6-全脱氧-6-全氯代-β-环糊精的合成及自组装行为

严冬青，王聪聪，王冬雪，高俊杰，赵鑫涛，孙 蕊，樊 志

（天津科技大学化工与材料学院，天津 300457）

6-全脱氧-6-全氯代-β-环糊精的合成及自组装行为

严冬青，王聪聪，王冬雪，高俊杰，赵鑫涛，孙 蕊，樊 志

（天津科技大学化工与材料学院，天津 300457）

为了获得需要的结构分子，利用β-环糊精、咪唑和苯磺酰氯反应合成了6-全脱氧-6-全氯代-β-环糊精.通过X射线衍射分析、核磁光谱及热重分析等方法进行了表征.晶体结构显示，化合物分子利用β-环糊精小口端的头-对-头相互作用以及大口端的尾-对-尾相互作用沿着a轴进行排列，形成线状超结构，其中在小口端通过Cl—Cl相互作用和氢键作用形成了疏水层，而在大口端通过羟基之间的氢键形成了亲水层.热重分析结果表明β-环糊精分子间相互作用的减弱导致化合物不同的热力学特性.

修饰环糊精；合成；自组装；晶体结构；超分子

近年来，利用单一分子或多种分子作为结构单元，通过分子间弱相互作用（如疏水作用、氢键、盐键、van der Waals作用等）构筑超分子体［1-3］，进而设计并合成具有所希望的稳定结构及功能性的超分子成为超分子化学领域研究的目标［4］.虽然环糊精在药物传输、不对称合成、分子开关、手性分离、催化、模拟酶、分子识别等方面具有的实际应用及巨大的、潜在的应用价值［5-8］，但是由于环糊精自身结构无法满足研究的需要，为了合成具有所希望的结构功能的单元分子，人们选择各种反应对环糊精进行修饰，并引入具有特殊功能的一些官能团，以期获得需要的结构分子［9-11］.

本文利用苯磺酰氯、咪唑与β-环糊精反应得到6-全脱氧-6-全氯代-β-环糊精，并利用X射线衍射分析等方法研究了其分子结构及形成线性超分子聚合物的分子自组装行为.

1 材料与方法

1.1 试剂

β-环糊精，化学纯，山东滨州智源生物科技有限公司，使用前经二次蒸馏水重结晶2次，95，℃干燥24，h，置于干燥器中备用；N，N-二甲基甲酰胺（DMF），分析纯，天津化学试剂一厂，使用前在氢化钙存在下于室温下搅拌1，d，在低于40，℃条件下减压蒸出；咪唑、苯磺酰氯，分析纯，天津化学试剂一厂，未经纯化直接使用.

1.2 实验过程

将β-环糊精（1.9，g，1.5，mmol）和咪唑（1.5，g，22.5，mmol）溶于60，mL DMF中，在氮气保护下加入无水苯磺酰氯（3.9，g，22.5，mmol），室温下搅拌2，h后，升温至70，℃反应24，h.反应完毕，将反应液减压蒸馏除去溶剂，加入200，mL水，再加入2，mol/L NaOH水溶液直至溶液完全呈现碱性，继续搅拌2，h.过滤，收集沉淀，并分别用H2O和丙酮进行洗涤，得到初产物.然后在DMF-H2O溶剂中重结晶，得到目标化合物1（1.7，g，产率79%），合成路线如图1所示［12］.

图1 化合物1的合成示意图Fig. 1 Synthetic route of compound 1

1.3 分析与仪器

化合物1晶体结构用Siemens SMART CCD 面探仪，使用Mo靶Kα射线（λ=0.071，073，nm），石墨单色器ω 扫描方式进行测定.选取尺寸为0.26，mm× 0.24，mm×0.20，mm的单晶体，在显微镜下，迅速将其置于含有少许母液的硬质毛细管中，在113（2）K温度下，用ω/2θ方式扫描，在-20＜h＜20，-23＜k＜28，-23＜l＜23范围内共收集63，053个衍射点用于结构测定和修正.晶体结构的解析和结构修正分别用SHELX97（Sheldrick，1990）和SHELX97（Sheldrick，1997）程序完成.

核磁共振氢谱采用Varian Mercury VX300型核磁共振仪进行测定；元素分析采用EA1108型元素分析仪进行测定.

