超分子作用对2-(2-氨基苯基)苯并噻唑分子内质子转移的影响

2016-09-13向俊峰易平贵任志勇于贤勇陈建刘武李桃梅

物理化学学报 2016年3期

关键词：主客体包合物客体

向俊峰　易平贵任志勇　于贤勇　陈建　刘武　李桃梅

(湖南科技大学化学化工学院，理论有机化学与功能分子教育部重点实验室，分子构效关系湖南省普通高校重点实验室，湖南湘潭411201)

超分子作用对2-(2-氨基苯基)苯并噻唑分子内质子转移的影响

向俊峰易平贵*任志勇于贤勇陈建刘武李桃梅

(湖南科技大学化学化工学院，理论有机化学与功能分子教育部重点实验室，分子构效关系湖南省普通高校重点实验室，湖南湘潭411201)

采用稳态荧光、瞬态荧光及量子化学计算等手段对2-(2-氨基苯基)苯并噻唑(APBT)在不同溶剂中的质子转移进行了研究。结果表明，溶剂的极性及质子化对APBT的质子转移有较大的影响，通过对超分子作用的考察，发现七元瓜环(CB[7])的加入对APBT质子转移起到了一定的抑制作用，APBT与CB[7]能形成化学计量比为1:1的主客体包合物，同时测定了包合物的结合常数等热力学参数。此外，核磁共振氢谱和包合物的理论计算表明APBT分子进入了CB[7]的疏水空腔。

质子转移；七元瓜环；极化连续介质模型；热力学；主客体化学

苯并噻唑类衍生物是一类具有良好药用价值和光学活性的化合物，被广泛应用于抗菌药物、荧光探针以及光电二极管等领域5,10－12。瓜环13因其具有亲水的羰基裙带和疏水的纳米空腔，且具有较好的水溶性，在主客体化学研究中占有重要地位，它不仅能够改变客体化合物的水溶性，也能减小溶剂环境对客体化合物的影响，这对质子转移过程的研究具有特殊作用14－16。

本文主要结合荧光光谱法结合量子化学理论计算，对2-(2-氨基苯基)苯并噻唑(APBT)的质子转移进行研究，并通过七元瓜环(CB[7])的作用考察纳米空腔对其质子转移的影响。

2　实验部分

2.1试剂与仪器

2-氨基苯甲酸(98%)与邻氨基苯硫酚(98%)购于上海九鼎化学科技有限公司；多聚磷酸PPA(98%)够买于上海晶纯实业有限公司；七元瓜环来自陶朱教授课题组(贵州大学)；实验用水均为二次蒸馏水；实验所用溶剂均为分析纯等级，购买于富于精细化工有限公司。

荧光光谱和瞬态荧光分别采用RF-5301 PC荧光光谱仪(日本，Shimadzu)和920稳态瞬态荧光光谱仪(英国，Edinburgh)测定；核磁共振谱采用Bruke AV II 500MHz核磁共振仪(德国，Bruke)测定；质谱采用Q-Tof Prem ier四级柱飞行时间质谱仪(美国，Waters)测试。

2.2实验过程

2.2.1APBT的制备及表征

APBT按照参考文献17进行制备提纯。

2.2.2光谱测试

激发波长设定为300nm，分别测定室温下不同溶剂与不同pH值下的荧光发射光谱；在pH= 2.88的水溶液中，以0.25的摩尔比逐次向2×10－5mol∙L－1的APBT溶液中加入七元瓜环，测定室温下的荧光寿命和量子产率，以及298、308与318 K下的荧光发射光谱；以20%DCl为溶剂，分别测定APBT与APBT和CB[7]混合体系的核磁氢谱。

2.2.3理论计算

APBT分子的互变异构体胺式(am ine)与亚胺式(im ine)的激发态结构S1采用泛函TD M06-2X/6-31G+(d,p)进行了全优化，胺式与亚胺式激发态结构之间质子转移的能垒在激发态优化结构的基础上通过对转移质子的移动距离扫描获得，溶剂化作用采用极化连续介质模型(PCM)；APBT与CB [7]之间包合物稳定结构通过ONIOM模型优化获得，其中高层结构APBT分子与低层结构CB[7]分子分别用M06-2X/6-31G+(d,p)和M06-2X/6-31G方法。

图1　 APBT(2.0×10－5mol∙L－1)在不同溶液中的稳态荧光光谱图Fig.1 Steady-state fluorescence spectra of APBT (2.0×10－5m ol∙L－1)at differen t solven ts (a)dioxane,(b)ethanol,(c)N,N-dimethyl formamide,(d)ethylacetate, (e)cyclohexane,(f)dimethylsulfoxide,(g)water. λex=300nm,slitw idth Ex=15nm,Em=15nm

