基于氢键的阴离子识别主体分子的研究进展

李勇军刘辉彪　李玉良

(中国科学院化学研究所有机固体院重点实验室，北京100190)

基于氢键的阴离子识别主体分子的研究进展

李勇军＊刘辉彪李玉良

(中国科学院化学研究所有机固体院重点实验室，北京100190)

阴离子在生物学、医学、催化以及环境等方面逐渐得到广泛认识与重视，阴离子受体研究在跨膜离子输运、化学传感、模拟酶催化有机化学反应等方面亦有光明的应用前景。本文根据酰胺、脲与硫脲、吲哚吡咯、三氮唑、铵盐、胍盐、咪唑、羟基等不同的氢键单元，总结基于氢键的阴离子识别主体分子的研究进展。

阴离子识别；主体分子；氢键

0　引言

1968年杜邦公司的Park和Simmonds报道了一系列大二环主体分子1的卤素阴离子的络合性质[1]。当该大二环的桥头氮原子质子化后，卤离子可以结合到其大二环的空腔内。并通过X射线晶体结构的测定得以确定，这成为阴离子被大环主体结合的第一例。而就在几乎同期，Pedersen报道了他的划时代结果，关于二苯并[18]冠6配位阳离子的行为[2]，这两大划时代的成果标志着现代超分子化学的开始。

图1　大二环主体分子1的结构Fig.1　Molecular structure of macrobicyclic amine 1

虽然键合阴离子和阳离子的人工合成受体分子几乎是在同一时间被发现的，但是与阳离子和中性分子主体相比较，非共价键阴离子配位化学的发展速度则较为缓慢，这主要是由于：阴离子半径相对较大，要求受体比阳离子受体的半径要大。阴离子的形状几何构型多样，有球形(卤离子)、线形(SCN-、N3-),平面(NO3-、PtCl42-)、四面体(PO43-、SO42-)、八面体(PF6-、Fe(CN)63-)，以及生物体中的更加复杂的例子如低聚磷酸根阴离子等。阴离子与阳离子比较，有更高的溶剂化自由能，因而阴离子主体会与周围介质发生竞争。许多阴离子还受到pH值的影响，只能稳定存在于相对较窄的pH值范围内，尤其是多铵盐的受体。阴离子配位通常是饱和的，只能通过弱作用力(氢键和范德华相互作用)结合。所以，阴离子客体的选择性结合要比金属阳离子的结合存在更多更大的挑战。

在20世纪的70、80年代，阴离子配位化学发展一直比较缓慢，直到80年代末，阴离子配位才真正受到关注[3-6]。化学家们设计合成了大量基于分子间弱相互作用的新型阴离子主体分子，这些分子无论从设计合成、构造尺度以及阴离子的配位方式上都显示着化学家的智慧[7]。氢键由于其方向性强，种类多样且易于修饰，基于氢键可以设计出特定结构的受体分子来识别不同空间构型及氢键接受能力的阴离子[7-8]。本文将根据不同的氢键单元，总结基于氢键的阴离子识别主体分子的研究进展。

1　基于酰胺的阴离子识别主体分子

1986年，Pascal[9]合成了第一个纯酰胺的阴离子识别主体化合物2。在DMSO溶液中，该化合物表现了对氟离子识别的特性。随后，大量的酰胺类阴离子受体分子涌现出来[10-14]。Kubik教授研究组设计合成了一类环肽的阴离子识别主体化合物3[15-16]，能够与碘离子或硫酸根离子在水溶液中形成1∶1的复合物，其中3e表现出与硫酸根强的作用力，lgKa= 5.97，成为水溶液中良好的中性受体分子。

