超分子化学葫芦脲专业知识讲座

合集下载

葫芦脲超分子_准_聚轮烷的研究进展_侯昭升

葫芦脲超分子(准)聚轮烷的研究进展侯昭升1,谭业邦1*,黄玉玲1,周其凤2(1山东大学化学与化工学院,济南250100;2北京大学化学与分子工程学院,北京100871)摘要:综述了一类新型超分子-葫芦脲(准)聚轮烷的最新研究进展,包括一维、二维、三维金属(准)聚轮烷,主链、侧链有机(准)聚轮烷和树状大分子(准)聚轮烷的最新研究情况,并对超分子(准)聚轮烷的前景进行了展望。

关键词:聚轮烷;超分子;葫芦脲;进展自从Lehn在1987年作了关于超分子化学的诺贝尔演讲之后[1],轮烷(rotaxane)作为这一领域的崭新成员迅速崛起。

随着超分子化学的飞速发展,自组装、自组织及自复制现象已成为新的研究热点,而且通过这些过程形成的轮烷、索烃等超分子实体也为在纳米和分子尺度上设计和构筑新型的分子器件提供了广阔的应用前景。

轮烷是由一个大环分子(主体)和一个从其内腔穿过并且两端带有大的基团(封基)的线性分子(客体)组成的分子化合物[2]。

如果没有封基或封基太小,线性分子与大环分子之间可自由地离解和缔合,则称为准轮烷(pseudorotaxane)。

在天然和人工合成主体中,人们对冠醚(cro wn ether)[3]、环糊精(cyclodextrin)[4]、杯芳烃(calixarene)[5]等几类主体化合物进行了大量的研究。

进入20世纪90年代以来,超分子化学的发展及非共价键相互作用的广泛应用极大地促进了这类化合物的合成,理论及应用性研究报道、专利申请不胜枚举,如化合物的捕集与分离、光活性物质的拆分、各种化学、药物的吸附或缓释剂、催化剂及载体、微胶囊乃至于轮烷、索烃等类功能纳米材料、超分子实体的合成[6~8]。

葫芦[6]脲(cucurbituril[6],简称CB[6],也称为南瓜环、瓜环、瓜烃。

见图1)早于1905年被合成出来[9],Freema和Mock等[10]于20世纪80年代初重新研究了这个合成反应,确定了其结构并作为主体化合物进行了研究。

超分子化学葫芦脲

8. 3 葫芦脲合成
苷脲葫芦脲的合成路线
Day 等详细研究了酸催化合成葫芦[5～10]脲中的反应机理以及酸的类型、酸的浓度、反应物浓度、反应温度等对产物分配的影响。
结果表明，H2SO4 最有利于葫芦[6]脲的生成，其次是 TsOH 和HCl，随着H2SO4 浓度的降低，葫芦[6]脲在产物中的比例降低。而以HCl 催化时，最佳反应温度是100℃。
葫芦脲具有刚性结构，能够与分子和离子形成高选择性和稳定性的配合物，从而在超分子化学中有着极其重要的应用。全羟基化葫芦[6]脲的尺寸与葫芦[6]脲相当，可以溶于DMSO、DMF 等溶剂，最重要的是羟基可以进一步衍生化，而具有巨大的应用潜力。
8.5 葫芦脲的分子识别
葫芦脲是一类拥有内腔的大环穴状配体，其疏水内腔和由极性羰基基团形成的端口，使其具有极强的高度专一的主—客体键合能力。
Mock和Shil等进一步详细研究了葫芦脲与各类脂肪铵离子在酸性溶液（甲酸溶液）中的相互作用，可通过1H-NMR 和紫外光谱监测。
如：向异丁基胺（(CH3)2CHCH2NH2的稀甲酸溶液中加入葫芦脲，导致脂肪胺甲基质子谱的减弱，伴随着另一个两重峰的出现，推测配合物计量比为1：1。
葫芦[6]脲与各类胺配合物的离解常数
1981 年Freeman 等重新研究此反应，得到了一种无色晶状化合物，由X-射线衍射分析，确定其结构为(C6H6N4O2)6。它是一种具有空腔的桶状大环，顶部和底部两端为羰基氧。因其形状酷似葫芦(Cucurbitaceae)，故Freeman 等提议用葫芦脲 (Cucurbituril，简称CB) 命名这种大环化合物，由于其系统命名太复杂，该俗名目前已被学术界广泛接受和使用。
超分子化学葫芦脲

超分子化学葫芦脲

葫芦脲的合成与制备
合成方法
化学合成法
通过化学反应将不同官能团连接到葫芦脲骨架上，得到目标葫芦脲分子。
生物合成法
利用微生物或植物细胞培养产生葫芦脲，具有环境友好和可持续的优点。
制备流程
材料准备
根据合成方法选择适当的原料和试剂，并进行纯化和干燥处
理。
反应条件控制
根据合成方法选择适当的反应温度、压力、pH值等条件，确保反应顺利进行。
2023-2026
END
THANKS
感谢观看
KEEP VIEW
WENKU DESIGN
WENKU DESIGN
WENKU
REPORTING
https://
历史
随着超分子化学的发展，葫芦脲作为超分子主体分子在自组装、主客体识别、分子识别等领域得腔结构，由甘脲糖苷单元通过糖苷键连接而成，形成一种大环状结构。
组成
根据甘脲糖苷单元的数目不同，可以将葫芦脲分为Cucurbit[n]urils（n=5-10），其中Cucurbit[6]uril是最常见和研究最为深入的葫芦脲之一。
备具有显著影响，需根据实际情况进行优化。
产物纯度与产率
03
优化制备工艺可以提高葫芦脲的纯度和产率，降低副产物的生
成。
PART 05
葫芦脲的表征技术
谱学表征
01
02
03
红外光谱
用于检测葫芦脲分子中的特定化学键振动模式，从而推断其分子结构。
核磁共振谱
通过分析葫芦脲分子中氢、碳等元素的原子核自旋磁矩，进一步解析其分子结构。
WENKU DESIGN
WENKU DESIGN
2023-2026
ONE

基于葫芦脲的发光材料的研究进展

基于葫芦脲的发光材料的研究进展摘要：葫芦[n]脲（CB）具有特殊的疏水空腔结构，能够与客体分子在水溶液中形成具有高选择性和较强的结合能力的主客体复合物。

当葫芦脲（CB）与带有荧光基团的客体分子形成主客体复合物时，发光性质会随主客体络合行为而变化。

本文将对最近发表的基于葫芦脲主客体化学的发光材料的研究进行简要梳理。

关键词：葫芦脲；主客体相互作用；超分子发光材料在过去几十年中，葫芦[n]脲（CB）作为一类大环主体化合物，在超分子化学研究中，特别是在材料科学领域中广受关注[1,2]。

