氨基甲酸酯型猪去氧胆酸分子钳的微波合成及其对卤素阴离子的识别*1

曾碧涛, 周黎军, 李相彪, 赵先明, 赵志刚

(1. 宜宾职业技术学院，四川 宜宾 644003; 2. 西南民族大学 化学与环境保护工程学院,四川 成都 610041)

具有对阴离子选择性识别的人工受体的设计合成已成为超分子化学前沿领域的研究热点之一[1]。近年来，多种不同的相互作用方式如静电作用，氢键作用，疏水作用及路易斯酸中心离子配位作用等，都被应用于阴离子受体化合物的设计合成工作中，其中氢键是重要的识别推动力。文献[2～5]报道了多种基于氢键作用的阴离子人工受体。为了具有强的识别作用和优良的识别选择性，人工受体中的氢键结构单元通常是连接在刚性的骨架上的。猪去氧胆酸因其具有刚性的凹面结构及固有的不对称性，是构筑分子钳人工受体的理想结构单元。

CompabcdeArC6H5-p-BrC6H4-m-NO2C6H4-p-NO2C6H4-p-MeOC6H4-

Scheme1

本文在微波辐射条件下，以猪去氧胆酸为隔离基，芳香胺为手臂，通过三光气桥连，合成了五个新型猪去氧胆酸分子钳(4a～4e, Scheme 1)，其结构经1H NMR, IR, MS和元素分析表征。紫外光谱滴定法的研究结果表明，4对卤素阴离子均具有良好的识别能力，选择顺序依次为I->Br->Cl-；主客体之间形成1 ∶1型超分子配合物，识别作用的主要推动力为氢键。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

X-4型数字显示显微熔点仪(温度计未经校正);Wzz-2B型自动旋光仪;TU-1901型紫外可见光谱仪;Varian INOVA-400 MHz型核磁共振仪(CDCl3作溶剂,TMS作内标);PERKIN-ELMER 1700型傅立叶变换红外光谱仪(KBr压片)；FINNIGAN-LCQ型质谱仪；Carlo-Erba-1106型元素分析仪；XH-100A型商用微波反应器。

所用试剂均为化学纯或分析纯;二氯甲烷经CaH2回流数天，反应前蒸出使用;吡啶经KOH干燥24 h，过滤，蒸馏收集114 ℃～116 ℃馏分。

1.2 合成

(1) 3α,6α-二羟基-5β-24-胆烷酸甲酯(1)的合成

(2) 4的合成通法

在三颈瓶中加入1 0.2 g(0.5 mmol),无水CH2Cl210 mL,三光气0.11 g(0.37 mmol)和无水吡啶0.2 mL,将三颈瓶置微波反应器中，装上配有干燥管的冷凝管，于100 W微波辐射回流反应10 min。冷却至室温，中间体2无需分离，直接加入芳胺(3a～3e) 1.5 mmol和吡啶0.2 mL，继续于100 W微波辐射回流反应15 min～20 min。蒸除溶剂，残余物用乙酸乙酯(30 mL)溶解，过滤，滤饼用乙酸乙酯(3×10 mL)洗涤，合并滤液和洗涤液，依次用10%NaHCO3溶液(3×20 mL)，饱和食盐水(3×20 mL)洗涤，无水Na2SO4干燥，减压蒸除溶剂，残余物经硅胶柱层析[梯度洗脱剂:V(CHCl3) ∶V(乙酸乙酯)=50 ∶1～20 ∶1]分离得4 。

4 的实验结果见表1，1H NMR, IR和MS表征数据见表2。

表 1 合成4的实验结果*Table 1 Experamental results of synthesizing 4

*4c和4d为浅黄色固体，其余为白色固体

表 2 4的表征数据*Table 2 Characteristic data of 4

2 结果与讨论

2.1 主客体超分子配合物的形成及其化学计量

固定主体4的浓度[c(4) 10-4mol·L-1～10-5mol·L-1],向主体的无水氯仿溶液中不断加入客体阴离子[X-,c(X-)变化范围10-3mol·L-1～10-4mol·L-1]。主客体充分作用达到平衡后,测定每组溶液的吸光度(A)。为消除客体在紫外区的干扰,采用相同浓度的客体氯仿溶液作参比。同时,为排除体积变化对A的影响,客体加入的总体积不超过100 μL。随客体的不断加入,主体的A呈规律性的上升或下降,典型的吸收变化见图1(以4e为例)，表明客体进入主体的裂穴并产生了识别配合作用。利用主体A的变化可以测定主客体形成超分子配合物的结合常数。若主客体间形成1 ∶1型超分子配合物,在客体浓度远远大于主体浓度时,即c(X-)≫c(4e), 根据修饰的Hildebrand-Benesi方程,以1/ΔA对1/c(X-)作图，可得一条直线(图2)。计算结果表明,所有主体与客体均形成1 ∶1型超分子配合物,其配合物的结合常数(Ka)和自由能变化[-ΔG0]见表3。

