两种三元超分子配合物，通过对超分子体系的核磁共振氢谱分析，推导出了客体分子在主体空腔的构象。结论如下:

(1)多胺修饰的β－环糊精具有多个配位基团，能够与镧系金属离子(NdCl3)形成配位键，同时捕获客体分子1，5－萘二胺、1，8－萘二胺进入空腔，形成超分子化合物。

(2)两种三元超分子配合物中，主客体分子的化学位移都发生了变化，表明主客体分子之间存在着相互作用力，表明了超分子体系的形成。同时，主客体分子的化学计量比均为2∶1，与天然β－环糊精对1，5－萘二胺或1，8－萘二胺的包合状态不同(该体系中，化学计量比为1∶1)［23］。这表明多胺修饰β－环糊精的体系中，侧臂氨基链的自包结缩小了β－环糊精的有效空腔，使苯环与其相对匹配［20］。

(3)在这两种超分子配合物中，主体分子的H－3的位移变化比H－5的位移变化更加显著，说明客体分子萘二胺进入多胺修饰β－环糊精的空腔后，与空腔的宽口端结合比较紧密，进一步表明萘二胺是被2个β－环糊精空腔完全包合的，主客体分子形成了一种“三明治”式结构，客体分子保持了对称的构象。

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Molecular Recognition of Naphthalenediamine by Polyamine Modified β－Cyclodextrin:Neudymium Metal Complexes

JIANG Hui－minga，YANG Hongb
(a.College of Life Science;b.College of Environment and Resources，Dalian Nationalities University，Dalian Liaoning 116605，China)

6－OH of β －Cyclodextrin was modified by diethylene triamine，6－deoxy－diethylene triamido－β －Cyclodextrin(DTCD)was prepared，which complexes 1，5－naphthalenediamine and 1，8 － naphthalenediamine，respectively，in the presence of lanthanide NdCl3to synthesize two ternary inclusion complexes(host－guest－metal).The molecular recognition of DTCD －Nd complex to 1，5－naphthalenediamine and 1，8－naphthalenediamine was investigated via1H NMR spectroscopy.The stoichiometric proportion of host and guest molecules is 2∶1 for the complexes.Signal degeneration still exists for the guest molecules after the inclusion process，revealing the symmetrical conformation of the guest molecules inside the cavities of the two host molecules.Two complexes both exhibit“sandwich”－ typed structure.

β－cyclodextrin(β－CD);modification;molecular recognition;naphthalenediamine;Neudymium;NMR;complexation

O636.11

A

1009－315X(2012)01－0004－05

2011－09－21;最后

2011－10－12

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(DC10040106)。

姜慧明(1972－)，男，山东莱阳人，副教授，主要从事有机化学的双语教学和超分子化合物研究。

(责任编辑 邹永红)