2 结果与讨论

2.1 化合物1的表征

利用核磁共振仪及元素分析仪对化合物进行了表征，其数据如下：1H，NMR（DMSO-d6，TMS）：δ 7.93（s，1，H，H-DMF），5.81～6.01（m，14，H，OH），4.867～4.946（d，7，H，H-1），4.058（d，7，H，H-4），3.77～3.93（m，14，H，H-2，H-3），3.59～3.62（m，7，H，H-5），3.24～3.34（m，14，H，H-6），2.89（s，6，H，HDMF）.元素分析理论值（C42H63O28Cl7·C3H7ON· 9H2O）：C 36.05，H 5.92，N 0.93，Cl 16.55；实测值：C 36.08，H 5.87，N 0.88，Cl 16.59.

2.2 化合物1的自组装行为

化合物1的晶体结构数据如下：分子式C45H84Cl7NO36；相对分子质量1，471.28；单斜晶系；空间群P2（1）；晶胞参数a=1.317，0（3）nm，b= 1.896，4（4）nm，c=2.818，3（6）nm，α=90°，β= 101.69°，γ=90°，V=7.039（2）nm3；Z=4；最终的R［I＞2σ（I）］因子R1=0.050，5，wR2=0.118，5.

化合物1的分子结构存在两种不同的构型，如图2所示.

图2 化合物1的分子结构图（俯视）Fig. 2 Molecular structure of compound 1（top side）

在分子的两种构型中，氯原子的相对位置不同，A构型中，Cl（2）、Cl（3）、Cl（5）采取偏转-反式取向指向β-环糊精的空腔，而Cl（1）、Cl（4）、Cl（7）采取偏转-偏转取向指向空腔外侧，而无序的Cl（6）占据两个位置，分别采取偏转-反式和偏转-偏转取向.B构型中，Cl（1′）、Cl（4′）、Cl（5′）采取偏转-反式取向指向β-环糊精的空腔，而Cl（2′）、Cl（3′）、Cl（7′）采取偏转-偏转取向指向空腔外侧，无序的Cl（6′）依然占据两个位置，分别采取偏转-反式和偏转-偏转取向.值得注意的是，采取偏转-偏转取向指向空腔外侧的氯原子均与相邻的C—H形成氢键这些氢键作用有助于稳定氯原子的取向.

化合物1中β-环糊精构型的几何参数见表1. 在分子结构中，所有的6-位羟基均被氯原子取代，β-环糊精小口端的氢键消失，但由于大口端的氢键依然存在，因此使得β-环糊精分子依然保持原有的截锥状结构，而葡萄糖单元依然呈4C1椅式构象，糖苷氧原子共平面的特性也没有改变，构型A、B中的7个糖苷氧原子分别在0.002，7、0.002，8，nm范围内共平面，形成近似正七边形的结构，其半径平均值均为0.504，nm，与未修饰β-环糊精相同［35］，O4（n+1）··· O4（n）···O4（n-1）之间的键角平均值分别为129.9°和128.5°，相比较而言，构型B的结构更接近于正七边形（128.571，4°）.O4（n）···O4（n-1）间距离分别为0.437，nm和0.438，nm，均略大于未修饰β-环糊精的0.431，nm，这可能是由于6-位羟基间氢键消失，导致β-环糊精小口端向外扩展造成的.

表1 化合物1中β-环糊精的几何构型Tab. 1 Geometrical data of β-CD

化合物1的分子利用分子间的弱相互作用自组装成线状超结构，如图3所示.在组装结构中，化合物1依然沿袭未修饰β-环糊精的组装形式，即大口端对大口端，小口端对小口端.可以看出，在组装体中存在着两亲特性，分别为由相邻β-环糊精小口端的氯原子形成的疏水层，及由2，3-位羟基形成的亲水层.同时还有溶剂分子水和DMF插入其间，DMF位于疏水层，而水分子除了占据β-环糊精的空腔外疏水层外，更多的位于亲水层.

在线状超分子体中，分子A和B利用β-环糊精小口端的氯之间的非键作用形成头-对-头的二聚体，两个β-环糊精的糖苷氧原子所成平面之间的夹角为0.3°，几乎平行；β-环糊精之间的距离为0.619，9，nm，而环糊精的高度为0.784，3，nm，与未修饰β-环糊精相比依然没有明显变化.相邻β-环糊精之间存在着较强的弱相互作用，其中在β-环糊精小口端之间存在着氢键

和氯原子间的相互作用［13］.dCl1—Cl4′=0.366，nm，dCl3—Cl1′=0.342，nm，dCl5—Cl7′=0.394，nm，同时由于DMF分子插入其间，也与相邻β-环糊精中的氯原子形成了氢键

如图4（a）所示.

图3 化合物1的自组装结构Fig. 3 Self-assembly structur of compound 1

而在β-环糊精的大口端，则通过2，3-位的羟基形成了众多的氢键，形成了尾-对-尾的亲水层，如图4（b）所示，氢键列于表2.