由于其特殊的疏水空腔结构，葫芦脲（CB）能够与各种新颖的客体分子，在水溶液中形成特殊的主客体复合物，且具有高选择性和高结合常数的特点[3-6]。

特别是带有发光基团的客体分子，在与葫芦脲（CB）形成主客体复合物时，其发光性质随主客体络合行为产生显著变化[7]。

本文将对最近发表的基于葫芦脲主客体化学的发光材料的研究进行简要梳理。

1.基于葫芦脲的聚集诱导发光材料聚集诱导发发光效应（AIE）是一类由于分子运动受到分子聚集影响，从而产生荧光增强的特殊现象[8]。

与传统分子荧光现象不同，通常情况下具有AIE效应的分子是一类具有可灵活旋转或振动的分子结构，其在低浓度或分散状态下基本不发光，但在聚集状态下会强烈发光。

其发光主要原理是由于在聚集状态下，分子运动在空间上受到限制，AIE分子遵循辐射路径来消耗吸收的能量，从而出现强烈的荧光发射。

因此，基于超分子化学主客体相互作用，将AIE分子包裹进入葫芦脲CB[n]分子的空腔中，能够有效限制AIE分子在空间上的旋转和运动，从而产生显著的荧光增强效应。

基于以上策略，刘思敏课题组报道了一种超分子发光轮烷[9]。

该设计由葫芦脲CB[10]作为主体，末端修饰四苯乙烯基团的紫精分子作为客体，构成轮烷结构。

2.基于葫芦脲的室温磷光材料图1.葫芦脲CB[8]与三嗪衍生客体（TBP）包合实现在水溶液中的纯有机室温磷光室温磷光效应（RTP）常用于生物传感、成像以及电子发光器件领域。

葫芦[10]脲的纯化及其与环状主体的协同识别研究

葫芦[10]脲的纯化及其与环状主体的协同识别研究超分子化学是研究两种以上的化学物种通过分子间相互作用缔结而成为具有特定结构和功能聚集体的超分子体系的科学。

众所周知,超分子化学的发展离不开对超分子主体(或受体)的发现与开发,从冠醚的发现,到环糊精、杯芳烃、葫芦脲以及柱芳烃的发展经历了一个漫长的过程。

葫芦脲(CB[n]s,n=5-8,10,13-15)是近年来发展迅速的一种大环主体分子,并在超分子主-客体化学中发挥了重要作用。

葫芦脲上下两端环绕着多个电负性羰基氧可通过离子-偶极作用以及氢键作用成为客体分子的结合位点,疏水性空腔可通过疏水作用包结疏水基团或者中性分子,因此对客体的包结表现出了高选择性和高亲和性,在分子识别、超分子催化、超分子聚合物/材料、药物传递和生物医学等领域展现出广阔的应用前景。

葫芦[10]脲在葫芦脲家族中拥有最大的空腔,与其它葫芦脲同系物相比显示出独特的分子识别性质。

但截止到目前关于葫芦[10]脲的文献报道并不多见,主要原因是其分离纯化困难。

本论文将从葫芦[10]脲的纯化、分子识别、协同作用等方面开展工作,并展望葫芦[10]脲化学的发展机遇与面临的挑战。

1.葫芦[10]脲的纯化。

通过向富含有葫芦[10]脲包葫芦[5]脲的葫芦脲粗产物中(6M盐酸溶液)加入特殊的客体化合物,从葫芦[10]脲包葫芦[5]脲中置换葫芦[5]脲而形成不溶于6M盐酸的包合物沉淀,再通过二甲亚砜洗涤包合物沉淀得到纯葫芦[10]脲,该方法具有有简便、快速和高效的优点。

观察到葫芦[10]脲与不同大小的客体分子形成包合物存在着三种类型的结合模式,即化学计量比为:1:1、1:2和1:3。

2.葫芦[10]脲对环状主体分子识别及其协同识别效应研究:a.本论文探究了葫芦[10]脲与一系列环番的主-客体相互作用,可以形成稳定的水溶性(二甲亚砜)的包合物。

在葫芦[10]脲存在下,环番的识别性质深受影响,表现为对客体有正或者负协同效应。

葫芦脲[6]晶体结构

葫芦脲[6]晶体结构
葫芦脲（6-Methyluracil）是一种重要的有机化合物，被广泛应用于医药、农业、材料等行业。

该物质的结构主要由六碳原子、二氢原子和一氮原子组成，形成一种特殊的结构，称为“葫芦脲晶体结构”。

本文主要就葫芦脲晶体结构进行介绍。

首先，该物质的晶体结构具有独特的几何结构。

它的核心由四碳原子形成一个不规则的四面体，上面围绕着六面体，而中心和六面体之间由一个氢原子连接起来；中心的另一个氮原子则由另外两个碳原子组成。

这种独特的构造使该物质的性质具有很强的特异性，可以与其他物质的结构进行特定的化学反应。

其次，葫芦脲晶体结构也具有保护有机分子特性的特点。

由于它的构造独特，它对有机分子抗拒外界侵蚀物质的能力很强，可以有效地保护有机分子不受外界因素的破坏。

此外，葫芦脲晶体结构也有一定的防腐蚀作用。

当某些腐蚀性的氧化物穿过其中，便可以被阻断，从而避免了它们对其他有机分子造成的损害。

最后，葫芦脲晶体结构的不可缺少的用途还包括药物的载体应用。

由于其独特的化学特性，它可以很容易地与大部分药物接触，并可以帮助药物进入受体细胞。

此外，由于它具有保护有机分子特性，有机分子可以安全地存放在葫芦脲晶体结构内，以达到长时间稳定的效果。

综上所述，葫芦脲晶体结构具有独特的几何结构，可以与大部分有机分子发生特定的化学反应，有效保护有机分子不受外界因素破坏，
具有一定的防腐蚀作用，以及可以用于药物载体应用等功能。