Chmielewski和Jurczak研究组合成了一类含有吡啶基团的四酰胺的环状化合物4[17-19]，并研究了它们与阴离子配位的性质。发现含有吡啶基团的酰亚胺比间苯二甲酰亚胺与阴离子的作用要强，而且环状与非环状相比较，与阴离子作用更强。Lin教授研究组合成了化合物5[20-21]，该化合物表现出对氟离子的良好的选择性。由于与氟离子形成了氢键，化合物的颜色发生变化。值得一提的是这种作用不是由于氟离子的去质子化作用引起的，因为同样的四丁基氢氧化铵就没有这种效果。Bowman-James和Hossain教授研究组设计合成了一种多功能的主体分子6，可以同时配位阴离子和阳离子客体[22-24]。6的质子化形式H262+形成折叠结构来配位Cr2O72-或ReO4-，中间的质子化的胺氢由于氢键作用向上翻，从而使得含氧阴离子能够与里面的酰胺作用。进一步质子化后，能够与金属阳离子发生配位作用，而且作用方式与阴离子相似。Kim教授组设计合成了含芘的杯[4]冠5阴离子识别主体分子7[25-26]，该分子通过冠醚基团可以配位K+，这种结合改变了主体分子的构象，从而增大了芘分子之间的π-π作用，最终导致芘荧光增强。而在阴离子H2PO4-加入时，由于PET效应，芘的荧光被淬灭。据此，该分子可以被设计成为一个inhibit(INH)的逻辑门开关。

图2　基于酰胺的阴离子识别主体分子2和3的结构Fig.2　Molecular structure of amide-based anion receptors 2 and 3

Bowman-James教授研究组合成了一系列环蕃类的阴离子识别主体化合物8a～e[27]，该类主体分子外形像一个口袋，通过酰胺与阴离子的作用，可以用来配位识别阴离子。

图3　基于酰胺的阴离子识别主体分子4～7的结构以及6与Cr2O72-和ReO4-的配合物晶体结构Fig.3　Molecular structure of amide-based anion receptors 4～7,and the crystal structures of complexes of 6 with Cr2O72-and ReO4-

图4　基于酰胺的阴离子识别主体分子8a～e的结构Fig.4　Molecular structure of amide-based anion receptors 8a～e

酰腙单元具有类似于酰胺的NH氢键给体，但它的可逆性使得它可以用于动态组合化学。Beeren和Sanders教授采用这种策略设计了一种优秀的磷酸二氢根受体[28]。获得了腙连接的基于二茂铁的大环和线性低聚物动态组合库，并且发现四丁基磷酸二氢铵的加入导致大环化合物产率降低而线性受体9的产率急剧增加。9与磷酸二氢根采取2∶1的结合模式，在亚胺NH，环戊酰腙CH和NH氢键的正协同效应下采取螺旋构象。与酰胺类似作用方式的方胺也被用于阴离子识别，并且Gale等人将其通过类固醇结构组装为10，实现了高达1014mol-1·L的氯离子亲和力[29]。

图5　基于酰腙或方胺的阴离子识别主体分子9与10的结构Fig.5　Molecular structure of hydrazone-based receptor 9 and squaramide-based anion receptor 10

2　基于脲与硫脲的阴离子识别主体分子

脲和硫脲是两类非常好的氢键给体化合物，对于含氧阴离子来说，它们是非常出色的识别主体。Peng教授研究组合成了一类简单的具有激发态分子内电荷转移(ESIPT)性质的含有脲的阴离子受体11[30]。荧光放射光谱包含2个峰，短波长(414 nm)和长波长(554 nm)。长波长的是由于(ESIPT)效应引起的，当加入阴离子后，构象改变，ESIPT效应被抑制，荧光光谱发生蓝移。

图6　基于脲的阴离子识别主体分子11和12的结构及11对阴离子的识别机理Fig.6　Molecular structure of urea-based anion receptors 11 and 12,and anion sensing mechanism of 11

Burns教授研究组合成了基于卟啉和脲的阴离子识别主体[31-32]，溶剂分子可以影响其对于阴离子的选择性。当有DMSO溶剂分子存在时，12a表现出对Cl-高度的选择性，这是因为DMSO能够把Cl-稳定在脲的附近。而对于体积较大的H2PO4-和COO-来说，溶剂的效应就不那么明显。12b少2个脲基团因此不能包溶剂分子，所以与Cl-的结合就比较弱，从而证明了溶剂在识别阴离子过程中的作用。

