1.設(shè)計(jì)與合成

如圖1所示，兩個(gè)氯化二脲絡(luò)合物疊加組成了一個(gè)高度致密且結(jié)構(gòu)對(duì)稱的四脲大環(huán)。分子建模表明，這種四脲支架作為高度預(yù)的氯受體，與Cl-結(jié)合的氫鍵多達(dá)八個(gè)。在四丁基氯化銨（TBACl）存在下，通過三光氣使線性三脲二胺前體3和4環(huán)化，得到四脲大環(huán)1和2。雖然在合成1時(shí)需要將TBACl溶解在3的溶液中，但是能夠檢測(cè)TBACl在可溶性前體4環(huán)化過程中可能的模板作用。5是三光氣降解4形成的主要產(chǎn)物。后，對(duì)于受體1，通過重結(jié)晶從DMF / H2O中結(jié)合的TBACl客體。對(duì)于更缺電子的受體2，與KPF6交換客體后用水洗滌KPF6。與許多大環(huán)化合物不同，合成1和2不需要色譜純化。

2.在有機(jī)溶劑和固態(tài)中的自組裝

大環(huán)1在大多數(shù)有機(jī)溶劑中難溶，但容易形成單晶。因此，1用于晶體學(xué)研究。氟化大環(huán)化合物2表現(xiàn)出更高的溶解度，在有機(jī)和親水性有機(jī)溶劑體系中研究了其自組裝行為和陰離子結(jié)合性能。紫外可見吸收光譜，大環(huán)化合物2在乙腈中聚集，并且隨著大環(huán)化合物濃度的增加，兩個(gè)主要吸收帶（250nm和290 nm）藍(lán)移且色度降低（圖2A）。在100 mM下對(duì)1的MeCN溶液進(jìn)行動(dòng)態(tài)光散射（DLS）分析，得到Z平均（強(qiáng)度加權(quán)）的流體動(dòng)力學(xué)直徑為220 nm，說明形成的聚集體出了簡(jiǎn)單的二聚體。即使在乙腈溶劑中，2也有很強(qiáng)的聚集性。DMSO作為更具競(jìng)爭(zhēng)性的氫鍵溶劑，通過NMR光譜探究了2在其中的聚集性質(zhì)。由于其動(dòng)態(tài)D4h對(duì)稱性，2顯示了NH（單峰）和CH（三重峰）共振的兩組1 H NMR信號(hào)（圖2B）。隨著DMSO-d6 / 0.5％H2O中2濃度的增加，兩組共振峰都向高場(chǎng)偏移（圖2B），表明2的堆積效應(yīng)。與乙腈中的行為相反，DMSO / 0.5％H2O中2的聚集作用較弱，無法通過DLS進(jìn)行尺寸測(cè)定。因此，采用擴(kuò)散磁共振成像來確定DMSO中聚集體的大小。為了闡明大環(huán)的聚集結(jié)構(gòu)，對(duì)游離的大環(huán)1進(jìn)行了X射線晶體學(xué)分析。水蒸氣擴(kuò)散到1的DMF溶液中，形成了單晶，該單晶由納米管道組成，水分子占據(jù)中心腔（圖2C）。大環(huán)化合物采用1,3-反構(gòu)象，其中大環(huán)化合物相對(duì)兩端的兩個(gè)脲基彼此反向平行，并通過氫鍵與相鄰大環(huán)化合物的脲基締合，其余兩個(gè)脲基指向與水分子氫鍵結(jié)合的中心腔。通過偏移π-π堆積來穩(wěn)定環(huán)與環(huán)之間的締合作用，并形成一維柱狀聚集體。由于兩組指向中心的脲基不參與大環(huán)間締合，使得該中心腔位于由非極性芳香化合物的堆積產(chǎn)生的低介電常數(shù)環(huán)境中（圖2C，中間）并且呈正電性(圖2C，右）。表明陰離子在聚集體內(nèi)部結(jié)合而不會(huì)導(dǎo)致聚集體解離。