它可以为各行各业提供更安全、更有效的应用，为人类社会发展做出重要贡献。

葫芦脲(瓜环)及其超分子化学简介

Ｋｙｗｒｓｃｃｒｉｎｕｉｓｐａｌｕａａｄｃｃｃｅｓｙｎｎｃｖｅｔｎｅａｔｎｅｏｄ：ｕｕｂｔ］ｒ；ｕｒｅｌｒｙｌｃｍｉｒ；ｏｏａｎｉｒｉ［ｌｍｏｃｒｎｍａｏｅｈｔｌｔｃｏ
超分子化学是基于分子间的非共价键相互作
介绍。
一
们的衍生物。随着一类新型的大环化合物葫芦脲
（环）瓜的发现，以其为主体的超分子化学成为研
究的一个热点。学术刊物（ｕｅａｏｅｕａＳｐｒｍｌｌｃｒＣｅｉｙ的创刊和有关的专著问世（Ｓｐｒｈｍｓ）ｒ）｛ｕｅ—
收稿日期：Ｏ００～３２ｌ— ４Ｏ
作者简介：蔡元志（５１９化学实验教学与研究。
・
）贵州兴义人，男，兴义民族师范学院化学生物系实验师，主要从事无机
Ｌｈ。．１９；ＭｏｅｕａｅｉｓｎｃｉｓｅｎＪ５（ｌｌＤｖｅｄＭａｈｎＭ．９（ｃｒｃａｅＡＪｕｅｔｔｅＮｎｗｒ）Ｂｌｎ，．ｔ１０２，ｏｒｙｉｏｈａｏｏｌ）ａａｉＶｅａ．０）ｎｎｄｚ２
ＣＡＩａ－ｈＹｕｎｚｉ
（ｉｙＮｒｌｎｖｒｉｒａｉａｔｓＸｎｙ，ｕｚｏ６４０ＣｉａＸｎｉｏｍａＵｉｓｙｏＮｔｎｌｉ，ｉｇｉＧｉｕ５２０，ｈｎ）ｇｅｔｆｏｉｅｈ
Ａｓｒｃ：ｈａｅｉｒｄｃｄｔｅｓｕｔｒ，ｒｐｒｅｆｕｕｂｎｕｉａｄｔｅｓｐａｌｃｌｈｍｓｙｓａｃｉｂｔｔＴｉｐｐｒｎｏｕｅｒｃｅｐｏｅｉｏｃｒｉ］ｒｎｕｒｅｕｒｅｉｒ’ ｒｅｒｈｎａｓｔｈｔｕｔｓｅｔ［ｌｈｍｏａｃｔＳｅｇｐｏｒｓａｏｔｅｎｒｃｏｆｕｕｂｔ］ｒｄｔｅｒｐｒｅｅｃｌｏｙｆｍｗｉｅａｐｉｔｎｐｏｐｃｆｕｕｂｔｒｅｓｂｕｔａｔｎｏｃｒｉｎｉａｏｅｔｓｆｈｍｉｄ，ｒｈｃｔｌａｏｒｓｅｔｏｃｃｒｉｇｈｔｉｅｉｃ［ｕｌｎｈｐｉｏｃａｂｏｈｈｐｃｉｓ［】ｉａｅｒｓｎｄｎｒｅｅｔ．ｕｌｒｐｅ

(羟基)葫芦脲的氧化及硝化硝解

（羟基）葫芦脲的氧化及硝化/硝解葫芦脲是甘脲经由亚甲基桥联而成的笼状大环含氮化合物,是一个高度对称的中空刚性分子。

其在超分子组装、药物载体、分子开关、催化反应等诸多领域都具有广泛的应用。

近年来,葫芦脲的相关研究已成为国内外的研究热点之一。

但葫芦脲的低溶解性和不易衍生化严重妨碍了葫芦脲的深入研究和快速发展。

本论文在剖析了葫芦脲的结构特点,即葫芦脲的结构单元包含脲基、桥联亚甲基和腰间偕二次甲基基础上,考虑到脲羰基的水解及其胺硝化、sp3杂化的C-H 键的功能化均能使葫芦脲分子衍生化,从而改进葫芦脲自身的固有缺陷,试图开启葫芦脲研究的新领域。

论文在086专项任务的支持下,开展了葫芦脲的氧化及其硝化/硝解的相关研究。

具体工作结论和创新成果分述如下:1、论文以自制的葫芦脲为原料,采用紫外分光光度计研究了温度对于葫芦[n]脲(n=5,6,7,8)在纯水及不同浓度盐酸中溶解度的影响,温度测试范围为273.15 K至323.15 K之间。

发现CB[n]在这些溶液中的溶解度受温度的影响符合一般规律,即均随温度升高而增大,但是溶解度在不同溶剂中增大的速率不一样。

对于CB[6]及CB[8]而言,酸的浓度越大溶解度越高;对于CB[7]而言,溶解度随酸浓度的变化比较复杂;最值得指出的是CB[5],其溶解度随温度升高的速率在水中比在酸中大很多,即当温度低于室温时,CB[5]的溶解度随酸浓度的升高而升高;当温度高于室温时,在水中的溶解度远大于在酸中的溶解度。

这有些出乎意料,因为一直以来人们都认为葫芦脲在酸中的溶解度要大于在水中的溶解度。

据此在分离葫芦脲时,可以利用纯水代替酸加热至323 K以上将CB[5]与其它葫芦脲分开。

这为CB[5]的分离提纯提供了一种比较环保的方法。

2、系统研究了不同氧化剂对葫芦脲的氧化情况。

所选氧化剂包括硝酸(HNO3)、双氧水(H2O2)、氧气(O2)及过氧硫酸盐。

研究结果表明只有过氧硫酸盐可以氧化葫芦脲得到羟基葫芦脲。

超分子化学葫芦脲共77页PPT资料

葫芦[n]脲结构参数比较
葫芦脲水溶性
CB[n] with odd n (n = 5, 7) are nicely soluble in neutral water whereas CB[n] with even n (n = 6, 8, 10) are poorly soluble. Fortunately, CB[n] exhibit good aqueous solubility under acidic conditions or in the presence of certain metal cations (e.g. Na2SO4) and many CB[n] guest complexes exhibit good solubility in water
1981 年Freeman 等重新研究此反应，得到了一种无色晶状化合物，由X-射线衍射分析，确定其结构为(C6H6N4O2)6。它是一种具有空腔的桶状大环，顶部和底部两端为羰基氧。因其形状酷似葫芦(Cucurbitaceae)，故Freeman 等提议用葫芦脲 (Cucurbituril，简称CB) 命名这种大环化合物，由于其系统命名太复杂，该俗名目前已被学术界广泛接受和使用。
Mock和Shil等进一步详细研究了葫芦脲与各类脂肪铵离子在酸性溶液（甲酸溶液）中的相互作用，可通过1H-NMR 和紫外光谱监测。
如：向异丁基胺（(CH3)2CHCH2NH2的稀甲酸溶液中加入葫芦脲，导致脂肪胺甲基质子谱的减弱，伴随着另一个两重峰的出现，推测配合物计量比为1：1。
葫芦[6]脲与各类胺配合物的离解常数
Mock对葫芦[6]脲作为合成受体键合客体分子的性质进行了广泛的研究。由于葫芦脲同系物空腔和端口尺寸随着缩合数的增大而增大，从而可以键合各种大小不同的分子和离子。