Ghosh教授研究组合成了分子10a[33]，Das和Ganguly教授合成了类似的分子10b[34]。其中10a表现出与H2PO4-、AcO-良好的配位能力。lgKa分别为5.52和4.45。10b表现出对SO42-、H2PO4-良好的选择性，lgKa分别为4.97和4.26。

Gozin教授研究组合成了14a、14b两种分子[35]。并比较了它们与阴离子的配位性质，14a结合常数的顺序为H2PO42->F->AcO-，而14b的顺序为AcO-> F->H2PO42-，正是由于空腔大小的原因，14b对体积较小的阴离子表现出良好的配位能力，而14a则表现出对于大体积阴离子的识别优势。Gale教授研究组合成了15a、15b两种基于酰胺与脲的阴离子受体分子[36-37]，15a表现出与AcO-强的配位作用。而15b在溶液中不稳定，易水解。而且也没有表现出类似于15a那样的阴离子的配位性质，原因是15b以弯曲构象存在，容易水解。而15a中吡啶氮原子能与旁边的酰胺形成氢键从而防止分子形成弯曲构象。Bhmer教授研究组用阴离子模板的方法合成了一系列的含有脲的大环化合物16a、126[38-40]，1H NMR研究证明随着苯环个数的增多，大环的柔韧性变好，与阴离子的配位常数变小。

同样，Custelcean等合成了对称的联吡啶取代脲配体17并以锌(Ⅱ)配位构建M4L6笼[41]。希望M4L6笼的空腔有利于四面体阴离子的配位。利用核磁共振技术监测了配合物在溶液中的形成。往17的2∶1 CD3OD∶D2O溶液加入硝酸锌，6个配体和4个锌(Ⅱ)离子在几分钟内形成低对称性配合物或混合配合物。而随着EO42-阴离子(E=S，Se，Cr，Mo，W，P)的加入，形成了预期的Zn4L6笼。吴彪等报道了强烈结合硫酸根的三足六脲配体18[42]。作者发现，在固态时1个单一的SO42-阴离子可以通过12个氢键被6个尿单元所包裹，使得18是第一例能完全由单一有机主体分子满足SO42-阴离子的饱和配位数的分子。该结构采用四面体笼，3条臂的每个终端沿着底部三角面的边缘折叠，每个尿单元配位四面体阴离子的一个边。作者还研究了溶液相的阴离子结合性能，发现其在强竞争溶剂DMSO-d6-H2O 25%中的稳定常数Ka>104mol-1·L。也发现受体18能够有效地从NaNO3-Na2SO4溶液中提取SO42-阴离子。

图7　基于脲的阴离子识别主体分子13a与13b的结构及配位H2PO4-和SO42-的晶体结构Fig.7　Molecular structure of urea-based anion receptors 13a and 13b,and the crystal structures of 13a+H2PO4-and 13b+SO42-

Feringa教授提出了一种基于第一代分子马达的双脲受体19。该受体对磷酸二氢根具有很强配位能力，并且可以利用光化学和热驱动分子在3个异构体之间切换，表现不同的阴离子结合力。这提供了前所未有的配位底物三级控制能力。此外，这也是迄今为止最有效的含氧阴离子的光控受体分子。这在光控含氧阴离子的输运、光控药物释放和跨膜离子输运的调控等方面具有潜在应用[43]。

图8　基于脲和硫脲的阴离子识别主体分子14、15与16的结构Fig.8　Molecular structure of urea/thiourea-based anion receptors 14,15 and 16

图9　基于脲的笼装阴离子识别结构Zn4(17)6及18-SO42-的晶体结构Fig.9　Crystal structures of cage-like urea-based anion receptor system Zn4(17)6and 18-SO42-

图10　光和热驱动的双脲受体19Fig.1　0Light-and heat-responsive bis-urea receptor 19 towards H2PO4-

图11　基于吲哚的氮茚并氮芴的阴离子识别主体分子20a～d的分子结构、荧光光谱滴定、配合物晶体结构Fig.1　1Molecular structure of indolocarbazoles-based anion receptors 20a～d,fluorescent titration and crystal structures of 20b-F-,20a-SO42-

