1、第八章 以葫蘆脲為受體的 的分子識別與組裝,葫蘆脲類主體物質(zhì),葫蘆脲的分子填充模型及傳統(tǒng)木桶外型的類比,8.1 葫蘆脲結(jié)構(gòu),8.2 葫蘆脲的發(fā)現(xiàn),1905 年Behrend （德國）等利用甲醛和苷脲(尿素和乙二醛的縮合物) 在酸性條件下縮合成環(huán)制得一種新的大環(huán)化合物,當(dāng)時分析結(jié)果確定結(jié)構(gòu)為:C10H11N7O4.2H2O，后來發(fā)現(xiàn)其為錯誤結(jié)果。 但是該化合物對強酸、強堿均十分穩(wěn)定。 盡管未確定其結(jié)構(gòu),他仍制備了一系列的金屬加合物,元素分析結(jié)果表明得到了水合物。 1981 年Freeman 等重新研究此反應(yīng)，得到了一種無色晶狀化合物，由X-射線衍射分析，確定其結(jié)構(gòu)為(C6H6N4O2)6。它是一

2、種具有空腔的桶狀大環(huán)，頂部和底部兩端為羰基氧。因其形狀酷似葫蘆(Cucurbitaceae)，故Freeman 等提議用葫蘆脲(Cucurbituril，簡稱CB) 命名這種大環(huán)化合物，由于其系統(tǒng)命名太復(fù)雜，該俗名目前已被學(xué)術(shù)界廣泛接受和使用。,8. 3 葫蘆脲合成,葫蘆脲的合成路線,苷脲,Day 等詳細(xì)研究了酸催化合成葫蘆510脲中的反應(yīng)機理以及酸的類型、酸的濃度、反應(yīng)物濃度、反應(yīng)溫度等對產(chǎn)物分配的影響。 結(jié)果表明，H2SO4 最有利于葫蘆6脲的生成，其次是TsOH 和HCl，隨著H2SO4 濃度的降低，葫蘆6脲在產(chǎn)物中的比例降低。而以HCl 催化時，最佳反應(yīng)溫度是100。,Synthesi

3、s of CB6 and CBn homologues,Chem. Commun., 2009, 619629,Synthesis of free CB10,由于葫蘆脲的高度穩(wěn)定性，其衍生化一直是一個懸而未決的問題。 2003 年Kim 等在85水溶液中用K2S2O8 將葫蘆6脲處理 6 hrs，結(jié)晶得到了全羥基化葫蘆6脲，收率45，可與鉑離子成絡(luò)合物。這是第一次實現(xiàn)葫蘆脲的直接官能團(tuán)化，從而使葫蘆脲進(jìn)一步衍生化成為可能，且該葫蘆脲衍生物具有良好的溶解性，大大擴展了葫蘆脲的應(yīng)用前景。,葫蘆n脲的直接衍生化,X-射線晶體衍射圖證實羥基位于葫蘆脲骨架結(jié)構(gòu)的外圍 該反應(yīng)機理目前還不十分清楚.但有人提

4、出了過硫酸鉀氧化機理：緩慢釋放出H2O2. 提純：丙酮擴散，重結(jié)晶 采用類似的方法可以得到葫蘆5,7,8脲的衍生物。,化合物7 在NaH 的存在下與烯丙基溴化物反應(yīng)得到烷基化衍生物8，而8 可繼續(xù)與硫醇反應(yīng)得到10，7 也可以與丙酸酐在三乙胺的作用下得到?；苌?。,Pathway to CB6 involving stepwise addition of glycoluril monomer 1,寡聚葫蘆脲合成,Step-growth cyclo-oligomerization route to ns-CBn,8. 4 葫蘆6脲晶體結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)參數(shù),Chem. Commun., 2009

5、, 619629,葫蘆n脲結(jié)構(gòu)參數(shù)比較,CBn with odd n (n = 5, 7) are nicely soluble in neutral water whereas CBn with even n (n = 6, 8, 10) are poorly soluble. Fortunately, CBn exhibit good aqueous solubility under acidic conditions or in the presence of certain metal cations (e.g. Na2SO4) and many CBn guest complexes

