Cryptophane的分子识别研究进展

赵艳艳，刘慧敏，鲁 平，李晨洁，李 昱

(临沂大学 化学化工学院，山东 临沂 276005)

1 引言

Cryptophane是近年来超分子化学中较热门的主体分子，通常具有亲脂性分子内空腔，可捕获相应尺寸的客体小分子[1]。自cryptophane分子与客体分子的络合作用被发现以来，吸引了诸多研究者关注，他们利用各种光学、化学仪器方法，如核磁共振、振动光谱、色谱及理论计算等途径揭示了各种cryptophane分子与客体分子的相互作用。先进的分析技术使得这种越来越多的客体分子被发现存在这种与cryptophane分子间发生在固体中或溶液中的络合作用，主要包括cryptophane与中性小分子的络合作用、cryptophane与铵的络合作用、cryptophane与金属离子的络合作用、cryptophane与阴离子的络合作用、cryptophane的手形识别及cryptophane与Xe的络合作用等。

2 Cryptophane与各种客体分子络合作用研究进展

2.1 与中性小分子的络合作用

20世纪90年代中期，cryptophane分子与中性小分子之间的这类络合作用的研究主要局限于发生在不与客体小分子存在竞争作用的溶剂中。例如，cryptophane-A对甲烷的络合作用最早通过核磁共振实验证明[2]，用在298 K快速交换的自由甲烷和被络合甲烷的高场位移信号表征。cryptophane分子对非极性物质的络合作用主要是基于客体分子拥有适当的分子尺寸而且cryptophane分子本身框架具有足够的入口使得客体分子能进入和离开内部空腔，与此同时，客体分子的结构和对称性、主体分子芳环上的电子云密度和溶剂效应等都能影响主客体分子络合物的形成，二者之间的络合稳定性主要是依靠范德华力维持的。这些影响因素往往很难分开单独评估其作用，但是客体分子的尺寸与主体分子的空腔大小比例(占用比)常常能为是否能有效封装提供指示[3]。根据客体分子的尺寸，二氯甲烷(分子大小约为58Å3)对cryptophane-C(内部空腔大小约为95Å3)具有较好的亲和力，而氯仿(分子大小约为72Å3)则更容易被cryptophane-E(内部空腔大小约为121Å3)络合，综合结果显示客体分子对主体分子内部空腔的体积占用比为55%左右时，主客体分子络合物较稳定。

Akabori等通过核磁共振方法研究了某些烷烃和含不同桥联基团的cryptophane之间的络合作用[4]。结果表明能否有效封装客体分子在很大程度上取决于cryptophane分子是否为反式或顺式结构，同时是否为芳香烃桥联也影响较大。类似的研究表明反式结构的cryptophane不能与烷烃形成络合物，但是拥有双乙基醚桥联的反式cryptophane和顺式cryptophane均能有效进行封装[5]。

2.2 与铵的络合作用

除了能有效地封装卤代甲烷和一些挥发性有机化合物，cryptophane分子还能很好地识别适当大小的有机铵阳离子。通常来讲，cryptophane与铵离子之间的络合作用比中性分子更强，尤其是在C2H2Cl4或水溶液介质中时更为适用。例如cryptophane-E与四甲基铵阳离子的结合常数Ka高达475000 M-1，但与三甲基胺的结合常数则显著下降为1600 M-1[6]。Cryptophane与铵离子之间的络合作用受很多因素影响，其中，阳离子-π相互作用被视为影响络合物稳定性的决定性因素。同时，其他阳离子相互作用，尤其是与外围氧原子的相互作用也对络合物稳定性具有重要影响。

Garcia等为了研究影响铵阳离子客体和cryptophane主体络合物稳定性的主要原因进行了系列实验[6]研究在合成新型cryptophane分子的基础上展开，其分子内空腔尺寸与cryptophane-E相似，但是cryptophane-E芳香环上的六个甲氧基被甲硫基取代。这种改变降低了主体分子的区域负电荷密度并且使得供客体化合物进入和离开的窗口大大减小。通过与氯仿、苦味酸三甲基胺和苦味酸四甲基铵在氘代1,1,2,2-二氯乙烷中进行络合实验发现相比cryptophane-E，新合成的cryptophane分子与这些客体化合物的键合性能发生了较大改变。而且氯仿与cryptophane-E的络合物的半衰期仅0.55s，而与新合成的cryptophane的络合物半衰期达24min。四甲基铵与cryptophane-E的络合物的半衰期为13h，而与新合成的cryptophane的络合物半衰期则长达792d。

