Cryptophane与卤代甲烷主客体分子体系研究进展

赵艳艳，刘慧敏，鲁 平，李晨洁，李 昱

(临沂大学 化学化工学院，山东 临沂 276005)

卤代甲烷是甲烷的卤代物，指甲烷分子中一个或多个氢原子被卤素原子取代后的一类化合物，是甲烷最常见一类的取代物之一，其应用广泛，但大部分对人体及环境都具有较大毒性。以氯仿为例，氯仿大量被用作生产聚四氟乙烯和制冷剂的前体，也曾在医学用作麻醉剂。在制药、染料及农业领域也常被用作生产中的常用溶剂，因此大量含氯仿的废液及废气被排放[1]。氯仿气体可致人体中枢神经系统损伤，危害生命健康。当空气中氯仿浓度达1000 ppm，人在其中短时间内就会感到头晕头痛。长期和氯仿接触造成的慢性中毒可致肝脏和肾脏(在这里氯仿会转化成光气，剧毒)损伤，若直接接触氯仿，可致皮肤腐蚀[2]。因此，研究简单廉价操作方便的氯仿检测方法对于生产安全、环境安全及人体健康具有重大意义。

1 基于不同方法构建的cryptophane与卤代甲烷主客体分子体系

Cryptophane是一种具有分子内空腔的主体化合物(图1)，常能对尺寸合适的小分子进行封装识别[3-4]，不少卤代甲烷尤其是氯代甲烷均能与cryptophane发生较为稳定的络合作用，因此可将cryptophane对其络合应用于卤代甲烷的检测领域。近年来，多种研究手段被引入用于cryptophane与卤代甲烷主客体分子体系的构建。

图1 几种常见的Cryptophanes分子结构

1.1 核磁共振法

核磁共振方法是最早用来研究cryptophane络合作用也是应用最广泛的方法之一[5]，并一直沿用至今，不时可见通过核磁共振研究cryptophane与卤代甲烷络合的研究报道。

2012年，Brotin等人通过核磁共振氢谱和碳谱对溶液中的cryptophane-D即顺式的cryptophane-C与氯仿和二氯甲烷之间的作用分别进行了不同实验条件的研究，进行了详细的描述，其中最成功的发现无疑是，当客体分子为氯仿时，络合前后cryptophane-D的桥联基团部分的碳谱出现很明显的位移偏差[7]。他们解释这种变化是由于将客体分子引入cryptophane-D空腔后，存在构象选择，经过重排后最终产生了新的构象造成的，这种解释得到了密度泛函理论计算结果的支持。同时，他们还发现氯仿和二氯甲烷与cryptophane-D络合时存在较大差异，cryptophane与氯仿的络合是一个较慢的交换过程，但与二氯甲烷的络合在较大温度范围内都是较快的。在热力学上也有不同，二氯甲烷与cryptophane-D的络合过程焓变几乎为0。在2015年，该团队再次利用核磁共振的方法，进一步研究了cryptophane-D与氯仿分子的络合过程，提出了在这种存在两种结构相互交换转变过程的杂环双自旋体系在两种结构相互改变过程中的纵向松弛理论[8]。

卤代甲烷被cryptophane分子络合过程的动力学行为特别是针对卤代甲烷在cryptophane空腔中的物理状态和行为也通过核磁共振进行了大量研究。例如，Kowalewski等研究了氯仿分子在cryptophane-E内部空腔中的动力学行为。他们先应用Lipar-Szabo模式对氯仿分子和cryptophane-E进行了T1 碳-13纵向弛豫时间进行了准确测试。通过计算，得出二者的相关时间接近，cryptophane-E为0.67 ns，氯仿为0.5 ns。说明二者间存在较强的动态耦合，在分子重组的时间程度上，二者的络合物表现为一个统一的体系，CTV单元和被封装的氯仿分子的氢原子之间存在各向异性的作用力[9]。

1.2 拉曼光谱法

拉曼光谱是继核磁共法振方法后被发现的可用于研究相对较复杂的主-客体体系的另一种精确灵敏的方法。拉曼光谱与光学显微镜联有效分析具有独特三维空间的样品，可用于研究微晶结构、表面形貌甚至是在透明矩阵中的原位分析[10-11]。

拉曼显微测谱可提供高空间分辨率和高灵敏度，因此能分析到微米级样品如cryptophane与客体分子复合物的单晶结构。2001年，Cavagnat等人首次通过拉曼光谱研究了中性小分子氯仿在主体分子空腔内与主体分子cryptophane-A和E的相互作用[12]。他们分析了多种复合物单晶，氘标记的氯仿在cryptophane-A的吸收域外出峰。可观察氘较强的C-D拉伸，说明在这种斜方形晶体中存在较强的极化效应。而且，由于主体化合物产生的主要过渡是通过电脑方法指定的，因此测试得到的客体化合物的方向是相对主体化合物的。在CDCl3@cryptophane-A这种复合物中，C3分子轴与晶体ac面的主对角线几乎平行，很好地解释了实验谱图数据。被捕获的CDCl3中的C-D键与CTV单元的C3轴存在较为明显的作用，这个结果与通过核磁共振方法研究得到的液态和固态形式结果都是一致的。他们的研究还发现，相对于气态的自由CDCl3，被捕获的CDCl3分子其vCD或vCH拉伸波束有红移，且这种红移在CDCl3@cryptophane-E复合物中发生得比CDCl3@cryptophane-A更明显，说明氯仿分子与cryptophane-E相互作用相较cryptophane-A更强，同样，这也是与核磁共振数据结果相符合的。