6、 exhibit good solubility in water,葫蘆脲水溶性,固態(tài)葫蘆脲具有很高的熱穩(wěn)定性，葫蘆5, 6, 8脲加熱到420仍不分解，而葫蘆8脲在HCl 中100下持續(xù)加熱會轉(zhuǎn)化為較小的葫蘆脲。 通過環(huán)張力能計算，發(fā)現(xiàn)葫蘆6脲最穩(wěn)定，葫蘆7脲略差一些 (環(huán)張力能約4.2 kJ/mol)，而葫蘆5, 8 脲則要差的多 (環(huán)張力能25.2 kJ/mol)。 葫蘆脲具有剛性結(jié)構(gòu)，能夠與分子和離子形成高選擇性和穩(wěn)定性的配合物，從而在超分子化學(xué)中有著極其重要的應(yīng)用。全羥基化葫蘆6脲的尺寸與葫蘆6脲相當(dāng)，可以溶于DMSO、DMF 等溶劑，最重要的是羥基可以進(jìn)一步衍生化，而具有巨大的應(yīng)用

7、潛力。,葫蘆n脲結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性比較,8.5 葫蘆脲的分子識別,葫蘆脲是一類擁有內(nèi)腔的大環(huán)穴狀配體，其疏水內(nèi)腔和由極性羰基基團(tuán)形成的端口，使其具有極強的高度專一的主客體鍵合能力。 Mock對葫蘆6脲作為合成受體鍵合客體分子的性質(zhì)進(jìn)行了廣泛的研究。由于葫蘆脲同系物空腔和端口尺寸隨著縮合數(shù)的增大而增大，從而可以鍵合各種大小不同的分子和離子。,8.5.1 脂肪銨離子的識別,Freeman報道，酸性溶液，加入一倍量的葫蘆6脲可以使脂肪胺的甲基質(zhì)子信號移向高場0.6-1.0 ppm,說明兩者形成配合物。其中脂肪胺的陽離子端與葫蘆脲的羰基偶極的負(fù)端鍵合，而輸水客體端基則穿入空腔，相對于溶劑酸性水環(huán)境而言，葫蘆脲

8、空腔為質(zhì)子屏蔽區(qū)，因此位于內(nèi)腔的質(zhì)子呈現(xiàn)較大的化學(xué)位移變化。這歸因于主體分子12脲羰基的磁各向異性。 Mock和Shil等進(jìn)一步詳細(xì)研究了葫蘆脲與各類脂肪銨離子在酸性溶液（甲酸溶液）中的相互作用，可通過1H-NMR和紫外光譜監(jiān)測。 如：向異丁基胺（(CH3)2CHCH2NH2的稀甲酸溶液中加入葫蘆脲，導(dǎo)致脂肪胺甲基質(zhì)子譜的減弱，伴隨著另一個兩重峰的出現(xiàn)，推測配合物計量比為1：1。,葫蘆6脲與各類胺配合物的離解常數(shù),(a) Structure of the CB6.9n=6 complex, and (b) plot of log Ka versus chain length for 9n.,(

9、9n = H3N(CH2)nNH3),從上表看出： (1)數(shù)據(jù)中離解常數(shù)均較低，說明葫蘆脲對這些胺均有極高的親合力。 (2)葫蘆6脲可包結(jié)分子尺寸為0.5 nm的多亞甲基鏈。對正烷基胺的包結(jié)配位穩(wěn)定性為：1 5 6 7,正丁胺最穩(wěn)定?？赡苁撬膫€碳鏈的正丁胺能完全充滿葫蘆脲空腔。更長的鏈則深至第二個端口外，影響其穩(wěn)定性。 對于二胺，情況與此類似，烷基鏈含4-6個碳時，穩(wěn)定性最好。 （3）小的環(huán)烷基也能被包結(jié)，環(huán)丁基甲胺環(huán)及環(huán)戊基甲胺最佳，甚至超過正丁胺。環(huán)烷基甲胺離子比相應(yīng)的環(huán)胺離子容易被包結(jié)，后者因為立體因素銨離子被拖離極性的羰基而移向空腔中部，影響其穩(wěn)定性。 （4）環(huán)己烷分子尺寸太大，不能被