3　基于吲哚及吡咯的阴离子识别主体分子

吡咯和吲哚都含有一个氢键给体，能够配位阴离子，但是吡咯作为阴离子配位主体单元已经被研究的很多[44]，而吲哚则是一个新型的阴离子识别主体单元[45]。而且与吡咯相比，吲哚的酸性要强，所以能够产生与阴离子更强的氢键作用。2005年，牛津大学的Beer教授报道了第一例基于吲哚的氮茚并氮芴的化合物，并研究了其与阴离子的配位性质[46]。如图，化合物20a～d，在阴离子引入时，紫外荧光光谱都发生改变，尤其在F-、H2PO42-、Cl-引入时，荧光强度发生明显的增大。从化合物20b与F-的单晶结构中可以看出，4个化合物20b分子围绕在2个F-周围，形成一种螺旋型的结构。最近他们研究了该类分子与SO42-的作用，发现该类化合物20a能够与SO42-形成2∶1的结构[47]，这些研究都预示着基于吲哚的氮茚并氮芴化合物在未来阴离子模板组装中有着巨大的潜力。

Jeong教授研究组合成了一系列的基于吲哚单元的氮茚并氮芴环状的阴离子识别主体分子21a～d。这些刚性的大环根据其空腔的大小可以用来识别不同的阴离子。环21a表现出与F-强的配位作用[48]，结合常数为5.6×108mol-1·L。而与Cl-的结合常数为2.1×106mol-1·L。21a与Cl-的单晶结构显示Cl-位于大环的一侧。在21a、21b与N3-配位的过程中，对于较小的环21a，N3-仅端点与环发生氢键作用，而在较大的环21b中，N3-整个占据在空腔内部，两端的N原子均形成氢键作用[49]。而且后者比前者更加稳定，结合常数分别为2.3×103、8.1×104mol-1·L。在化合物21d中，由于吡啶的存在使得其与H2PO42-、Cl-配位后表现出不同的构象[50]，在H2PO42-存在时，形成吡啶氮原子与H2PO42-中氢原子的氢键，而Cl-存在时，吡啶中的C-H原子与Cl-形成氢键。化合物21c[51]与AcO-、H2PO42-、Cl-的结合常数分别为1.1×106、2.9×104、5.6×104mol-1·L。在单晶结构中，化合物21c与H2PO42-形成了2∶2的复合物。我们基于吲哚衍生物氮茚并氮芴和三氮唑设计合成环状阴离子受体分子22、23[52]，通过识别基团平面之间存在的π-π作用，可以自组装成一种折叠结构，形成的空腔又可以通过氢键作用来识别阴离子客体。其中环23与阴离子形成了夹心配合物结构。

图12　基于吲哚的氮茚并氮芴的阴离子识别主体分子21,22与23的结构及21与阴离子配位的晶体结构Fig.1　2Molecular structure of indolocarbazoles-based anion receptors 21,22 and 23,and the crystal structures of 21 with anions

Gale教授研究组合成了一类“V”字形的含有吲哚基团的阴离子识别主体分子，24a、24b均表现出对于F-良好的选择性，单晶结构显示在F-存在时，24b是以一种扭曲的形式配位，而体积更大的Cl-位于主体分子的一侧。正式由于这种结合方式的不同，主体分子才表现出对F-良好的选择性[53]。同时该研究组也合成了一系列的含有吲哚和脲的阴离子识别主体分子24c、24d[54-55]、24e、24f[56]。其中，24d表现出对于H2PO4-的选择性。而在晶体结构中，H2PO4-发生了去质子化作用，以PO43-的形式存在。同样HCO3-与24c的晶体结构中，HCO3-也发生了去质子化作用，以CO32-的形式存在。24e、24f能够与含氧阴离子形成能够六氢键的配合物，1H NMR滴定研究表明，在AcO-滴定过程中，形成了脲与吲哚的4个氢键，而在H2PO4-、HCO3-的存在下形成了全部的6个氢键。而且随着H2PO4-加入量的增多，发生去质子化作用，最终形成HPO42-的配合物。