基于葫芦脲的超分子催化效应的研究进展

基于葫芦脲的超分子催化效应的研究进展摘要：主客体化学是基于大环主体化合物和客体分子相互作用的超分子化学研究门类。

主体与客体分子以弱相互作用链接，形成主客体复合物。

这一过程通常具有较高的选择性。

因此，如果将反应底物作为客体，客体间的化学反应受到大环主体化合物空腔的局限，能够显著调整反应的选择性，同时增加反应活性。

葫芦[n]脲（CB）是一种刚性大环主体化合物，具有独特的空腔结构，在超分子化学研究领域，特别是超分子催化研究中具有重要价值。

本文对近期基于葫芦脲（CB）的主客体化学在超分子催化领域的研究进展进行了梳理，列举了葫芦脲（CB）在不同的催化应用场景中的特殊作用。

关键词：葫芦脲；主客体相互作用；超分子催化引言：自然界中，酶具有特殊的微观结构。

生物分子如蛋白质等，相互交叠缠绕，产生独特的空间囊袋状空腔结构。

这类结构通常技能允许特定结构或尺寸的分子进入，从而在生化反应中表，酶促反应表现出的几强的反应专一性和生物活性。

受此启发，超分子化学家选择大环主体化合物作为模拟人工模拟酶的研究对象。

大环主体化合物，如环糊精、杯芳烃、葫芦脲、柱芳烃等，由于具有与天然酶类似的空腔限域结构，可以视为分子笼或分子容器，常被用于反应催化研究。

由于这些大环主体化合物具有限定的空腔以及特殊的分子识别性质，可通过与反应底物产生主客体作用，呈现“反应预备”状态，以提高局部高浓度或实现有效取向，或者能极大的稳定反应中间态和活性中间体，从而提高反应选择性和反应速率[1,2]。

与其他大环主体化合物相比，葫芦脲具有相对刚性的结构，其疏水空腔的尺寸不同，能够特异性地结合不同的客体分子，不仅能结合中性客体还可以通过离子偶极相互作用力与缺电子的客体结合，这使得葫芦脲具有特殊的主-客体识别性能。

特别是在水溶液中葫芦脲形成络合物的能力取决两个主要影响因素：在水介质中的溶解度和疏水空腔的大小。

首先通过对主客体复合物在水溶液中相互作用的热力学研究发现，由于葫芦脲空腔具有高度疏水效应，当客体分子进入葫芦脲空腔时，溶剂水分子被排出，降低了体系的焓值。

基于葫芦脲的超分子聚合物研究进展

基于葫芦脲的超分子聚合物研究进展摘要：超分子化学研究中，大环主体化合物是主客体化学的基石，其结构通常为具有多个重复单元的环状低聚物。

主体与客体分子以弱相互作用链接，这种主客体复合物的形成，通常具有高选择性和动态可逆性，具有特殊的动力学性质，可用于构筑可逆的刺激响应性材料并应用于多种领域。

葫芦[n]脲（CB）是一种是由亚甲基单元和甘脲单元组成的笼状主体化合物。

得益于良好的结构刚性和适宜的空腔尺寸，葫芦脲在超分子化学、聚合物材料、发光材料等领域内的受到关注，具有良好的应用前景。

本文对近期基于葫芦脲的主客体化学在超分子聚合物研究进展进行了简要整理。

关键词：葫芦脲；主客体相互作用；超分子聚合物超分子化学是一门多学科交叉的学科，在过去的几十年的发展中，围绕其定义——“超越分子的化学”，化学家们开展了一系列的挑战性的跨领域学科的研究，在分子识别与催化、纳米材料、凝胶材料、生物材料等多种领域中均取得了广泛的应用，并产生了叫深远的科学影响[1]。

由于其重要的科学研究意义，超分子化学家于1987年和2016年两次获得诺贝尔化学奖[2-6]。

超分子化学侧重于通过非共价弱相互作用力，如氢键、π-π堆积、静电作用、亲疏水作用、金属配位作用等，将多个组分组装更高阶的复杂体系。

这些复杂体系通常具有高的选择性和特殊的响应性，或者可以通过互补组分之间的可逆结合赋予超分子结构特殊的物理和化学性质，从而应用于构筑具有可逆的刺激响应性材料，在化学传感、材料科学以及生物医药等多种领域中有广泛的应用前景[7]。

在众多的超分子化学研究中，大环主体分子是重要的研究对象和理论模型。

传统的大环主体化合物是由一系列重复基元片段构筑的环状低聚物，如冠醚、环糊精、杯芳烃、葫芦脲和柱芳烃等。

这些主体分子可以通过不同的相互作用力，包裹客体分子，从而构筑高阶的复杂超分子组装体系[8-12]。

图1.葫芦脲的结构及其常见同系物葫芦[n]脲（Cucurbit[n]uril，CB）是新一代主体分子，因其整体结构形似葫芦，故将其命名为葫芦脲。

葫芦脲

化学通报
2005 年
第 68 卷
2004030802
w054
葫芦脲
李刚冯亚青*
(天津大学化工学院天津 300072)
摘
要
介绍了葫芦脲分子受体的超分子体系的研究进展，包括葫芦脲的合成、衍生化、分子识葫芦脲分子识别分子组装
别与组装及潜在的应用前景。关键词
表1 葫芦[n]脲 n=5 n=6 n=7 n=8 端口直径/Å 2.4 4.0 5.4 6.9 葫芦[n]脲结构参数比较空腔直径/Å 4.4 5.5 7.3 8.8 空腔体积/Å 82 164 279 479 分子高度/Å 9.1 9.1 9.1 9.1
Tab.1 Comparison of the structural parameters of cucurbit[n]urils
2

化学通报
2005 年
第 68 卷
w054
反应物浓度、反应温度等对产物分配的影响。结果表明，H2SO4 最有利于葫芦[6]脲的生成，其次是 TsOH 和 HCl，随着 H2SO4 浓度的降低，葫芦[6]脲在产物中的比例降低。以 HCl 催化时，最佳反应温度是 100℃。 Wu 等[8]研究了三种合成亚甲基桥连的干脲二聚体衍生物的方法，其中干脲上可以有烷基、芳基、羧酸酯或杂环等取代基。由于干脲二聚体是葫芦脲的基本结构单元，故这对研究葫芦脲合成的基本步骤具有重要意义，也对新的葫芦脲同系物及其衍生物的合成提供了可能。Wu 等[9]合成了一系列带有吸电基(酯、羧酸盐或酰胺)的干脲，这些独特的单体有可能进一步反应得到新的葫芦脲衍生物。Burnett 等[10]系统地研究了非环葫芦脲的合成和性质，从而进一步阐述了葫芦脲的合成机理。

打破主客体的界限——新型葫芦脲衍生物

打破主客体的界限——新型葫芦脲衍生物在人类文明的发展史中出现了许多令人惊叹的建筑，如中国的万里长城、埃及的金字塔等，这些建筑的构建除了需要精心设计外，更需要各种不同的结构单元来实现各种不同的功能。