λ/nm图 1 4e·Br-氯仿溶液的UV谱图*Figure 1 UV spectra of chloroform solution of 4e·Br-*25 ℃, λmax=244.0 nm; c(4e)=2.16×10-5 mol·L-1; c(Br-)/mol·L-1依次为0, 1.28×10-3, 2.56×10-3, 3.84×10-3, 5.12×10-3, 6.40×10-3, 8.32×10-3, 1.02×10-4和1.28×10-4

1/c(Br-)0图 2 4e·Br-的1/ΔA-1/c(Br-)0曲线*Figure 2 1/ΔA-1/c(Br-)0 curve of 4e·Br-*测试条件同图1

从表3可以看出：(1)所有考察的主体对客体Cl-, Br-, I-均具有识别能力。主客体之间形成1 ∶1型超分子配合物，识别作用的推动力主要为卤素阴离子与酰胺氮氢之间的氢键作用，结合常数最高可达2.43×103L·mol-1。(2)主体分子钳4a～4e对所考察的客体阴离子的识别结合常数大小次序为：I->Br->Cl-。这种识别选择性的规律可以从形成氢键强弱方面来解释。主体4a～4e的裂穴空腔由两个大的臂和胆甾的α面所构成，孔穴较大，所有考察的客体均能被包结在裂穴内。由于I-的直径最大，其与主体裂穴的几何形状匹配互补刚好，形成氢的距离最短，作用最强，故结合常数最大；Br-的直径次之，与主体形成氢键的强弱居中，结合常数次之；而Cl-的直径较小，与主体裂穴尺寸匹配较差，形成氢键的距离最远，作用弱，因而结合常数最小。(3)主体分子钳结构的微小变化，对结合常数存在显著影响。例如：主体分子钳4c,4d手臂上的NO2分别位于苯环的间位和对位时，其对I-的结合常数分别为2 430.45 L·mol-1和317.68 L·mol-1，相差较大。这点充分说明主体手臂取代基的位置变化所带来的微环境效应对识别性能也产生重要影响。

表 3 [4+X-]的Ka和-ΔG0*Table 3 Ka and -ΔG0 of [4+X-]

*Ka:结合常数, -ΔG0:自由能变化;氯仿为溶剂，25 ℃

2.2 计算机分子模拟

4a的计算机分子模拟图见图3。由图3可见，4a的最低能量为钳形，主体的两个酰胺氮氢质子正好处于裂穴内，与进入裂穴的客体阴离子形成氢键作用。由于4a的裂穴较为开阔，所考察的三种阴离子均能充分进入主体裂穴，因而决定主体识别选择性的主要因素为主客体形成氢键的强弱。由于Cl-, Br-和I-的直径分别为3.34 Å， 3.64 Å和4.21 Å，其中I-的直径最大，形成氢键的距离最短，因而主体4a同I-形成的氢键作用最强，Br-次之，Cl-最弱，故结合常数大小次序表现为I->Br->Cl-，这与紫外滴定实验所得的结果完全吻合。

4a的最低能量构象图

[4a·I-]的最低能量构象图
图34a的计算机分子模拟图
Figure3Computer simulation diagram in4amolecule

2.3 4a·I-的1H NMR研究

为了进一步证明主体分子中的酰胺氮氢质子与客体阴离子之间确实形成了氢键作用，我们用1H NMR初步考察了主体4a·I-的识别配合作用，结果见图4。由图4可见，Bu4N+I-对主体分子钳4a质子化学位移的影响。在识别配合前，4a的两个-CONH质子的化学位移值为6.684和6.612，4a·I-的化学位移值为6.752和6.721，分别向低场移动了0.068和0.109，这充分说明了主体的酰胺氮氢同客体I-之间形成了较强的氢键作用。

δ δ图 4 4a and complex 4a·I-的1H NMR谱图*Figure 4 1H NMR spectra of 4a and 4a·I-*以CDCl3为溶剂

3 结论

合成了五个新型猪去氧胆酸分子钳(4a～4e),4a～4e对所考察的阴离子均有识别作用，主客体间形成1 ∶1型超分子配合物，识别作用的推动力主要来自于主体与客体之间的氢键作用。同时主体侧臂上取代基的变化所导致的微环境差异、主体与客体在尺寸和形状上的匹配均对识别有重要的影响。

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