图13　基于吲哚的阴离子识别主体分子24a～f的结构及与阴离子配位的晶体结构Fig.1　3Molecular structure of indole-based anion receptors 24a～f,and the crystal structures of 24 with anions

Sessler和Lee教授研究组合成了一类杯[4]吡咯25a～d[57-58]，他们与Hey教授合作，比较了化合物25a～d的阴离子配位性质，通过比较发现，化合物25c因为存在1个NH的氢键给体，与Cl-的配位能力是化合物25d的95倍，单晶结构显示Cl-与底部和上部的吡咯同时形成了氢键。同时该研究组还发现化合物25c通过与Cl-的缓慢交换过程可以调控DMSO-d6/水体系中Cl-的浓度。Moyer，Sessler，Delmau研究组同时还发现，化合物25a能够从把溴化铯、氯化铯从水体系提取到硝基苯体系中[59]。在萃取过程中存在一个平衡，氯化铯中氯离子与铯离子的结合能要比溴化铯大7 kJ·mol-1，而吡咯阴离子配合物与铯的自由能对于溴和氯来说则相差不大，所以铯离子可以稳定在吡咯的碗装空腔内。

Akar，Bielawski，Sessler研究组合成了一类含有杯[4]吡咯的聚合物26b、26c，如图，通过自由基聚合的方法由单体26a合成了均聚物26b和共聚物26c[60]，26b可以从水溶液中萃取四丁基氯化铵和四丁基氟化铵，而26a则没有这种效果，聚合物不能萃取H2PO4-，这说明与亲水性的阴离子相比，疏水性的更容易被萃取。(Cl-：ΔGh=-340 kJ·mol-1；F-：ΔGh=-465 kJ·mol-1；H2PO4-：ΔGh=-465 kJ·mol-1)。

图14　基于吡咯的阴离子识别主体分子25、26的结构及25c-Cl-的晶体结构Fig.1　4Molecular structure of pyrrole-based anion receptors 25 and 26,and the crystal structures of 25c-Cl-

Sun教授研究组合成了二吡咯的酰胺类化合物27a～e，其中化合物27b、27c表现出对CN-独特的选择性[61-62]，这是因为发生了亲核加成反应，这使得27b、27c可以用作CN-的独特的传感器。Denekamp、Suwinska、Eichen研究组合成了三吡咯甲烷的化合物28并研究了其与阴离子配位的性质[63],化合物28表现出对F-独特的选择性，其他阴离子，除了H2PO4-，作用都比较弱。化合物28与F-在MeCN-d3中的结合常数为K1=4.1×104mol-1·L、K2=1.7×104mol-1·L，与H2PO4-的结合常数为K1=300 mol-1·L。

图15　二吡咯-酰胺阴离子识别主体分子27与三吡咯甲烷28的结构及27c识别CN-的机理Fig.1　5Molecular structure of dipyrrole carboxamide 27 and tripyrrolemethane 28,and the sensing mechanism of 25c towards CN-

图16　基于吡咯的大环阴离子识别主体分子29,30的结构及29f-H2PO4-的晶体结构Fig.1　6Molecular structure of pyrrole-based cyclic anion receptors 29 and 30,and the crystal structures of 29f-H2PO4-

Sessler和Katayev教授研究组合成了一类含有酰胺与二吡咯甲烷的环状阴离子受体分子29a～c[64]。该类化合物表现出与含氧阴离子很强的配位作用，在CH3CN溶液中，通过紫外滴定实验得到的结合常数达到107的数量级。其中化合物29a与HSO4-作用最强，结合常数达到2.7×106mol-1·L，化合物29b与AcO-配位作用最强，结合常数为4.1× 106mol-1·L，而结构比较刚性的化合物29c则表现出与Cl-比较强的作用力,结合常数为2.81×105mol-1·L。接着该研究组继续报道了更大的寡聚吡咯的环状阴离子受体分子29d～f[65-66]。从化合物29f与H2PO4-的单晶结构中可以看出，环29f发生扭曲而与阴离子配位，总共形成了12个氢键。通过在CH3CN溶液中的紫外滴定实验发现，该类化合物表现出对HSO4-、H2PO4-比较好的选择性。Sessler教授研究组合成了一类环[8]吡咯的衍生物30a～c[67-68]，该类化合物有富电子平面，当与缺电子的受体结合时，能形成六角柱状的液晶相。并且30a可以从溶液中高选择性的萃取SO42-。

