杯[8]芳烃衍生物的制备及其分子识别作用光谱法研究

摘要

杯芳烃是继冠醚和环糊精之后的“第三代超分子化合物”，具有独特的穴腔大环结构，能通过静电作用、氢键作用、疏水作用、π-π作用及包结作用等识别离子和分子客体。冠醚和环糊精分别作为第一代和第二代超分子化合物的代表，在基础研究领域取得了令人瞩目的成果。尽管杯芳烃具有前两代超分子无法比拟的结构优势，但其贫穷的溶解性制约着分子识别及其应用开发研究。近年来，有关水溶性杯芳烃的制备及其在与生物大分子兼容的溶液状态下的分子识别研究己成为分析化学和超分子化学交叉的挑战性领域，具有重要的学术价值和应用前景。本学位论文在制备三种水溶性杯芳烃的基础上，利用灵敏、简便的荧光法和紫外可见光谱法分析手段，研究了杯芳烃的分子识别作用，主要内容如下：1.对杯芳烃及其衍生物的的发展历史、结构特点、合成方法及分子识别作用等进行了评述，对杯芳烃在分析化学中的应用进行了大致概括，并展望了杯芳烃的应用前景，以此作为本论文选题的依据和研究工作的出发点。 2.通过Mannich反应、重氮-偶联反应合成了三种水溶性的杯芳烃衍生物对-二甲氨甲基-杯[8]芳烃(CX8)、对-(4'-羧基苯偶氮基)杯[8]芳烃(CPAC)和对-(4'-氨基磺酰基苯偶氮基)杯[8]芳烃(ASPC)，并利用元素分析、红外、核磁、质谱等手段表征了结构。考虑到生物体内的分子识别及酶催化作用大都在水溶液状态下进行，因而水溶性杯芳烃的合成及其在水溶液状态下的分子识别作用研究更有意义。 3.以客体分子为荧光探针，研究了上述杯芳烃衍生物对光谱染料、喹诺酮药物的分子识别作用。研究发现杯芳烃能猝灭上述光谱探针的荧光，光谱信息表明形成了外式包结络合物，测定了包结比和包结常数。研究表明，杯芳烃母体与客体通常形成内包结物，客体分子大小与杯芳烃腔体大小相匹配是两者产生分子识别作用的先决条件。然而，上述杯芳烃衍生物与客体却形成外式包结物，这说明杯腔端口引入的功能基团对主客体的作用方式产生了显著影响。同时考察了溶液酸度、有机溶剂、表面活性剂等对外式包结物稳定性的影响。所合成的杯芳烃主要通过静电、疏水和π-π作用与染料或药物客体结合，随着客体结构不同，包结比和包结常数存在较大的差异，表明作用时存在选择性。杯芳烃与伊红(EO)形成2∶1的外式包结物，却对刚果红(CR)的包结比为1∶2，尽管两者同属夹心外式包结物，但包结比和包结物的结构明显不同，说明主体分子对客体分子形状、疏水面积和基团分布有较强的识别能力。 4.利用荧光法和紫外可见光谱法研究了水溶液中上述三种杯芳烃衍生物与牛血清白蛋白(BSA)的相互作用，研究表明，杯芳烃衍生物与BSA之间存在强烈的相互作用。根据荧光猝灭光谱数据得出动态猝灭方程(Stern-Volmerequation)和静态猝灭方程(Lineweaver-Burkdouble-reciprocalequation)，结果证实，杯芳烃以静态方式猝灭BSA的荧光。同时得出了杯芳烃与BSA结合的距离(r)、能量转移效率(E)和基本的热力学参数(△Hθ、△Sθ和△Gθ)，通过热力学数据判断，疏水作用是两者之间的主要驱动力。通过加入有机溶剂或表面活性剂改变微环境，以考察其对杯芳烃衍生物与BSA结合反应的影响。研究发现，杯芳烃与BSA的结合位置位于BSA中富含色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸残基的疏水区。在三种主体分子中，对-(4'-羧基苯偶氮基)杯[8]芳烃既有极性的羧基官能团，又有疏水性的杯腔体，比较容易接近BSA的亲水区和疏水区，其结合的距离最短(r=1.53nm)。 5.光谱变化显示，在水溶液中上述杯芳烃与染料或喹诺酮药物形成的外包结物有较高的稳定性。然而，小牛胸腺DNA却能轻易破坏这种外式包结物，导致染料和喹诺酮药物游离，这归因于杯芳烃衍生物与DNA间的超分子作用。有趣的是，DNA易从2∶1式CX8-EO中竞争夺取主体分子，但对1∶2式CX8-CR的竞争能力相对较弱，这与主客体间形成的包结物的类型和结构相关。因为前者夹心包结物的外配体是CX8，而后者CX8属内配体，DNA易竞争外围CX8。研究表明，杯芳烃衍生物是多功能的主体分子，具有捕集、存储、转运和定点释控药物的功能。

目录

文摘

英文文摘

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第一章文献综述

第二章水溶性杯[8]芳烃的制备及其与光谱染料的分子识别作用研究

第三章荧光法研究对-二甲氨甲基-杯[8]芳烃与牛血清白蛋白的相互作用

第四章荧光法研究对羧基苯偶氮基杯[8]芳烃与喹诺酮药物的分子识别作用

第五章荧光法研究对羧基苯偶氮基杯[8]芳烃与牛血清白蛋白的相互作用

第六章对-(4'-氨基磺酰基苯偶氮)杯[8]芳烃的制备及其与牛血清白蛋白相互作用

附录：作者在攻读硕士学位期间已发表和待发表的论文

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