10、包結(jié)。,（5）苯環(huán)是葫蘆6脲包結(jié)尺寸的上限，盡管苯環(huán)分子尺寸略大于葫蘆脲空腔，但仍可被包結(jié)。 如：對位取代苯衍生物可被包結(jié)，而鄰位或間位則不能，立體位阻起了主導(dǎo)作用。其中對位取代苯包結(jié)后，其主體籠形結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變形。因此多數(shù)芳胺的配合物穩(wěn)定性均較弱。 與環(huán)胺不同，在苯環(huán)與銨離子間引入一個亞甲基，其穩(wěn)定性顯著下降，因為苯環(huán)占滿空腔，引入亞甲基會使銨離子遠(yuǎn)離羰基，影響其穩(wěn)定性。 （6）銨離子可與葫蘆脲端口6個羰基交替形成三個氫鍵，。小分子胺有利于形成這種氫鍵，但是較大客體分子， 則因為碳鏈完全占據(jù)空腔，對稱性氫鍵會迫使分子采取不利于主客體相互作用的構(gòu)象。根據(jù)結(jié)構(gòu)模型發(fā)現(xiàn)，氮上兩個氫質(zhì)子形成氫鍵，而

11、另一個伸向外腔。,Values of Ka (M1) for hostguest complexes of CB6CB8 with various guests,CB6CB8對其他有機胺分子的識別,Kinetic and thermodynamic self-sorting,The half-life for dissociation of CB6.25 is 26 years approximately 100-fold slower than avidin biotin,pH 調(diào)控包結(jié)模式,High values of Krel with CB7 and CB8,8.5.2 有機染料客體,

12、大小適合的染料分子與葫蘆脲可形成比較穩(wěn)定的包結(jié)配合物。由于眾多染料分子疏水性較強，可與葫蘆脲空腔產(chǎn)生疏水相互作用非線形染料分子必須變形，以適合葫蘆脲的剛性腔體。線形分子如苯酚藍(lán)與葫蘆脲（Ks= 93dm3/mol） 的包結(jié)配位比-環(huán)糊精（Ks = 1.3 dm3/mol）穩(wěn)定.,酸性條件下苯酚藍(lán)易于分解形成苯醌和對位二取代的苯胺。葫蘆脲的包結(jié)配位使其穩(wěn)定性大增，如在0.10 mol/dm3 鹽酸溶液中其分解速率很低，苯酚藍(lán)半衰期為7小時，而無主體 僅3分鐘，-環(huán)糊精存在時也僅為7分鐘。,有些極性很強的分子，在水中溶解度很好，如骨螺紫為有4個電負(fù)性氧的銨離子，雖可能與葫蘆脲的極性羰基端口存在相互

13、作用，但在酸性溶液中沒有觀察到穩(wěn)定化作用，說明其沒有進(jìn)入主體空腔。,尺寸匹配對包結(jié)配位影響極大,Neugebauer和Knoche利用吸收光譜法研究了葫蘆脲與4-氨基-4-硝基偶氮苯（分散橙3， DO3）和4,4-二氨基偶氮苯（Diam）在鹽酸水溶液中的包結(jié)配位熱力學(xué)和動力學(xué)特性。 研究發(fā)現(xiàn)葫蘆脲與偶氮染料形成1：1配合物， 在酸度 1mol / dm3 以下時，DO3與葫蘆脲按下式進(jìn)行分步配合反應(yīng) 。,第三步為控速步。兩種染料均可與葫蘆脲形成穩(wěn)定配合物。 葫蘆脲對染料的包結(jié)在紡織工業(yè)中有重要研究意義。,1 : 2 host : guest complexe,8.5.3 金屬離子,葫蘆脲對金屬