图17　基于杯吡咯的大环阴离子识别主体分子31、32、33的结构及离子对受体33对Cs+的可控萃取Fig.1　7Molecular structure of calix pyrrole-based cyclic anion receptors 31,32 and 33,and the controlled Cesium recognition by 33

Lee和Sessler研究组报道了一类基于杯吡咯的可以识别手性阴离子的主体分子31(R(+)/S(-))[69]，该化合物包含一个具有光学活性的联萘酚基团，1H NMR研究表明，(S)-31表现出对手性阴离子carboxylate(S)-2-phenylbutyrate((S)-PB)的选择性识别,与(S)-PB、(R)-PB的结合常数分别为1.0×105mol-1·L、9.8×103mol-1·L。Lee教授研究组合成了一类杯[6]吡咯的化合物32[70]，该分子表现出对F-的选择性，并且有趣的是，表现出一种缓慢的配位/非配位的动力学过程。在加入1倍量F-时，只检测到对于配合物的共振信号，所以形成作用力很强的配合物。而加入Cl-时，检测到配位和非配位的吡咯NH的共振信号，比率趋于4∶2。所以6个吡咯中有4个与Cl-形成了氢键作用。基于连接有多个阳离子配位位点的阴离子识别杯[4]吡咯的离子对受体33，Sessler及其同事报道其可控识别和阳离子置换性质[71]。核磁研究，气相优化研究和X射线晶体学研究表明受体与CsCl或CsNO3形成稳定的1∶1配合物。然而，受体和钾离子间较强的配位意味着添加KClO4会导致从铯离子配位向钾配位的置换。核磁共振和放射性测量表明受体能够从重水提取CsCl和CsNO3到硝基苯中。暴露于CHCl3中就可以释放自由的受体，表明受体可重复使用。

4　基于三氮唑及相关CH…X-氢键的阴离子识别主体分子

Flood教授研究组合成了化合物34[72]，实现了通过中性的1，2，3-三氮唑的C-H原子与阴离子的氢键作用来配位阴离子的方法[73-75]。1H NMR显示了1，2，3-三氮唑的C-H发生明显的低场位移，苯环上的C-H的化学位移变化则相对较小，二氯甲烷中的紫外光谱滴定研究显示34与Cl-的结合常数为1.3×105mol-1·L。改变苯环上的取代基可以调节体系对阴离子的配位能力以及体系的自聚焦能力[76]，将三氮唑碳相连的苯环换为吡啶(35)，将引起空腔尺寸的改变及分子偶极的改变，从而与碘离子形成三明治夹心结构[77]。同一时期，基于三氮唑构建阴离子识别的折叠体也被报道[78-79]。

图18　基于三氮唑的阴离子识别主体分子34～43Fig.1　8Molecular structure of triazole-based anion receptors 34～43

我们利用三唑与酰胺的协同作用设计了新型组装基元-酰胺三唑，并构建了不同形状、含不同数目酰胺三唑的配体(36～38)，发现他们是很好的含氧四面体阴离子识别主体分子[80]。通过[3+2]环加成反应和酸-胺偶联反应合成了一系列含酰胺三唑的折叠体(39)。利用1H NMR滴定研究了折叠体-阴离子的结合行为和亲和力。通过改变酰胺三唑单元的数目以及在终端苯环上引入吸电子取代基来优化折叠体的结构，以便于高度选择性地识别硫酸根阴离子。结果表明受体和阴离子之间的结构相容性对高选择性阴离子结合，以及电子效应对调节受体的阴离子结合力很关键[81]。将酰胺三唑单元与分子内电荷转移生色团结合，获得了一种包含OH，NH和CH 3种氢键给体的阴离子受体40，通过氟离子对分子内电荷转移的调控实现了对氟离子高效的“裸眼”检测[82]。将酰胺三唑与手性单元结合，我们还获得了对硫酸根阴离子具有手性信号相应的大环分子41[83]。通过三氮唑将2个卟啉单元连接起来构筑了卟啉笼状化合物42，利用卟啉锌原子与氮的轴向配位实现了对叠氮阴离子的高效识别[84]。我们合成了一个由光活性的卟啉单元及吡啶单元与刚性的联苯连接单元组成的大环分子43，将该大环分子中的吡啶与三氮唑甲基化后得到对阴离子有很好的配位能力的大环主体分子。利用该大环分子的纳米空腔及其对阴离子的配位能力，研究了它对TCNQ阴离子客体分子二聚反应的催化[85]。

