甲氧基柱[5]芳烃与溴代小分子的主-客体络合行为研究

李灿花,杜 瑶,杨云汉,罗建萍,古 捷,鲁佳佳,杨丽娟,2，钏永明,2

(1.云南民族大学 化学与环境学院，云南 昆明 650500；2.云南民族大学 生物基材料绿色制备技术国家地方联合工程研究中心 云南省高校智能超分子化学重点实验室，云南 昆明 650500)

主-客体化学是超分子化学研究的重要组成部分，而大环化合物作为超分子化学的关键参与者，它的发现促进了该领域的飞速发展.柱芳烃作为新型大环化合物首次于2008年被Ogoshi报道[1]，它是由对苯二酚及其衍生物通过亚甲基桥连而成的环状低聚物，具有独特的刚性疏水空腔结构，是继冠醚[2]、环糊精[3-6]、杯芳烃[7]、葫芦脲[8]后的新型大环主体化合物.

柱芳烃因具有独特的柱状结构、可选择性的修饰基团以及具有良好的富电子空腔等特点[8]，近年来在分子识别[7-9]、分子功能材料[9-10]和药物转运[11]等方面广泛应用.自柱芳烃发现以来，不同客体小分子与柱芳烃的主客体络合行为被广泛报道，例如2008年，Ogoshi报道了不同柱芳烃与紫精衍生物的主-客体络合行为，发现水溶性柱[5]芳烃的络合行为更为显著[1].2010年，黄飞鹤等[6]课题报道了二异丁基柱芳烃与十烷基三乙基六氟磷酸铵能形成 1∶1 的主客体络合物, 而柱[5]芳烃则由于内腔较小难以形成络合物[12].2011年，李春举报道了柱芳烃与中性二咪唑分子的络合行为[13].2015年，魏太保课题组报道了水溶性季铵盐柱[5]芳烃与多种脂肪羧酸的络合行为[14]，随后又报道了DMP5A与苯并咪唑杂环化合物的主-客体络合行为[15].迄今为止，有关柱芳烃主客体络合行为的研究，客体分子的选择主要集中线型分子和含有咪唑环、吡啶环的有机阳离子等较多.

本文选用制备方法简单的甲氧基柱[5]芳烃(DMP5A)作为主体分子，2-溴溴苄(G-1)和2,4′-二溴苯乙酮(G-2)作为客体分子.通过紫外可见光谱、红外光谱和核磁共振等波谱分析方法，研究了DMP5A分别与G-1和G-2之间的主-客体络合行为.

1 实 验

1.1 仪器与试剂

仪器：Bruke Avance DRX 500核磁共振仪(瑞士布鲁克公司)；8453型紫外-可见分光光度计(美国安捷伦公司)；FTIR Thermo Nicolet IS10型红外光谱仪(美国尼高力公司).

试剂：2-溴溴苄，2, 4′-二溴苯乙酮，均为市售分析纯试剂，DMP5A参照文献[16]合成.

图1 甲氧基柱[5]芳烃与溴代小分子G-1、G-2的结构

1.2 实验方法

1.2.1 Job曲线的绘制

采用等摩尔连续变化法[17]分别确定了DMP5A与2种溴代小分子(G-1、G-2)的络合比.首先分别配制系列主体与客体储备液各 50 mL，维持总浓度为1×10-5mol/L，使DMP5A与溴代小分子的摩尔比在0～1内变化[17-19]，在最大吸收波长 295 nm 处测定吸光度.

1.2.2 紫外-可见光谱滴定

固定DMP5A的浓度为5×10-6mol/L，分别配制不同浓度梯度的G-1与G-2溶液，测定紫外-可见吸收光谱.所有实验平行测定3次.

1.2.3 络合物的红外光谱测定

将DMP5A与2种溴代小分子置于红外灯下干燥 30 min，按照质量比1∶100的比例分别将待测样品与KBr均匀混合并研磨制成粉，采用压片法将其制备成薄片后测定红外吸收光谱.

1.2.4 络合物的一维、二维核磁共振氢谱测定

分别将一定量的DMP5A/G-1、DMP5A/G-2溶于CDCl3，在工作频率为 500 MHz，温度为 25 ℃ 的条件下，分别测定其一维核磁共振氢谱(1H NMR)、二维核磁共振氢谱(NOESY).

1.2.5 分子对接

DMP5A的结构取自剑桥晶体数据库，2种溴代小分子的结构由Gaussian View构建.采用PM3半经验方法对主-客体络合物结构进行全优化，经计算后发现并未产生虚频，表明优化后的主-客体络合物结构达到最稳定构型.随后，使用Auto Dock Tools对DMP5A添加极性氢原子后作为受体，格点盒子尺寸为 0.3 nm×0.3 nm×0.3 nm，格点间距为 0.375 nm，将DMP5A的几何中心作为与格点盒子中心重合，2种溴代物小分子作为配体，使用AutoGrid计算其格点能量图后，由AutoDock 4.2执行50次的构象搜索，聚类分析后得到其对接结果[20].

2 结果与讨论

2.1 Job曲线的绘制

以吸光度差值×比例系数(ΔA×XGuest)为纵坐标，比例系数(XGuest)为横坐标绘制Job曲线，根据曲线最高点对应的XGuest可判断主-客体络合物的络合比，若最高点为0.33、0.5、0.67或0.75时，则主客体之间形成络合物的络合比分别为2∶1、1∶1、1∶2 和1∶3.由图2可知，曲线的最高点对应的XGuest为0.5，由此推断出主-客体之间以1∶1形成络合物.