拉曼光谱与显微镜联用还能区分不同CHCl3@cryptophane-A溶剂化物。X射线衍射实验清楚证明了那个有两种不同的氯仿分子在晶体单元时，CHCl3@cryptophane-A除了斜方形晶体还存在另一种棒状的晶体结构。一种氯仿分子被捕获存在于主体分子空腔内，另一种氯仿分子存在于晶体间隙中，因此在拉曼光谱中有两种不同信号。变温实验显示存在于晶体间隙种的氯仿分子对温度更为敏感而且具有更高的迁移率。

1.3 色谱法

某些cryptophane及其衍生物是手性分子，其键合作用还可通过手性光学技术如电子圆二色谱(ECD)和振动圆二色谱(VCD)证明。经研究发现cryptophane衍生物的光学性质大多与许多外部参数相关明显，如溶剂(有机相或是水相)及客体分子进入其空腔的能力等。振动圆二色谱与量子化学计算联用时，可预测分子的绝对构型，其结果可与实际实验光谱的结果相当。

2008年，Brotin等人合成了一系列不同取代的cryptophane-A衍生物，并通过振动圆二色谱研究了这些氯仿和这些衍生物的络合物并与CHCl3@cryptophane-A进行了对比[13]。发现，在氯仿与众多基团修饰的cryptophane-A衍生物的络合物中，CHCl3@cryptophane-A-H的光谱数据差异较大，而三氟甲磺酸基修饰的络合物差异较小，说明振动圆二色谱与密度泛函理论计算(DFT)联用可用于区分cryptophane分子衍生物的绝对构型。

1.4 中间相

中间相也可用于研究主客体复合物体系，CHCl3@cryptophane-A这种复合物就曾在两个非手性向列型晶体中通过13C NMR进行研究。Marjanska报道的这一方法实现了液态晶体中的主体分子和客体分子的局部定向[14]。两种分子的优选定向恢复了复合物在各向异性的中间相中失去的偶极耦合作用，有利于主客体分子络合物的结构和动力学方面的研究。稍晚一些，Goodson等人在一种向列型的热致液晶中在不同温度下研究了CHCl3@cryptophane-A和CHCl3@bis-cryptophane络合物[15]。发现在被封装后的氯仿分子相对自由的氯仿分子存在较大的13C-H偶极耦合作用。不同温度下对封装氯仿的有序参数进行试验测试结果发现当温度从283 K上升至304 K时，CHCl3@cryptophane-A和CHCl3@bis-cryptophane络合物的有序参数均有较大提升，客体分子的内流动性不受溶剂(各向异性和液晶)影响，说明主客体分子运动密切相关。

1.5 其他方法

计算机理论计算如密度泛函理论计算也是用来研究cryptophane分子与氯代甲烷这种主客体分子体系的主要方法之一，通常与其他试验方法联用，是证明实际光谱数据的有力手段，也可通过理论计算数据为设计新型cryptophane分子结构提供思路，先行于实际试验。

荧光光谱法也能有效研究这种体系。本课题组曾通过荧光光谱法对合成的cryptophane-E和cryptophane-M对氯仿分子的络合作用分别进行了研究[16]。试验发现两种cryptophane分子在367 nm紫光灯照射下，均能发出蓝色荧光，当在溶有cryptophane-E和cryptophane-M的有机溶液中加入氯仿，则荧光强度会发生猝灭，推断为氯仿分子进入其空腔后产生荧光猝灭，且在一定氯仿浓度范围内，这种猝灭现象呈线性变化。

利用光纤传感建立对cryptophane分子与氯代甲烷分子的主客体体系是近年发展迅速的一个领域。基本原理为将含有cryptophane分子的敏感膜涂覆于光纤表面或内部孔径，继而与甲烷或氯代甲烷等小分子接触时内部空腔被占使得光纤部分光学性质如折射率等发生改变从而将化学信号转变为直观的光信号而建立的一种分析研究方法，由于这种方法具有操作简单、制作成本低、灵敏度高等优点近年来倍受青睐[17]。

2 展望

卤代甲烷的识别检测一直受到生产及研究的广泛关注，近年来基于不同研究方法构建的cryptophane@卤代甲烷主客体分子为其检测提供了一个新的思路，通常能实现高灵敏度、低检测限以及较好的重现性的检测。随着科学的进一步发展，相信会有更多的新型cryptophane结构被设计合成，更多的先进设备和方法也将应用在这一领域中。