新型二吡咯骨架双腙受体的合成及识别性能研究

周玉惠，粟永勇，吴发群

(贵州大学化学与化工学院，贵州贵阳550025)

生物体系当中普遍存在多种阴离子物种[1]，如生物体内遗传信息的载体DNA、酶和辅酶等。在生物体内的信息传导、能量储存和传递等过程中，磷酸根离子起着不可替代的作用。常见的亚硝酸盐为硝酸盐的代谢产物，一旦进入人体则会产生致癌作用。人体摄入适量氟化物可以预防龋齿和治疗骨质疏松，但过量氟化物会导致牙齿和骨骼产生氟中毒，表现为“氟斑牙”和“氟骨症”。鉴于此，近年来，阴离子受体的研究已经引起了国内外科研工作者的广泛关注[2-4]。

根据阴离子受体的空间构型，目前颇受研究者青睐的有“线型”和“钳形”两种[5-8]。“线型”受体化合物合成相对简单，但受其结构和氢键位点限制，“线型”受体对阴离子识别性能有限。“钳形”类受体则可以根据所接受的阴离子设计合成需要的空间大小，并可对空腔进行化学修饰。衍生化的“钳形”阴离子受体通过“诱导契合”效应大大提高了对阴离子的选择性和亲和性[9-11]。在课题组的前期工作中[12-14]，我们以吡咯和丙酮为起始原料合成了重要中间体二醛基二吡咯甲烷，并在此基础上衍生合成了系列阴离子受体化合物。实验结果表明:具有二吡咯结构的“钳形”受体分子具有很高的阴离子识别性能，尤其对AcO-和F-有较强的选择性识别作用。本工作进一步发挥吡咯NH“诱导契合”的独特优势，设计合成了一类新型“钳形”双腙受体，利用紫外可见光谱滴定法研究了受体化合物对几种常见阴离子的检测识别作用，并对有识别作用的阴离子与受体化合物之间可能存在的氢键结合机理进行了初步探讨。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

红外光谱仪(Shimadzu IR Prestige-21)；核磁共振波谱仪(JEOL-ECX 500 NMR，TMS内标)；紫外光谱仪(TU-1900，北京普析)。吲哚-2-甲酸、无水甲醇、水合肼等药品及试剂均为分析纯级，且未做进一步纯化处理。

1.2 中间体吲哚酰肼的合成

取4.0 g(24 mmol)吲哚-2-甲酸于50 mL圆底烧瓶中，反应溶剂为无水甲醇，滴加1 mL SOCl2后开始计时，常温反应3 h。反应结束后减压过滤，用甲醇反复洗涤，得到产物为灰白色固体粉末(4.02 g，产率53.2%)。取该中间体2.02 g(10 mmol)于50 mL圆底烧瓶中，反应溶剂为水合肼，室温搅拌30 min后加热回流8 h。反应结束后冷却至室温，抽滤洗涤，最终得到白色固产物(794.0 mg，产率86.2%)。

1.3 受体化合物的合成

取87.5 mg(0.5 mmol)吲哚酰肼与57.5 mg(0.25 mmol)5，5’-(丙烷-2，2-二基双(1 H-吡咯-2-甲醛)于50 mL圆底烧瓶中，用乙醇做溶剂，加热回流12 h。反应结束后静置至室温，减压抽滤，最终得到淡黄色目标产物(129 mg，收率80.3%)。m.p.=208～210℃；IR(KBr)ν:3414，1610，1519，1314，1222，1018，789，743 cm-1；1H NMR(DMSO-d6)δ:11.77(s，2H)，11.55(s，2H)，11.35(s，2H)，8.23(s，2H)，7.66(d，2H)，7.45(d，2H)，7.26(s，2H)，7.20(t，2H)，6.41(s，2H)，5.95(s，2H)，1.75(s，6H)。13C NMR(125 MHz，DMSO-d6)δ:157.8，140.8，137.2，132.9，127.6，124.1，123.1，122.2，120.4，113.9，112.3，109.8，103.5。合成路线见图1。

图1 受体1的合成路线Fig.1 Synthesis of receptor 1

2 结果与讨论

首先在乙腈中配制受体化合物的储备溶液，浓度为2.0 mmol/L。在DMSO中配制阴离子溶液，浓度为15 mmol/L。然后取部分受体化合物储备溶液，用乙腈稀释至浓度为20μmol/L的测试溶液待用。量取3.0 mL浓度为20μmol/L的测试溶液于石英比色皿中，滴加阴离子溶液进行紫外光谱滴定实验，直至溶液光谱变化达到平衡为止。

另外，受体化合物用含水5%的乙腈配制受体化合物的储备溶液，浓度为2.0 mmol/L，然后再将其稀释至20μmol/L。量取3.0 mL浓度为20μmol/L的测试溶液于石英比色皿中，用配制好的阴离子溶液滴定受体化合物测试溶液直至其光谱变化达到平衡为止。

图2为向受体化合物的乙腈溶液中分别加入20 equiv.被测阴离子时紫外光谱变化图。结果显示，受体化合物只对AcO-、F-、HSO-4和H2PO-4四种离子有明显的吸收光谱响应，而对其它被测阴离子如NO-3、I-等没有任何作用。实验结果说明受体化合物对这四种离子有较高的选择性识别能力。值得注意的是，当测试体系变为含水5%的乙腈体系时，如图3所示，紫外光谱测试结果显示受体化合物只对AcO-和F-有明显的选择性识别作用。