图2 DMP5A与溴代小分子G-1、G-2的Job曲线

2.2 紫外-可见光谱滴定

溴代小分子G-1、G-2与DMP5A的紫外-可见光谱滴定如图3所示.溴代小分子G-1、G-2的线性方程相关系数列于表1.从图3可看出，随着溴代小分子G-1与G-2浓度的增加，主体吸光度有规律的逐渐增加.

为了确定DMP5A与G-1、G-2的结合常数，用氯仿配制了DMP5A和G-1、G-2的母液.DMP5A的浓度保持5×10-6mol/L 不变，加入不同浓度的G-1、G-2，通过紫外光谱检测吸光度变化情况.然后通过非线性拟合的方法，得到DMP5A与G-1、G-2的结合常数[21].

图3 DMP5A与溴代小分子(A)G-1和(B)G-2的紫外光谱滴定

表1 DMP5A与溴代小分子G-1、G-2的线性方程与R2值

非线性拟合方程如下：

其中,A0为DMP5A的吸光度，A∞为溴代小分子浓度最大时的吸光度，K为络合常数，C为客体的浓度.

2.3 络合物的 FTIR 结果分析

DMP5A、G-1、G-2、DMP5A/G-1和DMP5A/G-2的红外吸收光谱如图4所示.从DMP5A的红外光谱图可知，2 870 cm-1处为甲基上C—H的伸缩振动，而 2 925、2 827 cm-1处则为亚甲基的伸缩振动.3 010 cm-1处为苯环上C—H键的伸缩振动，而910～665 cm-1处的红外吸收峰为苯环上C—H键的面外弯曲振动，其面内弯曲振动则在 1 250～1 000 cm-1处.

图4 DMP5A、G-1、G-2、DMP5A/G-1和DMP5A/G-2的红外吸收光谱

由DMP5A/G-1的红外光谱图可看出，主体DMP5A在 3 030 cm-1处的苯环的特征峰明显减弱，客体G-1在 1 020.14 cm-1处的吸收峰红移，揭示了溴代小分子与DMP5A存在不同程度上的络合作用.从DMP5A/G-2的红外光谱图看出，G-2分子在 1 696.27 、1 581.90 cm-1处为羰基上的吸收峰，545.91 cm-1处是C—Br键的红外吸收峰，与主体DMP5A络合后，G-2分子羰基上 1 696.23、1 582.05 cm-1处的振动吸收峰明显减弱.主体 2 978 cm-1处的吸收峰发生了红移，苯环取代产物在 806.50 cm-1处的吸收峰也显著减弱，并新增了 1 483.32、1 186.60、1 033.06 cm-1的吸收峰.以上结果表明，主体DMP5A与溴代小分子G-1、G-2都形成络合物.

2.4 核磁共振分析

采用核磁共振[21-22]进一步研究了DMP5A与G-1、G-2之间的络合行为.使用CDCl3作为溶剂，按照摩尔比1∶1将DMP5A与G-1、G-2分别混合后测定其1H NMR.络合前后客体分子与DMP5A的化学位移变化见表2所示，G-1和G-2的质子位置变化如图1所示.

表2 DMP5A、DMP5A/G1、DMP5A/G2的

从表2可看出，主体分子DMP5A与G-1络合后，DMP5A的质子H-2、H-3均向高场方向移动，溴代小分子G-1的质子H-a、H-d、H-e均发生显著变化，说明G-1与DMP5A间存在着主-客体相互作用.DMP5A与G-2络合后，DMP5A的质子H-1、H-2均向低场方向移动，G-2的质子H-c明显向低场方向移动.上述结果证实了主体DMP5A分别与客体G-1、G-2之间形成络合.

采用NOESY研究了DMP5A与G-1和G-2的络合模式，见图5.从图5A看出，DMP5A的亚甲基质子H-2与G-1分子上的亚甲基质子H-e有强相互作用.从图5B可看出，DMP5A中的亚甲基质子H-1与溴代小分子G-2中的质子H-c、H-a相互作用，说明宿主DMP5A与溴代物G-2形成了络合物.以上分析结果表明，DMP5A/溴代小分子络合物的形成.

图5 在CDCl3中以1∶1摩尔比混合DMP5A和溴代小分子(A)DMP5A/G-1和(B)DMP5A/G-2的NOESY谱

2.5 分子对接结果分析

通过AutoDock4.2软件将溴代小分子G-1～G-2分别对接到DMP5A的空腔中，对接后得到的成簇分析及结合能如表3所示.在50次对接结果中，最优势构象的对接模式如图6所示，DMP5A与G-1共有29个对接构象形成最优势构象簇，21个对接构像形成了第2优势构象簇，G-1分子完全进入到了DMP5A的空腔内，说明G-1与DMP5A空间匹配度良好，可以形成较好的主-客体络合物.

DMP5A与G-2共有17个对接构象形成最优势构象簇，33个对接构像形成了第2优势构象簇， G-2分子侧链位于主体的空腔内部，其余部分裸露在外，说明G-2与DMP5A空间匹配度良好，能形成的主-客体络合物，此对接结果与核磁共振结果相吻合.

表3 DMP5A与溴代小分子G-1、G-2

图6 簇1中DMP5A与2种溴代小分子G-1、G-2对接的最小优势构象

4 结语

本论文研究了DMP5A与2种溴代物小分子间的络合行为，通过等摩尔连续变化法证明主-客体的络合比均为1∶1.紫外-可见光谱滴定表明，随着溴代小分子浓度的增加，吸光度呈规律性增强.主-客体红外吸收光谱的变化，证明了主-客体之间形成络合.1H NMR质子化学位移的变化和NOESY谱的H-H相关进一步表明溴代小分子对接到了DMP5A的空腔，分子对接模拟结果与实验结果一致，证明主-客体络合成功.