3　结果与讨论

3.1溶剂对激发态质子转移的影响

不同极性的溶剂中，APBT的荧光发射光谱如图1所示。由图可以看出，随着溶剂的改变，APBT的最大荧光发射波长有较大的移动。在二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、水、乙酸乙酯和二氧六环、乙醇等溶液中，荧光发射峰波长在450nm左右，而在环己烷中出现了双重荧光发射峰。这可能是由于在极性溶剂中，苯环上的氨基容易与溶剂之间形成分子间氢键，促使了胺式结构朝亚胺结构的转变，而在环己烷溶液中胺式结构受溶剂的影响较小，因此存在双重荧光发射峰。可见，溶液的极性对APBT分子的质子转移是有很大影响的，在非极性溶剂中，这两种结构存在着一定的动态平衡。

溶剂在质子转移的动力学过程中起着重要的作用，其结构和性质都与气相不同，采用TD M06-2X方法在6-31G+(d,p)基组上结合PCM模型来研究溶剂对APBT质子转移的影响。从图2中可知，溶剂的极性越大，其过度能垒(TD*)也越高，而其亚胺式构型(K*)随着极性的增大也越来越稳定。从理论上说明了溶剂的极性对APBT分子互变异构体稳定性的影响，也说明了溶剂极性越小越有利于其胺式向亚胺式结构的过渡。

3.2溶液pH值对激发态质子转移的影响

图3为APBT客体化合物在不同pH值下的荧光发射光谱图。从图中可以看出，APBT化合物在酸性很强的水溶液中存在双重荧光发射峰，其380与450nm处的荧光发射峰分别表示APBT的胺式结构与亚胺式结构这两种互变异构体。pH值从1.1逐渐升到3.5，短波处的荧光发射峰逐渐降低伴随着轻微红移，并且有消失的趋势，然而长波段的荧光发射峰从极其微弱逐渐增强。用Q(长波段与短波段荧光发射峰的强度比)来表示质子转移效率，其值越大，表示质子转移的效率越高。从插图Ⅰ中可以看出，pH值的增大，促进了分子间的质子转移，当pH值超过3.3时，质子转移效率几乎达到最大值，更加体现了激发态质子转移对环境体系是非常敏感的。

图2　 2-(2-氨基苯基)苯并噻唑的质子互变异构体在气相和不同溶剂中激发态的能量变化图Fig.2 Schematic d iagram of excited state energy change for the tautomersof 2-(2-am inophenyl)benzothiazole in gasphaseand different solvents The energy of E was taken as zero.

图3　 APBT(1.0×10－5mol∙L－1)在不同pH值缓冲溶液中的稳态荧光发射光谱Fig.3 Steady-state fluorescence spectra of APBT (1.0×10－5m ol∙L－1)w ith d ifferent pH values in bu ffer solutions pH:(1)1.15,(2)1.42,(3)1.83,(4)2.15,(5)2.40,(6)2.83,(7)3.05, (8)3.30,(9)3.52.Inset Ishows the efficiency ofproton transfer. Inset IIshow s the enlaged scale. λex=300nm,slitw idth Ex=15nm,Em=10nm

图4　 APBT(2.0×10－5mol∙L－1)在pH=2.88时的CB[7]滴定荧光发射波谱Fig.4Fluorescence spectra of APBT(2.0×10－5mol∙L－1) with different CB[7]concentrationsat pH=2.88 nCB[7]/nAPBT:(1)0.00,(2)0.25,(3)0.50,(4)0.75,(5)1.00,(6)1.25, (7)1.50,(8)1.75.Inset Ishow s the am ino form fluorescence on an enlaged scale.Inset IIshows the efficiency ofproton transfer. λex=300nm,slitw idth Ex=15nm,Em=10nm

3.3七元瓜环纳米限制介质对激发态质子转移的影响

图4展示了在指定的pH条件下，主体化合物CB[7]与客体化合物APBT相互作用的荧光发射光谱图。从图中可以看出，随着CB[7]的加入，荧光发射峰的强度在短波段处与长波段处分别以上升与下降的趋势变动，当CB[7]的量为1.75倍客体化合物的量时，在短波段处，荧光发射峰强度变为原来的1.06倍，然而在长波段处的荧光发射峰却仅仅为原来的0.26倍。从图中也可以看出，随着瓜环的加入，质子转移的效率逐渐减小，最终趋于稳定状态。这说明了瓜环的加入，促使了客体化合物进入瓜环的疏水空腔，降低了溶剂对客体化合物的影响，从而使瓜环对客体化合物起到了保护与屏蔽的作用，降低了质子的转移，进一步的证明了图3中的合理性，也说明了主客体化合物之间发生了明显的相互作用。