14、離子的包結(jié)目前研究相對較少,Buschmann等報道了在水溶液中葫蘆脲對堿金屬離子和其他陽離子的配合作用。 葫蘆脲在純水中溶解度極低，因此采用了含有不同金屬離子濃度的飽和溶解法。主客體間形成了化學(xué)計量比1：2的配合物。因為兩個金屬離子鍵合點位被剛性空腔隔開，第一個陽離子的鍵合不會影響第二個陽離子的鍵合，所以Ks,1和Ks,2基本相當(dāng)。,葫蘆脲與金屬離子的配位是基于葫蘆脲羰基基團(tuán)對電荷稠密的陽離子是優(yōu)良的給體，其與金屬離子的配位優(yōu)于冠醚。 葫蘆脲剛性結(jié)構(gòu)阻止配位過程的構(gòu)型變化，因此所有給電子原子均處于一個平面，有利于鍵合。 羰基鍵較之醚鍵，極性更高，對鍵合有利。 葫蘆脲與18冠6 比較，前者與陽

15、離子的鍵合能力更強。 葫蘆脲與（2，2，2）穴醚對金屬陽離子的鍵合能力相當(dāng)，配合物常數(shù)（除H+, K+ 外）均處于同一數(shù)量級，甚至葫蘆脲更高。（K+半徑 0.138 nm與穴醚0.14 nm匹配理想，因此（2，2，2）穴醚與K+的配位穩(wěn)定常數(shù)優(yōu)于葫蘆脲。,Knoche和Buschmann以對甲芐胺離子（MBAH+)作為指示劑測定了堿金屬離子和銨離子與葫蘆脲的包結(jié)配位作用。 結(jié)果表明：葫蘆脲與金屬離子形成1：1和1：2 配合物，前者占主導(dǎo)地位。后者只有在金屬離子濃度很高時才形成，可能是同性離子存在靜電排斥作用。 Na+半徑為0.102nm與葫蘆脲端口直徑0.40nm差別較大，尺寸并不匹配，但其形

16、成的配合物最為穩(wěn)定，由此推測，溶劑分子可能參與配位過程。,葫蘆脲與一些陽離子的配位穩(wěn)定常數(shù)（lgKs）與離子半徑對應(yīng)圖,Kim等通過向溶于0.2 mol/dm3 硫酸鈉水溶液的葫蘆脲中擴散乙醚的方法得到葫蘆脲與鈉離子形成配合物的單晶，X-射線研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，每個端口分別有兩個鈉離子和五個水分子與羰基作用，形成“蓋”式結(jié)構(gòu)，而葫蘆脲的空腔還包結(jié)了3個水分子?；瘜W(xué)式為： C36H36N24O12)Na4(H2O)10.3(H2O)(SO4)2.10H2O 向此溶液中加入四氫呋喃后，觀察到THF在葫蘆脲空腔的核磁信號。單晶衍射表明THF取代了空腔內(nèi)的水分子。鈉離子與水分子的結(jié)構(gòu)沒有變化。,葫蘆脲銫配合

17、物作為主體分子包結(jié)和釋放四氫呋喃客體分子,將硫酸鈉換為氯化銫，Kim等發(fā)現(xiàn)葫蘆脲每側(cè)端口僅通過四個羰基結(jié)合一個銫離子，形成類似上面鈉離子的蓋式配合物。此時葫蘆脲空腔則僅有一個水分子。 向其中加入THF分子，同樣觀察到THF進(jìn)入空腔的信號，晶體結(jié)構(gòu)表明一個銫離子被包結(jié)在端口，而一個THF包結(jié)到葫蘆脲空腔。 而當(dāng)加入酸后，離子和THF分子分別從葫蘆脲端口和空腔解離出來。 因此可通過改變?nèi)芤核釅A度來控制葫蘆脲對底物分子的配位作用，為人工受體可逆地結(jié)合模型底物提供了成功的范例。,葫蘆8脲與Cu(環(huán)胺)(H2O)2+的配合物,包結(jié)在葫蘆8脲中的環(huán)胺，其內(nèi)部還可以再結(jié)合Cu2+等金屬離子，形成Cu(cyc