在科学领域也存在着类似的现象——分子器件的构建，微观的分子器件与宏观的建筑一样，它们的构建离不开各种不同的结构单元，这些单元可以是结构简单的小分子客体化合物，也可以是具有特殊识别能力的大尺寸主体化合物，如环糊精、杯芳烃、冠醚、环番、柱芳烃、金属有机多面体等。

通过这些分子的组装，科学家们制备了一系列不同的功能性分子器件，如光学传感器、药物运输载体、分子电子器件及分子机器。

近些年，一种由甘脲衍生出的主体化合物——葫芦脲，其对客体分子具有高度的选择性和亲和性，并可以与客体分子形成具有刺激响应性的主客体包合物，因此被广泛地应用到分子机器的构建中。

图1 a）葫芦脲和M1的结构式；b）6的合成示意图；c）1的合成示意图（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.2018, Accepted）近日，美国马里兰大学帕克分校的Lyle Isaacs教授在其发展的开环葫芦脲（M1）基础上制备了一种蝴蝶烯修饰的开环葫芦脲（1），并发现这种化合物在与其它分子进行结合的时候同时扮演了主体分子和客体分子的角色。

2009年，Isaacs教授在第238届美国化学年会上首次报道了这种新型葫芦脲同系物——开环葫芦脲，之后Isaacs课题组对这种类型的葫芦脲进行了详细研究并发现其在分子识别、药物运输、药物增溶等方面具有传统葫芦脲不具备的性质。

而经过蝴蝶烯修饰后，这种主体化合物不仅能识别一些传统的客体分子，还可以与Blue Box和Fujita Square等大尺寸分子形成稳定的包合物。

该成果以“Blurring the Lines Between Host and Guest: A Chimeric Receptor Derived from Cucurbituril and Triptycene”为题发表于《德国应用化学》（DOI: 10.1002/anie.201803132）。

基于葫芦脲为主体分子自组装构建囊泡分析

作者：安一博[1]
作者机构： [1]河北农业大学,河北沧州061100
出版物刊名：化工管理
页码： 147-147页
年卷期： 2019年第32期
主题词：葫芦脲;主体分子;自组装;构建囊泡
摘要：葫芦脲是一类由苷脲与甲醛经过特殊的化合反应而形成的大环分子,具备优秀的分子识别性能及配位性能,在隔离、催化、医药、互锁分子及超分子体系构建等领域有着广泛的应用,当前被大量用于进行超分子结构的构建.以葫芦脲为主体的分子,在水中可以通过自行的组装形成囊泡结构,将葫芦脲为主体分子,通过自己的组装构建囊泡,形成一种纳米胶囊,然后通过加入过量药剂,形成一种新型的药物载体,文章主要对葫芦脲为主体分子自组装构建囊泡.。

向日葵状葫芦脲的合成与超分子自组装

向日葵状葫芦脲的合成与超分子自组装王巧纯【摘要】葫芦脲(C B[n],n为最小重复单元数)是一类由苷脲与甲醛经缩合环化而形成的大环分子,因具有良好的分子识别性能及配位性能,在分离、催化、医药、互锁分子及超分子体系构建等领域有着广泛的应用.本课题组在苷脲分子中间的桥上增加一个碳原子,得到苷脲类似物丙基二脲(TD),TD进一步与甲醛缩合环化得到一系列向日葵状葫芦脲类似物(TD[n]).与传统苷脲相比,TD容易在碳原子上衍生化,衍生物对成环反应的影响较小,容易获得TD[n].相比CB[n]的n最小值为5,TD[n]的n 最小值减小到4,TD[4]是目前为止文献报道的葫芦脲家族的最小成员.此外,这些TD[n]有的对金属离子具有很好的选择配位能力,有的对质子化有机胺具有强的外结合性能,它们分别构建了一系列一维、二维或刺激响应型超分子聚合物.研究结果为TD[n]在超分子化学等领域的进一步应用打下坚实的基础.【期刊名称】《功能高分子学报》【年(卷),期】2019(032)001【总页数】4页(P9-12)【关键词】葫芦脲;大环分子;自组装;超分子聚合物【作者】王巧纯【作者单位】华东理工大学化学与分子工程学院精细化工研究所,结构可控先进功能材料及其制备教育部重点实验室,上海200237【正文语种】中文【中图分类】O631葫芦脲(CB[n], n为最小重复单元数)是一类由苷脲(G)与甲醛在酸性条件下缩合而成的大环分子，其结构通常具有高度对称性，外形类似南瓜，内部是隆起的疏水空腔，两个端口由羰基环绕而成。

CB[n]可以包结气体分子、有机小分子、金属离子以及带正电荷的物质，近年来成为催化、材料以及超分子化学等领域的研究热点[1-4]。

自1981年CB[6]结构首次被确定以来[5]，CB[5]、CB[7]、CB[8]、CB[10]、CB[13]～CB[15] 以及不少葫芦脲衍生物及类似物相继被报道[6]。

由于苷脲与甲醛在缩合环化过程中会生成一系列同系物，以及苷脲只有在其腰部桥碳位置(图1(a))才可以引入官能团，而官能团的空间位阻效应不利于苷脲与甲醛的缩合环化，因此葫芦脲家族的分离提纯以及功能化修饰一直是该研究领域的难点。