表2 化合物1中环糊精羟基之间的氢键Tab. 2 Hydrogen-bonding interaction between adjacent β-CD in compound 1

2.3 化合物1的热力学性质

图4 化合物1中环糊精之间的相互作用Fig. 4The intermolecular interaction between β-CD in compound 1

官能团的变化会影响化合物的稳定性，本文利用TGA技术比较了化合物1与天然β-环糊精的热稳定性，结果如图5所示.从图5可以清楚看出：化合物1与未修饰β-环糊精的热稳定性存在明显差异.未修饰β-环糊精在100，℃左右出现一个失重台阶，这对应的是β-环糊精晶格和空腔中的水分子脱去，此时失重13.96%；紧接着在100～280，℃出现一个较长温区平台，亦即在β-环糊精熔融之前整个体系不再有质量的减少，直至280，℃开始快速失重，这是由于β-环糊精的分解造成的质量减少；在290～320，℃失重 45.86%，然后随着温度的升高，未修饰β-环糊精不断碳化而缓慢失重.然而，化合物1则与未修饰β-环糊精表现不同，在100，℃以下并没有明显的失重台阶，而且在100～200，℃也没有出现温度平台，仅仅在100～200，℃之间表现为缓慢失重，直至温度升高到化合物1熔融分解前，体系一直表现为这种极缓慢失重状态，当体系达到220，℃时出现了急剧失重，即化合物1开始熔融分解，在228～235，℃极窄区间内失重达到27.54%，然后随着温度升高而发生碳化，从而缓慢失重.这种差异的出现，源于化合物1中6-位羟基的卤代，原有的亲水性发生了改变，变为疏水性，使得化合物1的溶剂水分子较未修饰β-环糊精少，因此在100，℃以下并没有出现明显的失重.而化合物1出现急剧失重的温度明显低于未修饰β-环糊精，这可能是由于羟基被氯原子取代之后，6-羟基形成的分子内氢键消失，而分子间的氢键也大为减少，因而导致分子内和分子间的相互作用减弱.

图5 不同样品的TGA曲线Fig. 5 TGA curves of different samples

3 结 语

利用氯原子取代β-环糊精的6-位羟基，得到了6-全脱氧-6-全氯代-β-环糊精，通过核磁共振氢谱和X射线衍射分析进行了结构表征，同时采用TGA研究了其热力学稳定性.结果表明：6-全脱氧-6-全氯代-β-环糊精依然可以利用环糊精小口端的头-对-头相互作用以及大口端的尾-对-尾相互作用沿着a轴进行排列，形成线状超结构.整个超结构表现了两亲特性，在小口端氯原子间相互作用及氢键相互作用构成了疏水层，而在大口端利用羟基的作用形成了亲水层.同时由于氯原子的取代，使得分子间的非共价键相互作用减弱，进而降低了分子的热稳定性.这些数据的积累有助于理解分子结构及热稳定性与分子间弱相互作用之间的关系，可以为构筑超分子材料提供设计思路.

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责任编辑：周建军

Self-assembly Behavior and Synthesis of Per（6-chlorin-6-deoxy）-β-cyclodextrin

YAN Dongqing，WANG Congcong，WANG Dongxue，GAO Junjie，ZHAO Xintao，SUN Rui，FAN Zhi
（College of Chemical Engineering and Materials Science，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300457，China）

In order to obtain the molecule with a needed structure，the modified β-cyclodextrin，per（6-chlorin-6-deoxy）-βcyclodextrin，was synthesized through the reaction of β-cyclodextrin，benzenesulfonyl chloride and imidazole in N，N-dimethylformamide（DMF）.Its molecular structure was measured by X-ray crystallography，1H NMR spectroscopy，and thermogravimetric analysis（TGA）.The crystal structure shows that the molecules of the compound are aligned on the a-axis to form a linear superstructure through head-to-head interactions at the primary side and tail-to-tail interactions at the secondary side.At the primary side，the chlorine atoms，through Cl—Cl interaction and that of hydrogen bonds，form hydrophobic layers，and at the secondary，the hydroxyl groups interact through hydrogen bonds to form hydrophilic layers.Thermogravimetric analysis shows that the different thermodynamic character results from the weakening of the interaction between the adjacent β-cyclodextrins.

modified cyclodextrin；synthesis；self-assembly；crystal structure；supramolecule

O624

A

1672-6510（2016）05-0042-05

10.13364/j.issn.1672-6510.20150144

2015-10-08；

2016-01-08

国家自然科学基金资助项目（21373150）

严冬青（1991—），女，新疆人，硕士研究生；通信作者：樊 志，教授，zhifan@tust.edu.cn.