18、len)(H2O)2+，Cu2+處于5 個配位鍵的中心，水分子被鍵合在環(huán)胺中軸線的上方，并略有傾斜。環(huán)胺與外部葫蘆脲大環(huán)幾乎平行，二者平面之間存在4傾角。圖 是其X 射線晶體衍射圖樣。,8.5.5 其他客體分子,Kim等發(fā)現(xiàn)MV2+/葫蘆8脲的1：1 配合物氧化失去一個電子，迅速產(chǎn)生2：1 配合物(MV+)2 /葫蘆8脲11，MV+二聚化常數(shù)約為2107(Lmol-1)，比MV+單獨在水溶液中高105倍。 雖然該機理尚不明確，但為研究用電化學(xué)控制的分子機器提供了幫助。,(MV+)2/葫蘆8脲配合物配比的變化,Jeon 等發(fā)現(xiàn)缺電子的二甲基紫精陽離子(MV2+)與富電子的2,6-二羥基萘(DHN

19、p)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移作用，能與葫蘆8脲形成穩(wěn)定的1:1:1 包合物 12 ，CB8-DHNp-C1VC122+ （12a）(或C1VC162+ ，12b) 。12a (12b)具有雙親性，可自發(fā)形成巨囊，透射電鏡(TEM)圖像顯示巨囊直徑約為20 nm。通過氧化還原反應(yīng)會破壞電子轉(zhuǎn)移體系，導(dǎo)致囊坍塌。這種獨特的囊有許多潛在的應(yīng)用價值，如開發(fā)智能材料。,葫蘆8脲三元配合物,Ong將紫精(4,4-二吡啶)通過共價鍵連接在以羧基為終端的樹枝狀多胺的焦點處，得到(多胺3-V2+)13，再以13 為客體分子與葫蘆7脲在水溶液中反應(yīng)得到配合物14。樹枝狀多胺內(nèi)部有一定的空腔，也可以包結(jié)客體分子，廣泛用作主體分

20、子，并可用于藥物輸送26，而在此處用作客體，卻較為少見。,樹枝狀客體分子與葫蘆7脲的配合物,Miyahara 等研究發(fā)現(xiàn)小的氣體分子如He、Ne 和H2 (分子直徑分別為2.60、2.89 和2.75 )可自由出入十甲基葫蘆5脲，另一方面, 大的氣體分子如Kr、Xe 和CH4 (分子直徑分別為3.60、3.96 和3.80) 則沒有顯著吸收，中等大小的氣體分子如N2、N2O、CO2 等則可被反復(fù)吸附或釋放。 NMR 以及X 射線晶體衍射圖表明氣體分子在葫蘆脲空腔內(nèi)鍵合。 Miyahara將CO2 含量為5 (vol)%的空氣循環(huán)通過十甲基葫蘆5脲粉末，1h 后CO2 的濃度降為0.01 (vo

21、l) %，且該葫蘆脲可以在較低溫度下(110)再生，在控制溫室氣體領(lǐng)域有一定的應(yīng)用價值。,葫蘆脲同系物與相應(yīng)客體,8.6 超分子催化,1983年 Mock報道了葫蘆脲對有機銨離子的包結(jié)配位作用，隨后研究了對1，3-偶極環(huán)加成的催化作用。發(fā)現(xiàn)在葫蘆脲的存在下，反應(yīng)明顯加速，為原反應(yīng)5.5104倍。 Mock詳細(xì)考察了RN H2+CH2C=CH和RNH2+CH2CH2N3 (R = H, t-Bu)在葫蘆脲催化下的環(huán)加成反應(yīng)，認(rèn)為在葫蘆脲催化體系中其可以包結(jié)兩個底物，使環(huán)加成在空腔內(nèi)進(jìn)行。,由于底物在葫蘆脲空腔中的取向，催化產(chǎn)物近為1,4-加成產(chǎn)物。反應(yīng)過程中，能形成二元或三元包結(jié)配合物，相互之間

22、達(dá)到平衡。 R = H, 從葫蘆脲和兩反應(yīng)物形成三元配合物到葫蘆脲和產(chǎn)物的配合物轉(zhuǎn)化速率是未催化時的5.5104倍，產(chǎn)物從葫蘆脲空腔解離是一個慢過程，為控速步，實際催化速率提高了4.9102倍；R= t-Bu-時，叔丁基尺寸過大導(dǎo)致其產(chǎn)物不能解離。得到類似于輪烷的組裝體。,環(huán)加成配合物中間體的結(jié)構(gòu)推測,Kim 等研究了兩分子反-4,4-二氨基茋的鹽酸鹽(DAS) 在葫蘆8脲中發(fā)生高立體選擇性的2+2光反應(yīng)。通常反式DAS 在紫外光照射下會異構(gòu)化為順式DAS(18)。但是在葫蘆8脲的存在下，它會在異構(gòu)化反應(yīng)發(fā)生前迅速與反式DAS 生成1:2 的主客體配合物，當(dāng)兩分子DAS 取向相同時發(fā)生光致環(huán)化