葫芦_6_脲单轮烷键合固定相的制备_表征及色谱性能

2008年第66卷化学学报V ol. 66, 2008第1期, 63～72 ACTA CHIMICA SINICA No. 1, 63～72* E-mail: lilaishengcn@Received June 8, 2007; revised July 16, 2007; accepted September 3, 2007.江西省教育厅科技基金(No. 2006-07)资助项目.64化学学报V ol. 66, 2008一类新型笼状大环主体分子. 葫芦脲拥有疏水性的内部空腔, 可与客体分子通过疏水作用形成包结; 空腔两端环绕的多个羰基又可成为阳离子的键合位点, 通过离子-偶极作用和与脲羰基的氢键作用键合客体分子. 因此其对多种有机阳离子、金属离子和中性分子具有选择性包结配位能力, 在分子识别、分子组装、分子催化、污水治理和分离科学等领域引起广泛的关注, 展现了广阔的应用前景[1].吴等[2,3]将葫芦[7]脲用作毛细管电泳添加剂成功地分离了多种芳香族位置异构体, 并利用毛细管电泳研究了甲酸溶液中葫芦[6,7]脲与氨基化合物的包结作用[4], 初步展示了葫芦脲在分离科学中的应用潜能. 但是由于葫芦脲在普通溶剂中极差的溶解性以及高化学稳定性而难以进一步衍生化, 其实际应用(尤其是在分离科学方面)一直受到限制. 直到2003年Kim等[5]报道了一种方便的合成多羟基葫芦脲衍生物的新方法, 该衍生物可溶于二甲亚砜和N,N-二甲基甲酰胺, 其带有的多个活性羟基可以进一步衍生化, 扩展了葫芦脲的应用前景, 尤其是为葫芦脲在分离科学中的应用开辟了道路. 冯等[6]首次将十二羟基葫芦[6]脲与硅胶键合, 用于液相色谱固定相, 成功分离了麻黄素等六种生物碱, 但并未提及葫芦脲空腔对色谱分离的贡献, 将其归为亲水作用固定相. Kim等[7]将十二羟基葫芦[6]脲与烯丙基溴化物反应得到的烷基化衍生物键合到硅胶上, 制成葫芦脲键合硅胶固定相, 但未进行色谱性能表征, 也没有具体的色谱应用. 有关葫芦脲在液相色谱固定相中应用的报道仅此两篇, 主要是由于羟基葫芦脲的进一步衍生化反应条件苛刻, 且多为专利方法[8], 制约了葫芦脲键合相的研究与实际应用. 因此, 研究葫芦脲键合相制备的新方法和制备新型葫芦脲固定相, 对葫芦脲的色谱研究和发展实际分离应用都具有重要意义.葫芦脲的另一特征是其结构的刚性, 葫芦脲不能改变形状以适应客体分子, 所以其配位作用有极强的专一性[1]. CB[6]的空腔尺寸(0.39 nm)比β-环糊精小得多[9], 众多研究[9～14]表明: 由于葫芦脲独特的穴腔结构, 两头小、中间大, 具有限进性, 使它对客体分子的键合具有高度选择性, 只有尺寸匹配的小分子客体才能进入葫芦脲空腔, 形成内式包结物. 能进入CB[6]内腔形成内式包结物的客体类型主要有直链脂肪单胺或双胺、单取代或对位二取代芳香胺等有机铵离子, 四氢呋喃、二氧六环、吡啶、苯等中性有机小分子客体和氙气等气体小分子客体. Mock[15]提出苯环是CB[6]的包结上限. 因此CB[6]腔体的包结对象有限, CB[6]对大多数客体分子(特别是大分子客体)的识别作用主要依靠端口脲羰基的离子-偶极和氢键作用. 目前葫芦脲键合固定相的分离机理尚不清楚, 由于CB[6]空腔的包结对象范围较窄, CB[6]内腔对色谱分离的贡献可能有限.轮烷(rotaxane)是由一个大环分子(主体)和一个从其内腔穿过并且两端带有大的基团(封基)的线性分子(客体)组成的[16]. 如果没有封基或封基太小, 线性分子与大环分子之间可自由地离解和缔合则称为准轮烷(pseudorotaxane). 目前葫芦脲分子组装已得到广泛的研究, 主要有Kim[17], Mock[18]和Buschmann等[19]研究小组，技术已非常成熟. Buschmann等[20]报道1,6-己二胺与CB[6]的准轮烷经苯甲酰氯封端, 可得到葫芦[6]脲单轮烷. 葫芦[6]脲单轮烷虽然由1,6-己二胺细长链占据了CB[6]内腔, 但保留了对分子识别起重要作用的两个环形脲羰基端口, 同时引入了苯环和酰胺基等新的作用位点. 因此本实验在参考以上研究小组工作的基础上, 将超分子自组装技术与色谱键合硅胶固定相制备技术相结合, 构建新型葫芦脲键合固定相. 采用γ-[(2,3)-环氧丙氧]丙基三甲氧基硅烷(KH-560)为偶联剂, 首次将一种葫芦[6]脲单轮烷(CB6MR)键合到硅胶上, 制备了一种新型的葫芦[6]脲单轮烷键合固定相(CB6MRBS). 该方法简便易行, 避免了葫芦脲衍生化困难和反应条件苛刻的不足, 为葫芦脲在色谱中的应用提供了新途径. 通过元素分析、红外光谱和热分析对该固定相进行了结构表征, 在正相和反相模式下, 以多种溶质为探针, 评价了其基本色谱性能, 探讨了新固定相的分离机理.1 实验部分1.1 仪器与试剂高效液相色谱仪由LC-6A高压泵(Shimadzu)、SPD-6AV紫外-可见光检测器(Shimadzu)和N-2000双通道色谱工作站(浙江大学智能信息工程研究所)组成, 配有7725型手动进样器(Rheodyne公司). UOD1106元素分析仪(Italy), Magna-IR 550红外光谱仪(Nicolet), Dia-mond TG/DTA热分析仪(Perkin Elmer).球形硅胶(粒径10 µm, 比表面积约为260～280 m2/g, 中国青岛美高化工有限公司), γ-[(2,3)-环氧丙氧]丙基三甲氧基硅烷(武汉大学化工厂, KH-560), 甲醇(色谱纯, 上海陆都化学试剂厂), 三乙胺(分析纯, 重蒸), 其他试剂均为分析纯, 实验用水为二次蒸馏水.用于对照研究的Symmetry C18色谱柱(3.9 mmi.d.×150 mm, 5 µm)购于Waters公司.1.2 CB[6]和CB6MR的合成按文献[21]方法制备CB[6], 产物经质谱和傅立叶红外光谱鉴定.参照文献[20]方法并略加改进合成CB6MR. 将2.0No. 1 李来生等：葫芦[6]脲单轮烷键合固定相的制备、表征及色谱性能65g (2.0 mmol) CB[6]和0.232 g (2.0 mmol) 1,6-己二胺溶于30 mL 16%的盐酸溶液, 于室温下磁力搅拌8 h. 取1.6 g (11.6 mmol)对羟基苯甲酸置于150 mL圆底烧瓶中, 加入50 mL 氯化亚砜, 于80 ℃油浴回流2 h, 减压蒸除过量的氯化亚砜, 然后加入40 mL乙醚溶解所得到的对羟基苯甲酰氯. 搅拌下将以上两种溶液混合, 并加入5.9 g (0.14 mol)氢氧化锂. 将反应所产生的沉淀滤出, 产物依次用5%的盐酸、蒸馏水和乙醚洗涤数次, 真空干燥, 产率76%. 产物经傅立叶红外光谱鉴定, 元素分析测定值(理论值, %): C 45.37 (49.70), H 4.47 (4.44), N 24.73 (26.92). 取少量产物溶解于浓硫酸, 滴入几滴三氯化铁溶液, 溶液显蓝紫色, 表明该产物中存在酚羟基. 