3.氣液固三相中與陰離子結(jié)合研究

采用ESI-MS對(duì)MeCN/DMF中大環(huán)2和5當(dāng)量TBACl的混合物進(jìn)行了研究。質(zhì)譜結(jié)果顯示，除了簡(jiǎn)單的[2 + Cl]-配合物外，還得到[2+ TBACl-H]-，[22 + Cl]-和[22 + 2Cl + TBA]-，表明在氣相中存在復(fù)雜的化學(xué)計(jì)量比和TBA +與2的Cl-配合物離子配對(duì)。大環(huán)離子受體傾向于形成2:1（受體:離子）夾心復(fù)合物。另外，2:2配合物的形成表明大環(huán)與Cl-聚集克服了陰離子之間的庫侖斥力。在CD3CN / DMSO-d6(9:1)中用TBACl對(duì)2進(jìn)行1H NMR滴定，大環(huán)2的溶解度1 mM。受體濃度分別為76 µM和730 µM，以物質(zhì)分配。如圖3A所示，當(dāng)TBACl為0.5當(dāng)量時(shí)，2的NH和CH共振峰向低場(chǎng)偏移，不論受體濃度如何，CH化學(xué)位移在0.5當(dāng)量的TBACl處都顯示出拐點(diǎn)，表明2:1夾心復(fù)合物的形成，上述ESI-MS結(jié)果也了這一點(diǎn)。作者也發(fā)現(xiàn)TBACl增多導(dǎo)致CH的共振峰向高場(chǎng)偏移或成二重峰，伴隨著由于配體交換而導(dǎo)致的峰展寬。根據(jù)Le Chatelier原理，低聚物或（2·Cl-）n聚合物濃度增加，共振峰將更地向高場(chǎng)偏移，TBA+的α-CH2共振峰向高場(chǎng)偏移也階段多氯絡(luò)合物的形成，表明在中高極性介質(zhì)中存在離子配對(duì)。后，當(dāng)TBACl濃度很高時(shí)，NH和CH共振峰變尖并向低場(chǎng)移動(dòng)。終物質(zhì)的NH和CH化學(xué)位移在兩種受試濃度中幾乎相同，并形成1:2的配合物。該配合物具有雙重負(fù)電性，缺乏可用于大環(huán)間締合的空位脲基基團(tuán)，不能在這種介質(zhì)中聚集。兩個(gè)Cl-位于1·2Cl-配合物的晶體結(jié)構(gòu)平面上方和下方，每個(gè)Cl-與指向同一側(cè)的兩個(gè)脲基相互作用（圖4A）。發(fā)現(xiàn)平衡轉(zhuǎn)移到該絡(luò)合物所需的TBACl濃度較高，1·2Cl-絡(luò)合物可能與TBA +離子配對(duì)。因此，在TBACl中用730 mM 的2進(jìn)行NMR擴(kuò)散測(cè)定。向自由受體中加入1.5mM TBACl，2的擴(kuò)散系數(shù)降低，表明2與Cl-結(jié)合后誘導(dǎo)其低聚。在600 mM的TBACl中，由于溶劑粘度的增加，擴(kuò)散系數(shù)2降低。盡管作者無法地確定低聚程度，但大環(huán)化合物2與1.5mM和600mM TBACl的相對(duì)擴(kuò)散速率之間的微小差異在階段形成的是小分子低聚物而不是高分子量聚合物。作者將Et2O蒸氣擴(kuò)散到大環(huán)化合物1和0.5當(dāng)量氯化鈉的DMSO溶液中，得到DMSO溶劑化的12·Cl-夾心復(fù)合物（含Na(DMSO)5+抗衡離子）單晶。晶體結(jié)構(gòu)（圖4B）中，Cl-位于大環(huán)二聚體的中心腔，由8個(gè)氫鍵保持，NH…Cl的間距為2.41埃至3.28埃。三明治型配合物通過兩個(gè)大環(huán)之間的脲基氫鍵和p-p堆積保持穩(wěn)定。該配合物中大環(huán)的堆積與游離大環(huán)（圖2C）相似，不同之處在于配合物的兩端被DMSO分子封鎖。

4.水溶液中的陰離子結(jié)合

由于60％H2O / MeCN體系的減色性較強(qiáng)，濃度較低的大環(huán)2也會(huì)發(fā)生聚集。作者發(fā)現(xiàn)，在60％D2O / CD3CN體系中將TBACl（10 mM）與2（20 mM）混合后，TBA+的氫譜峰*消失（圖5A），而在純CD3CN溶劑體系中，加入2后TBA +陽離子峰得以保留。結(jié)果表明，在水溶液中，TBA +抗衡離子跟著Cl-結(jié)合到2的聚集體中。如此低的濃度下，TBA+信號(hào)峰消失也對(duì)主客體間的相互作用具有很高的親和力。假設(shè)2為二聚體，作為一個(gè)宿主，通過1:1結(jié)合模型確定夾心復(fù)合物形成，較高的表觀結(jié)合常數(shù)了2在TBACl在60%H2O/MeCN體系中具有顯著的親和力（圖5C）。由于TBA+的疏水性，使得鹽從本體溶液轉(zhuǎn)移到聚集體的疏水微環(huán)境中，為了使受體與陰離子結(jié)合牢固，可能會(huì)降低局部介電常數(shù)來加大氫鍵鍵合的強(qiáng)度。因此，隨著抗衡離子與聚集體結(jié)合，NaCl對(duì)2的親和力降低。在相同溶劑混合物中干燥樣品2的TEM圖像如圖5D左所示，0.5 TBACl存在下2的主要纖維形態(tài)如圖5D右所示。相反，用2當(dāng)量的TBACl處理2時(shí)，觀察到大的附聚物。雖然干燥過程可以改變納米級(jí)結(jié)構(gòu)，但TBACl當(dāng)量不同可以觀察到樣品的不同形態(tài)，多階段Cl-與2的聚集體結(jié)合的存在。與MeCN相比，在60%H2O/MeCN中2對(duì)夾心復(fù)合物形成的氯化物親和力略微降低，但大于DMSO。通過UV-vis滴定測(cè)定在60%H2O/MeCN中2與陰離子的鈉鹽的表觀結(jié)合常數(shù)并總結(jié)在表1中。結(jié)果顯示，與其他常見陰離子相比，2對(duì)Cl-具有高選擇性。從親和力和鹵化物離子之間的峰型關(guān)系可以看出Cl-與大環(huán)聚集體在尺寸上是匹配的。

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