23、反應(yīng)，生成構(gòu)型保持的二聚體。這表明合理的設(shè)計可使客體分子的雙分子反應(yīng)具有高的區(qū)域和立體選擇性。,反式DAS 在葫蘆8脲中的立體選擇性22光反應(yīng),Cucurbituril Adamantanediazirine Complexes and Consequential Carbene Chemistry,J. Org. Chem. 2012, 77, 51555160,Structures of host cucurbiturils CB7, CB8, palladium nanocage (PdNC), and guest molecules adamantanediazirine and it

24、s derivatives,Partial 1H NMR spectra of: (a) 1a in D2O, (b) 1aCB7 in D2O, (c) 1aCB8 in D2O, and (d) 1aPdNC in D2O.,Inclusion complexes of the antitumour metallocenes Cp2MCl2 (M = Mo, Ti) with cucurbitnurils,Dalton Trans., 2008, 23282334,Hydrolysis chemistry of molybdocene dichloride (1) and titanoce

25、ne dichloride (2) showing the major species present at physiological pH. The structure of the exact species in an aqueous solution is dependent on concentration, pH and salt. Cp2MCl2(aq) is used to refer to solutions in the text.,1H NMR spectra of (A) an aqueous solution of molybdocene dichloride (1

26、, 10 mM, D2O, pD = 2) and in the presence of Q7 (B) 0.5 equiv. and (C) 1.0 equiv.,1H NMR spectra of the multi-stepped titration of a 2.1 mM molybdocene dichloride D2O solution (pD = 2) by Q7, demonstrating the monomeric aquated form 1a encapsulated in preference to the dimeric form 1b to form Q71a.

27、Oxygen was excluded from all solutions and vessels by gassing with argon, but residual amounts of oxygen entered the experiment at each manipulation, causing the formation of Q7*. Q7* caused peaks 1a and 1b to broaden and move later in the experiment, as the Q71a peak was not affected.,1H NMR spectr

28、um of Cp2TiCl2(aq) (2, 2 mM) at pD = 2 and in the presence of 1 equiv. of Q7 (middle spectrum) and Q8 (top spectrum).,No degradation of either Q7 or Q8 was observed in the titration experiments of aqueous solutions of titanocene dichloride.,Graph showing the effect of Q7 and Q8 on the rate of reacti

29、on of Cp2TiCl2(aq) (2) in phosphate buffer at pD 7.0. Values were obtained by integration of the Ti-bound Cp signal relative to the Q signals.,Hyperchem models illustrating the encapsulation of the aquated forms of molybdocene dichloride, Cp2Mo(OH)(OH2)+ (1a, left) and titanocene dichloride, Cp2Ti(O

30、H)2 (2b, right) present under physiological conditions in Q7.,輪烷（包含互鎖的“輪”和“軸”分子）在超分子化學(xué)和納米技術(shù)中，扮演著重要的角色。因為“輪”分子能夠在“軸”分子進(jìn)行可控制的運動，通常輪烷分子能夠被制備一個準(zhǔn)輪烷分子。 在輪烷或者準(zhǔn)輪烷的形成過程中，CBn分子的環(huán)狀結(jié)構(gòu)及其鍵合特性表明，它可以作為“輪”分子。 文獻(xiàn)所報道的所有CBn的配合物包括輪烷、聚輪烷、聚準(zhǔn)輪烷等都是首先以CBn的準(zhǔn)輪烷為原材料得出。,準(zhǔn)輪烷、輪烷、聚輪烷,8.7 葫蘆脲超分子組裝,Kim 利用二吡啶基二胺類型客體分子與CB6形成穩(wěn)定的準(zhǔn)輪烷，并通過加入不同的金屬離子，構(gòu)筑了多個配位鍵聯(lián)