其合成路线见图式1.1.3 CB6MRBS键合固定相的制备CB6MRBS键合硅胶固定相的制备路线如图式2所示, 制备过程如下:采用3 mol•L－1盐酸浸泡硅胶过夜, 第二天回流12 h, 用二次蒸馏水反复超声洗涤, 直至洗液接近中性, 最后用丙酮洗涤二次, 在160 ℃下烘烤除水活化6 h, 冷却后保存于干燥器中备用.取5.0 g经活化的干燥硅胶于150 mL 圆底烧瓶中, 加入80 mL无水甲苯(金属钠除水新蒸), 搅拌下加入4.0 mL KH-560和3滴三乙胺. 在N2保护下于100～120 ℃油浴中加热回流, 反应12 h, 冷却, 用甲苯抽提24 h, 依次用丙酮、甲醇和丙酮洗涤两次, 80 ℃下真空干燥8 h, 得偶联剂键合硅胶(KBSG).称取1.4 g CB6MR置于150 mL圆底烧瓶中, 加入70 mL无水甲苯(金属钠除水新蒸), 加热搅拌使其溶解, 磁力搅拌下加入4.0 g偶联剂键合硅胶, 2 滴高氯酸, 装配带CaCl2的回流装置, 在N2 保护下于100～120 ℃油浴中加热回流, 反应24 h, 冷却, 依次用甲苯、水、甲醇抽提至洗液为无色透明, 80 ℃下真空干燥8 h, 得葫芦[6]脲单轮烷键合固定相(CB6MRBS). CB6MRBS固定相经真空干燥10 h后, 再送检元素分析、红外光谱分析、热分析等.1.4 CB6MRBS柱的填充和色谱方法以异丙醇作匀浆剂, 以匀浆法将CB6MRBS填充入不锈钢色谱柱管(4.6 mm i.d.×150 mm)中. 色谱评价在室温下进行, 检测波长254 nm. 反相模式以甲醇-水为二元流动相, 流速0.8 mL•min－1, 以甲醇溶剂峰的保留时间为死时间. 正相模式以不同比例的正己烷/异丙醇, 正己烷/乙醇, 正己烷/三氯甲烷为流动相, 死时间由1,3,5-三叔丁基苯测定.图式1 CB6MR的制备Scheme 1 The preparation of CB[6] monorotaxane (CB6MR)66化学学报 V ol. 66, 2008图式2 CB6MRBS 的制备Scheme 2 The preparation of CB[6] monorotaxane bonded silica gel stationary phase2 结果与讨论2.1 CB6MRBS 的制备与结构表征CB6MRBS 的制备采用固液相表面连续反应法. 先将偶联剂键合到硅胶表面, 然后将配体与键合硅胶固定相表面上的偶联剂活性基团反应. 这种方法明显的优点是, 每步反应后可用溶剂及时除去多余的偶联剂或配体, 可避免繁复的分离操作, 也利于固定相的结构表征.通过元素分析、红外光谱和热分析所提供的有关固定相表面配体及其键合量的有关信息, 加之键合前后硅胶表面色谱性能变化以及溶质探针保留数据重现性考察, 来反映硅胶表面键合配体的稳定性.重复三次实验所得到的CB6MRBS 和KBSG 的元素分析如表1所示. 从表1可见, 键合反应有较好的重复性但键合量偏低, 可能是配体本身较大的位阻效应所致, 且键合反应的条件有待进一步改进.表1 CB6MRBS 和KBSG 的元素分析结果Table 1 The results of elemental analysis for CB6MRBS and KBSG Bonded phaseBatchw (C)/% w (H)/% w (N)/%Bondedamount/(mmol•g －1)1 10.42 1.66 1.33 0.0372 10.55 1.69 1.35 0.037 CB6MRBS3 10.70 1.75 1.39 0.038 1 7.95 1.43 — 0.8652 8.08 1.46 — 0.879 KBSG3 8.01 1.45 — 0.871图1为活化硅胶、KBSG 和CB6MRBS 的红外光谱图(KBr 压片). 与活化硅胶相比较, 中间产物KBSG 在图1 活化硅胶(a), KBSG (b)和CB6MRBS (c)的红外光谱图 Figure 1 Fourier transform infrared spectra of activated silica gel (a), KBSG (b) and CB6MRBS (c)2938.32和2878.86 cm －1处出现表征CH 2的不对称和对称伸缩振动峰, 表明硅胶表面含有有机物; 而位于3440 cm －1左右的硅羟基伸缩振动强峰减弱, 说明硅胶表面的硅羟基参与了偶联反应(从964 cm －1左右硅醇基吸收峰的相对强度明显减弱进一步得到验证). 最后产物CB6MRBS 除了表征CH 2的不对称和对称伸缩振动峰进一步增强外, 1476.60 cm －1处CH 2的弯曲振动峰较KBSG 显著增强; 在1739.20 cm －1处出现强羰基吸收峰. 显然, 酰胺羰基不可能有如此强的吸收, 这主要是由于配体中的CB[6]具有十二个脲羰基. 而羰基强而宽的吸收峰掩盖了苯环的特征吸收峰. 以上说明硅胶表面已存在CB6MR 配体.热重分析测得CB6MRBS 比KBSG 多失重5.0% (30～700 ℃, 10 ℃•min －1, 见图2), 这与元素分析计算出的键合量基本相符. 实验还发现, 在相同的色谱条件下, 多环芳烃(PAHs)在CB6MRBS 上的保留远比KBSGNo. 1 李来生等：葫芦[6]脲单轮烷键合固定相的制备、表征及色谱性能67图2KBSG(a)和CB6MRBS (b)的热重分析图Figure 2The thermogravimetric analysis chart of KBSG (a) and CB6MRBS (b)强, 说明配体已被成功键合到硅胶表面.2.2 柱效与稳定性考察以联苯为溶质探针, 在反相色谱条件下, 甲醇-水(40∶60, V/V, 0.8 mL•min－1)为流动相, 联苯在CB6MRBS柱的保留时间为12.40 min, 测得理论塔板数为8881块/米; 在正相色谱条件下, 以100%正己烷(0.5 mL•min－1)为流动相, 联苯的保留时间为4.51 min, 测得理论塔板数为14201块/m. 可以看出用非极性化合物评价时, 正相模式柱效比反相模式高. 与商品柱相比, 新柱的柱效相对较低, 可能与硅胶基质、键合量、封尾处理和填装技术等因素有关.采用联苯为检测样品, 考察新色谱柱的柱稳定性. 在反相条件下, 考察了CB6MRBS在流动相pH值分别为 2.5和7.5时的水解稳定性. 采用甲醇-0.01 mol• L―1 KH2PO4 (40∶60, V/V)反复冲洗CB6MRBS柱, 经过4000倍柱体积的流动相冲洗后, 联苯保留时间的RSD 为2.8% (n＝5), 未发生明显变化, 说明CB6MRBS键合相具有较好的抗水解性能, 可在pH 2.5～7.5下长期使用. 