图19　五角形大环分子44的结构及其所形成的[3]轮烷Fig.1　9Molecular structure of cyanostar 44,and the[3] rotaxane based on it

Flood教授还设计了五角形大环分子“cyanostar”44以配位六氟磷酸根等大阴离子，其以大环/阴离子2∶1的方式配位。该大环还可以结合二烷基磷酸盐分子轴形成[3]轮烷[86]。

5　基于铵盐的阴离子识别主体分子

最早的合成阴离子受体就是通过质子化的铵盐来实现的，如今这项研究仍在继续，含铵盐的阴离子识别主体分子即使在水体系中仍能表现出对于阴离子良好的识别。

Felix教授研究组合成了化合物45[87]，该化合物包含两个邻菲罗啉基团，电化学和1H NMR研究说明该化合物可以用来识别1，3，5-三苯甲酸盐(BTC3-)和芘甲酸盐(PYRC-)。pH值分别为5.5和3.0。实验和模拟研究都表明通过+N-H…-O的氢键作用以及邻菲罗啉与客体的π-π堆积作用，化合物45能够与阴离子客体配位在一起。

Martinez和Llobet教授研究组合成了环46以及甲基化后的Me246[88]，并对两种化合物配位阴离子的性质做了比较。发现Me246对对苯二甲酸有一定的选择性，而46表现出对邻苯二甲酸良好的选择性。这归因于在46中，中间的二级胺与甲基化的Me246相比，转动的程度要小，而且存在氢键作用。

Nelissen和Smith研究组合成了开环的47a，环状的化合物47b，其在水溶液中表现出对于PO4-的强的配位作用[89]。通过滴定含有PO4-的荧光化合物47c确定了47a、47b对于PO4-的亲和力，lgK分别为5.15和5.30。电化学研究表明在大量Cl-存在下，47a、47b仍然与无机的PO4-有很强的作用，lgK分别为4.4～8.6和7.5～14.2，最大的结合常数是通过胺基质子化后得到的，也说明了静电作用力起了重要作用。

图20　基于铵盐的大环阴离子识别主体分子45、46和47的结构Fig.2　0Molecular structure of ammonium-based cyclic anion receptors 45,46 and 47

6　基于胍盐的阴离子识别主体分子

胍盐也是一类配位含氧阴离子的良好的受体分子[90-91]，主要通过静电作用力和氢键来配位阴离子。与铵盐相比，该类化合物可以在比较宽的pH范围内保持质子化的状态。Lehn教授研究组在上世纪70年代末报道了第一例通过胍盐基团来识别PO32-的环状识别主体。48a、48b、48c在水溶液中与PO32-的结合常数分别为50、158、251 mol-1·L。

Mendoza教授研究组合成了化合物49a[91]，其中对离子为Cl-，该化合物与对硝基苯甲酸的结合常数只有1.6×103mol-1·L。对离子在配位过程中起着很重要的作用，当把Cl-换成结合力较弱的六氟磷酸根或者四苯基硼酸根时，结合常数明显变大。1H NMR的研究表明对硝基苯甲酸根负离子与NH形成强的氢键作用，同时，萘与硝基苯甲酸根之间还存在π-π堆积作用。该研究组还合成了非环化的基于胍盐的49b和环化的49c～e并比较了它们与NO3-的配位能力[92]，配位常数分别为5.38×103、73.7× 103mol-1·L，结果发现，环化分子的配位能力要强的多。