图2 受体1纯乙腈溶液中加入等当量八种阴离子的紫外吸收光谱图Fig.2 UV-vis spectra of 1 upon addition of eight anions in ACN

图3 受体1在含5%水的乙腈溶液中加入等当量八种阴离子的紫外吸收光谱图Fig.3 UV-vis spectra of 1upon addition of eight anions in ACN and 5%H 2O

图4为纯乙腈体系中向受体化合物中逐渐加入AcO-离子，其紫外可见吸收光谱的变化图。从图中可以看出，受体化合物的特征吸收峰位于340 nm。随着AcO-离子的不断加入，该特征峰强度逐渐增加直至达到平衡。这是由于受体化合物与AcO-的相互作用增加了氨基氮原子上的电子密度，引起分子内的电荷转移相互作用显著增长[15]。类似的，受体化合物与F-、H2PO-4和HSO-4阴离子相互作用时，紫外光谱同样在340 nm处有一个特征吸收峰，如图5、6和7所示，它们的UV-vis光谱变化与纯乙腈体系中加入AcO-离子的变化趋势相似。

图4 受体1(20μmol·L-1)在乙腈中与AcO-作用后的UV-vis变化Fig.4 Absorption spectral changes of 1(20μmol·L-1)upon addition of AcO-in ACN

图5 受体1(20μmol·L-1)在乙腈中与HSO-4作用后的UV-vis变化Fig.5 Absorption spectral changes of 1(20μmol·L-1)upon addition of HSO-4 in ACN

图6 受体1(20μmol·L-1)在乙腈中与H 2PO-4作用后的UV-vis变化Fig.6 Absorption spectral changes of 1(20μmol·L-1)upon addition of H 2PO-4 in ACN

图7 受体1(20μmol·L-1)在乙腈中与F-作用后的UV-vis变化Fig.7 Absorption spectral changes of 1(20μmol·L-1)upon addition of F-in ACN

如图8所示，利用Job曲线法测得受体化合物与醋酸根离子之间的化学计量比为1∶1。表1和表2为受体化合物分别在纯乙腈体系以及含水5%的乙腈体系中与阴离子结合常数及相关系数[16]。受体化合物在乙腈溶液中对AcO-、F-、HSO-4、H2PO-4四种离子表现出良好的选择性识别，且与它们都有中等强度的结合力(Ka＞103L/mol)，对阴离子的选择能力为AcO-＞HSO-4＞H2PO-4＞F-＞＞other anions，这主要取决于与受试阴离子的尺寸与受体化合物的空间构型的匹配，以及阴离子的氢键接受能力。在极性更强的含水5%的乙腈体系中，受体化合物仅对AcO-和F-表现出较高的选择性识别。

图8 受体1与AcO-作用的Job曲线(总浓度为40μmol·L-1)Fig.8 Job's plot between 1 and AcO-with a total concentration of 40μmol·L-1

表1 受体1在纯乙腈体系中与不同阴离子的结合常数(K a)及相关系数(R)Tab.1 Association constants(K a)and correlation coefficients(R)of 1 with different anions in ACN

表2 受体1在(5%H 2 O+乙腈)体系中与不同阴离子的结合常数(K a)及相关系数(R)Tab.2 Association constants(K a)and correlation coefficients(R)of 1 with different anions in ACN and 5%H 2O

3 识别机理与结合模式探讨

在对受体化合物在纯乙腈体系对各阴离子结合强度的测定中发现，受体化合物对AcO-、F-、H2PO-4、HSO-4均体现出较为良好的选择性识别效果，且结合力(Ka＞103L/mol)均为中等强度。而当将测试体系换成含水5%的乙腈时，受体化合物只对AcO-、F-表现出选择性识别，且对F-的结合力(Ka＞103L/mol)远大于AcO-的结合力(Ka＞102L/mol)。这是由于H2O为极性物质，同时也是很好的氢键给予体，H2O分子的引入与作用的阴离子竞争氢键结合位点，对受体分子与阴离子之间的氢键作用产生负面影响。据此，我们提出了这一实验结果在测试体系中主客体的结合模式，如图9所示。

图9 受体1与AcO-之间可能的作用模式Fig.9 The proposed binding mode of receptor 1 and AcO-，F-，H 2 PO-4 and HSO-4

4 结语

本文以吲哚-2-甲酸和二吡咯甲醛为原料，设计合成了一种具有二吡咯甲烷骨架的腙类“钳形”阴离子受体。论文利用紫外光谱分析研究了受体化合物对与几种常用阴离子的识别作用。研究结果表明，该受体在纯乙腈体系中对阴离子选择性识别能力为AcO-＞HSO-4＞H2PO-4＞F-＞＞other anions，而在含水5%的乙腈体系中，受体化合物只对AcO-、F-表现出选择性识别，且对F-的结合力(Ka＞103L/mol)远大于AcO-的的结合力(Ka＞102L/mol)。该研究工作表明二吡咯甲烷骨架的“诱导契合”效应对阴离子识别具有独特优势，该阴离子受体片段为设计合成选择性和亲和性更好的阴离子受体化合物提供了参考借鉴。