3.4主客体作用比及热力学参数的确定

主客体化合物之间往往以范德华力、疏水作用力、静电作用力和氢键作用力等维持其相互作用，故通过热力学参数对主客体作用进行探讨。包和比以及稳定常数对一个主客体相互作用的过程来说是重要的参数，并且稳定常数是随着温度的变化而变化的，也是热力学的一个重要参数。我们采用在298、308和318 K下进行稳态荧光滴定实验，通过Benesi-Hildebrand(公式(1))18,19来进行分析：

该公式中K表示包合物形成的结合常数，I0表示客体化合物的荧光强度，I表示加入一定主体化合物后的荧光强度，I∞表示主客体完全相互作用形成包和物的最终荧光强度。

图5　 APBT在pH=2.88时不同温度下与CB[7]相互作用的Benesi-Hildebrand分析图Fig.5Benesi-Hildebrand p lotsof APBT w ith CB[7]in solution of pH=2.88 at different temperatures

表1　在pH=2.88的缓冲溶液中不同温度下的包合物热力学参数Table1 Thermodynam ic parametersof the com plex in solution of pH=2.88 at different tem peratures

如图5所示，在不同温度下，以荧光发射光谱长波段发射峰进行Benesi-Hildebrand分析，当n= 1时得到了具有很好线性相关的直线，说明了主客体化合物以化学计量比为1:1的形式形成包和物，同时得到了在298、308和318 K条件下的结合常数，分别为30873、27261和20836L∙mol－1。说明了温度越低，越有利于包合物的形成。

根据范特霍夫方程ln K=－ΔH/(RT)+ΔS/R，利用ln K与1/T作图，通过斜率和截距求出焓变(ΔH)和熵变(ΔS)。然后通过方程ΔG=ΔH－TΔS求出吉布斯自由能(ΔG)20,21，具体结果见表1。从表中可以看出，该过程的ΔG<0，表明该过程完全是一个自发的过程。ΔH=－15.31 kJ∙mol－1，表明形成包合物的过程是一个放热的过程，这也是升高温度，而主客体相互作用的稳定常数减小的原因所在，因此在温度较低的环境下有利于包合物的形成，起到抑制质子转移的效果。ΔS=34.80J∙mol－1∙K－1表明了客体化合物进入疏水性的纳米空腔之前会释放出结合水，这一过程伴随着熵的增加，打破体系的平衡，使之变得无序。根据Ross等22提出的主客体相互作用方式和热力学变化的规律来看，ΔH<0与ΔS>0表明了主客体相互作用是主要以疏水作用力为主。

3.5APBT与七元瓜环相互作用的瞬态光谱研究

APBT与七元瓜环的相互作用进一步通过瞬态荧光光谱来研究，在pH=2.88的水溶液中，以0.25倍的量逐渐向客体化合物中加入主体化合物溶液，通过表2我们可以看出，随着瓜环的加入，体系中的荧光寿命由2.5423 ns增加到了5.5640ns，而量子产率由先前的2.11%下降到0.82%。通过荧光平均寿命(τf)和量子效率(Φf)，按照公式kr= Φf/τf与1/τf=kr+knr求出不同主体浓度下的辐射衰减速率常数(kr)与非辐射衰减速率常数(knr)23。从表2中看出随着主体浓度的增加，非辐射衰减逐渐增强，辐射衰减逐渐减弱，然而辐射衰减还是起主导作用。瓜环的加入，主客体包合物的形成不仅增强了非辐射衰减，而且由于瓜环的疏水空腔对客体化合物起到一定的保护屏蔽作用，使得辐射衰减有助于包合物的形成，也降低了激发态质子转移的效率。

表2　在pH=2.88的溶液中不同主体化合物浓度下荧光寿命、量子产率和辐射与非辐射衰减常数Table2 Fluorescence lifetime,quantum yield,and radiativeand non-radiative rate constantsof APBT in different concentrationsof CB[7]in solution of pH=2.88

3.6APBT与七元瓜环的核磁共振氢谱

APBT与CB[7]相互作用的1H NMR如图6所示。随着瓜环的加入，APBT与CB[7]发生相互作用，形成包合物，使得2-H与5-H向高场移动，由于APBT分子在空腔中发生屏蔽作用，使得光谱中的峰强度减弱。从这一结果中可以看出瓜环的加入促使APBT分子的疏水端进入瓜环空腔，这也表明了尽管客体分子上的氮原子可以与溶剂通过氢键相结合，但是在瓜环的条件下，客体分子选择与瓜环相互作用，通过瓜环的疏水空腔形成更加稳定的包合物结构。

图6　室温下APBT与CB[7]作用在20%DCl中的核磁共振氢谱和可能作用的模型Fig.61H NMR spectra ofAPBT w ith CB[7]in 20%DCland the possib lemodelat room tem perature