7　基于咪唑的阴离子识别主体分子

咪唑中酸化的CH能够很好的配位阴离子，Alcalde研究组通过晶体结构证实了化合物50[93-94]中这类氢键的存在[95]。Hwang和Kim教授研究组合成了一系列基于咪唑与喹啉的阴离子识别主体分子51a～d[95-96]，并通过荧光光谱研究了它们与阴离子作用。游等[97]发现由2个刚性的四咪唑鎓大环分子52协同能极大增强分子识别，在水相中获得了高达8.6×109mol-2·L2的硫酸根离子高选择性荧光识别。除静电作用外，X-射线单晶衍射分析表明，硫酸根是通过八个咪唑鎓单元的C2氢原子和硫酸盐的氧原子之间的氢键包裹在由正交排列的2个大环所形成的三明治夹心结构的假六面体空腔中。这个三明治结构由苯基和三嗪酮环之间的π-π堆积及多个外围链和刚性骨架之间的电荷辅助的氢键所增强。这些外围-骨架间氢键能提供柔性的外链侧链以包裹三明治结构，以防止硫酸根被水所溶剂化。这个结合过程伴随着荧光增强，这归因于旋转受限以及配位硫酸根后大环骨架更好的π共轭。

图21　基于胍盐的阴离子识别主体分子48、49的结构Fig.2　1Molecular structure of guanidinium-based cyclic anion receptors 48 and 49

图22　基于咪唑的大环阴离子识别主体分子50、51和52的结构Fig.2　2Molecular structure of immidazole-based cyclic anion receptors 50,51 and 52

8　基于羟基的阴离子识别主体分子

近年来，羟基作为一种阴离子的识别单元也被广泛的研究，Smith教授研究组在把邻苯二酚用作阴离子受体的研究上做了大量的工作。合成了一系列基于邻苯二酚的阴离子识受体分子53a～j[98],分子内氢键在配位阴离子过程中起了关键作用，在化合物53a～c中，酰胺的氧原子与羟基形成氢键，羟基之间也存在氢键，能够与氯离子配位的位点只剩下酰胺，53d、53e中存在类似的分子内氢键，所以与氯离子没有作用。通过一系列的比较试验，发现53j对于氯离子配位能力最好。

图23　基于羟基的阴离子识别主体分子53的结构及与阴离子作用力大小比较Fig.2　3Molecular structure of hydroxyl-based anion receptors 53 and the binding affinity comparison

9　结论与展望

总之，自从阴离子识别的超分子化学发展起来以来，大量的阴离子识别主体分子被设计合成出来，它们含有不同的识别单元，通过各种非共价键的作用力与不种阴离子配位。当然，优秀的识别主体往往包含着若干个识别单元，充分利用这些识别单元来构建新颖的阴离子识别主体分子成为研究的首要任务。同时，将各种电子、质子、能量转移过程(例如光致电子/能量转移，基态/激发态分子内/分子间质子转移，光诱导电荷转移)巧妙地与各种识别主体分子结合起来，实现对阴离子的识别、对体系的光物理性能的调控，模拟生物体系的离子传输[99-101]也将是关注的重点。

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Recent Development of Anion Receptors Based on Hydrogen Bonding

LI Yong-Jun＊LIU Hui-BiaoLI Yu-Liang
(CAS Key Laboratory of Organic Solids,Institute of Chemistry,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)

The important roles of anions in biology,medicine,catalysis and environmental science have been widely recognized.Anion receptors showed bright application prospects in the trans epithelial ion transportation, chemical sensing,simulation of enzyme catalyzed organic reactions.Here we summarize the recent progress of anion receptors based on different hydrogen bonding units such as amide,urea/thiourea,indole/pyrroles,triazole, ammonium,guanidinium,imidazole,hydroxyl groups.

anion recognization;anion receptors;hydrogen bonding

O641.3；O641.4

A

1001-4861(2015)09-1687-18

10.11862/CJIC.2015.252

2015-05-27。收修改稿日期：2015-07-19。

国家自然科学基金(No.21290190，21322301)资助项目。

＊通讯联系人。E-mail：liyj@iccas.ac.cn