类似地，Et3MeN+、Et4N+、EtMe3N+和 Me4N+等铵离子与含二甲苯基桥联的cryptophane的络合也曾通过高场位移的质子共振被研究[7]。结果显示Et3MeN+络合最为理想，而且EtMe3N+和 Me4N+这种相对较小的离子络合过程熵值为正而较大的客体离子Et3MeN+、Et4N+络合过程熵值为负值。

2.3 与金属离子的络合作用

一直以来，中性小分子和铵阳离子与cryptophane主体分子的络合被广泛研究，但其与金属离子络合方面的研究甚少，这可能由多种原因造成，例如探寻一种适合金属离子但又不与其发生竞争的溶剂。Cryptophane分子对金属离子的络合最早被Akabori等人在1996年报道[8]，他们合成的含二乙基醚的cryptophane溶解在氯仿中，可以从水溶液中将碱金属离子萃取出来，且顺式结构的主体分子的萃取率优于反式结构，其中尤以铯金属离子的萃取效果最佳。

2.4 与阴离子的络合作用

Cryptophane分子中各个CTV单元均为富电子结构，这使得几乎所有cryptophane结构都不适于封装阴离子客体化合物。但是，Holman等人在cryptophane-E的结构上稍作改动，引入了六个[Cp*Ru]部分，得到了一个拥有酸性内部空腔的cryptophane结构，能用于CF3SO3-和SbF6-等阴离子的封装[9]。到目前为止，在所有已见报道的cryptophane及其衍生物中，该化合物是少见的对阴离子具有高亲和力的结构。由于这种金属化的结构变动，其体积比cryptophane-E有增大，因此更容易络合较大的阴离子客体化合物。

2.5 手性识别

值得指出的是，最初开展cryptophane合成这项研究的目的在于设计一种为识别CHFClBr这种手性分子两种构象量身定做的主体分子。这是已知的最小的手性分子之一。1985年，Collet等人报道了第一个能手性识别CHFClBr的结构，即具有手性的cryptophane-C[10]。手性cryptophane-C可区分CHFClBr的两种构象，当在混有内消旋的CHFClBr有机溶液中加入右旋手性cryptophane-C时，其核磁共振谱图显示两组双峰，而未加入时为两组单峰。两组双峰的密度分布不一样，表明两种构象与手性cryptophane-C的络合物稳定常数有所差异。Collet等人的这项研究开了cryptophane手性识别的先例，有助于区分的绝对构型。McCammon等人进行了一系列理论计算来支持Collet的这一研究结果[11]。

2.6 与Xe的络合

一直以来，在液相或凝结相中通过有机分子络合稀有气体如He、Xe甚至是Rn都存在较大挑战性，主要困难在于设计一种合适的有机主体分子捕获这种稀有气体原子。稀有气体Xe在磁共振显影和生物医学应用中占有重要地位[12]，但仅有少数几种有机分子可作为接收器键合溶液中的Xe原子。1998年，Bartik等人首次证明了Xe@cryptophane-A这种络合物在氘代1,1,2,2-四氯乙烷中的存在。当温度为278 K，对Xe@cryptophane-A络合物进行了129Xe核磁实验。当Xe过量时，核磁谱中可清楚观察到两个独立的单峰，化学位移分别为229.5 ppm和62.3 ppm。这两个单峰分别为溶液中自由的Xe原子和被cryptophane-A分子内空腔捕获的Xe原子的峰。Cryptophane-A与Xe原子络合物的稳定常数通过核磁数据得到，Ka值在278 K为3900，是一种非常强的键合过程，尤其在气体中性客体的络合作用中是很少见的。这个发现为Xe原子在医学显影方面的研究提供了新的思路，引出了很多很优秀的研究，研究表明，Xe@cryptophane这类络合物在129Xe NMR谱中较大化学位移主要受Xe原子的高度极化和环境影响[12]。

3 展望

目前，超分子化学所构建的主-体体系仍然是化学、材料等学科的研究热点，近年来，基于cryptophane所建立的超分子体系得到了迅速发展，这些主客体体系的络合过程的研究对于客体分子的识别应用有着重要的指导意义，而且研究这些体系的方法或仪器往往具有灵敏度高，检测限低的特点，因此使得各种cryptophane结构在多种客体小分子的识别检测领域有较大的应用前景，相信随着科学研究的深入，随着更多新型cryptophane结构的设计合成，更过的cryptophane-客体分子的络合体系将被建立并应用在分子识别领域。