3.7APBT与CB[7]相互作用的理论计算

为了更好地了解APBT的两种互变异构体与七元瓜环的相互作用，我们采用ONIOM{M06-2X/6-31G+(d,p):M06-2X/6-31G}对两种互变异构体相对应的包合物结构进行全优化，最终得到了最稳定的复合物结构，如图7所示。从图中可以看出，APBT分子的胺式与亚胺式在结构上发生了很大的变化，胺式结构的APBT的所有原子基本处于同一个水平面，而亚胺式结构则存在很大程度的偏转，存在着明显的两平面结构。当主体化合物加入后，胺式结构主要以疏水端的苯并噻唑环进入瓜环空腔，客体化合物的结构发生一定程度的扭转，其中氨基上的两个氢原子分别与七元瓜环的两个羰基氧形成了两分子间氢键。而亚胺式结构主要以苯并噻唑环端的苯环进入瓜环空腔，其中两个氮原子上的氢均与七元瓜环的相邻羰基氧形成分子间氢键结构，其具体结构参数如表3所示。可见，这两种质子互变异构体均能够与CB[7]形成比较稳定的包合物。在结构上由于主体化合物瓜环的影响，均发生了一定的结构变化。

图7　 APBT质子互变构型和相对应的包合物APBT@CB[7]的结构优化图Fig.7 Com putationally optim ized geometriesof theAPBT tautomersand the corresponding APBT@CB[7]

表3　 APBT质子互变构型和相对应的包合物APBT@CB[7]的结构参数Table3 Com putationally optim ized geometry parametersof theAPBT tautomersand the corresponding APBT@CB[7]

4　结论

通过荧光光谱对APBT在不同溶剂以及纳米限制介质中进行考察，发现不同的环境APBT表现出不同的荧光发射峰，胺式结构与亚胺式结构在溶液中存在一定的动态平衡，当CB[7]存在时，减小了溶剂对APBT分子的影响，从而抑制了质子的转移过程，同时对荧光寿命和量子产率起到了一定的影响。通过Benesi-Hildebrand方程对荧光数据的拟合，用核磁滴定实验以及理论计算等方法最终确定了APBT与CB[7]以1:1的作用形式形成了包合物。通过理论与实验结合的手段来对APBT的考察，希望能够在这一类质子转移的研究中起到一定的帮助。

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Effect of Supra-Molecular Interaction on the Intramolecular Proton Transfer of 2-(2-Aminophenyl)benzothiazole

XIANG Jun-Feng YIPing-Gui*REN Zhi-Yong YU Xian-Yong CHEN Jian LIUWu LITao-Mei
(Hunan Province College Key Laboratory ofQSAR/QSPR,Key Laboratory ofTheoreticalChemistry and Molecular Simulation, Ministry ofEducation,SchoolofChemistry and Chemical Engineering,Hunan University ofScience and Technology, Xiangtan 411201,Hunan Province,P.R.China)

The excited-state intramo lecular proton transfer o f 2-(2-am inophenyl)benzothiazo le(APBT)in differentenvironments was detected by steady-state and transient fluorescence spectralmeasurements and quantum chem ica lca lcu lations.The results showed that the polarity and protonation of the solution strong ly affect the proton transferofAPBT.When APBT and cucurbit[7]uril(CB[7])werem ixed with each other,we found that the proton transfer process ofAPBTwas restrained by the formation ofa com p lex w ith a stoichiometric ratio o f1:1.The association constantand thermodynam ic parameters o f this com plexwere ca lcu lated.1H NMR spectroscopy and quantum chem icalcalculation data indicated thata 1:1APBT@CB[7]complex of the am ine or im ine tautomerofAPBT formed.

Proton transfer;Cucurbit[7]uril;Polarizable continuum mode l;Thermodynam ics; Host-guest chem istry

1　引言

质子转移1－3在化学和生物领域中都广泛存在4,5。质子转移化合物在光、电或者是热的作用下，其酸性基团上的质子通过分子内氢键转移到相对应的N、O或S等能够接受质子的基团上，这一过程就是激发态质子转移(ESIPT)。激发态质子转移由于具有双重荧光发射峰，较大的Stokes位移，对环境有很强的敏感性等性质而受到很多科研人员的关注6－9。

August28,2015;Revised:December28,2015;Published onWeb:December29,2015.

O641

10.3866/PKU.WHXB201512291

*Corresponding author.Email:yipinggui@sohu.com;Tel:+86-731-58290187;Fax:+86-731-58290187.

Theprojectwas supported by the NationalNaturalScience Foundation ofChina(21172066,20971041)and Hunan University of Technology Team Projects,China([2012]318).