色谱柱在正相模式下使用一个月后, 联苯保留时间的RSD为3.5% (n＝5), 保留时间变化不大, 表明在有机溶剂中固定相键合层稳定, 新柱的色谱重现性较好.2.3 CB6MRBS的反相色谱性能2.3.1 疏水性考察采用苯、甲苯、乙苯、n-丙苯和n-丁苯为溶质探针, 以ODS (Octadecyl-bonded silica gel stationary phase)柱为参比, 考察了键合相的疏水性. 由图3可以看出, 烷基苯的lg k'与亚甲基数(n)之间呈良好的线性关系, 符合碳数规律. 键合相线斜率(0.1232)小于相同条件下ODS 的斜率(0.3740). 表明该新型硅胶键合相具有反相色谱性能, 但疏水性比ODS弱.图3 烷基苯的lg k'与亚甲基数(n)的关系图Figure 3 Plot of log k' vs. the number (n) of methylene groupsin alkylbenzenesMobile phase: methanol-water (40∶60, V/V); flow rate: 0.8 mL•min―12.3.2 芳烃的分离图4考察了新固定相对稠环芳烃的分离. 9种溶质在CB6MRBS柱上基本达到基线分离(除菲和蒽), 其出峰顺序与ODS相同. 图5为稠环芳烃的保留因子对数值(lg k')随流动相中甲醇含量(φ)变化的关系图. 溶质的保留值随流动相中甲醇含量的增加而减小, 且lg k'与φ之间呈良好的线性关系, 进一步说明CB6MRBS具有反相色谱性能, 在分离非极性化合物时主要基于疏水作用. 实验发现苯、萘、蒽的容量因子与分子内苯环数具有良好的线性关系, 线性方程为lg k'＝－0.7413＋0.6198n, R＝0.9998, 类似碳数规律, 可称为“苯环数规律”.图49种稠环芳烃在CB6MRBS上的色谱分离图Figure 4 Chromatogram of nine aromatic compounds on CB6MRBSMobile phase: methanol-water (40∶60, V/V); flow rate: 0.8 mL•min－1. Peaks: (1) benzene, (2) toluene, (3) xylene, (4) naphthalene, (5) biphenyl, (6) fluorine, (7) phenanthrene, (8) anthracene, (9) fluoranthene文献[6]报道羟基葫芦[6]脲与硅胶键合后为亲水作用液相色谱填料, 而CB6MRBS却具有明显的反相色谱特征. 原因可能是: KH-560偶联剂间隔臂含有6个亚甲68化学学报V ol. 66, 2008图5 9种芳香族烃类化合物的lg k'与甲醇含量(φ)关系图Figure5 Plot of lg k' of nine aromatic compounds vs. methanol content (φ) in mobile phasesMobile phase: methanol-water (40∶60, V/V); flow rate: 0.8 mL•min－1基, 本身具有一定的疏水性; CB[6]具有由6个甘脲单元和12个亚甲基桥键连接起来的刚性空腔结构, 其极性羰基高度有序地排列于空腔两端, 除端口亲水外, 腔体外围是疏水性的; CB6MR通过1,6-己二胺长链穿过CB[6]空腔, 再以对羟基苯甲酰氯封端, 芳环的引入增加了键合相的疏水性.2.3.3 二取代苯位置异构体的分离以硝基苯酚、硝基苯胺、氨基苯酚、甲基苯胺、苯二胺和苯二酚位置异构体为溶质探针, 考察了CB6MRBS对芳香族位置异构体的分离能力, 其色谱见图6.有关上述溶质位置异构体在ODS柱上的色谱行为已有报道[22,23], 几种位置异构体在ODS柱上的洗脱顺序: p＜m＜o, 这相应于溶质的电离常数和疏水性, 邻位异构体由于分子内氢键导致疏水性增强, 最后被洗脱.从图6可以看出, 上述溶质在CB6MRBS上得到了较好的分离, 洗脱顺序为: 硝基苯酚m＜p＜o ; 硝基苯胺m＜p＜o ; 氨基苯酚m＜o＜p ; 其它与ODS柱洗脱顺序相同. 邻位异构体通常也在最后洗脱, 这相应于CB6MRBS弱的疏水性. 然而其出峰顺序也有与ODS不同之处, 说明除疏水作用外, 还存在不同于ODS的分离机制. 电荷转移、π-π、氢键、静电和偶极-偶极作用可能在分离中起了重要作用.实验发现, 在相同的流动相条件下, 硝基苯酚和硝基苯胺异构体在CB6MRBS上的保留比其它4种异构体强, 可能是因为它们含强吸电子基团硝基, 可以作为π电子受体, 而键合相中的CB6MR配体具有多个苯环,图6 二取代苯位置异构体在CB6MRBS上的色谱分离图Figure 6 Separation chromatograms of disubstituted benzene positional isomers on CB6MRBSMobile phase: methanol-phosphate buffer (0.02 mol/L); flow rate: 0.8 mL• min－1. V(methanol)/V(water): (a) 45∶55, pH＝5.5; (b) 45∶55, pH＝5.5; (c) 35∶65, pH＝3.5; (d) 40∶60, pH＝3.5; (e) 35∶65, pH＝5.5; (f) 30∶70, pH＝3.5. Peaks: (a) nitrophenol; (b) nitroaniline; (c) aminophenol; (d) tolu- idine; (e) phenylene diamine; (f) dihydroxybenzene作为π电子给体, 从而形成较强的π-π作用, 增强了保留. 甲基苯胺的保留强度居于6种溶质中间, 主要是甲基苯胺上的甲基增强了溶质的疏水作用. 苯二胺、苯二酚和氨基苯酚异构体由于含众多亲水基团(如氨基和羟基), 因而保留相对较弱.考察了6种位置异构体的保留随流动相缓冲溶液pH值的变化情况. 结果表明: 溶质的保留情况明显分为两类: 一类是含强吸电子基团硝基的硝基苯酚和硝基苯胺异构体; 另一类是含亲水基团的氨基苯酚、苯二胺、甲基苯胺和苯二酚异构体. 前一类溶质的保留随流动相缓冲溶液的pH值增大先增强; 在pH值达到5.5后, 随着pH值的继续增大, 溶质的保留变化不大. 这主要是由于流动相pH值的变化, 改变了溶质与CB6MR配体之间的疏水作用和π-π作用; 在低pH值时, CB6MR配体中的CB[6]两个环形羰基端口被质子化, 随着流动相pH 值的增大, 由于去质子化作用, 固定相的疏水性增强, 使之与溶质间的疏水作用增大. 另一方面, 随流动相pH 值的增大, CB6MR配体中的酚羟基电离程度增大, 所带负电荷增多, 从而使配体苯环上的电子云密度增大, 供电子能力增强, π-π作用增强. 图7a和7b分别为硝基苯酚和硝基苯胺异构体在CB6MRBS上的保留时间随流动相pH值变化关系图. 第二类溶质由于π-π作用相对较弱, 其保留主要由疏水作用支配. 在低pH值条件下, 溶No. 1 李来生等：葫芦[6]脲单轮烷键合固定相的制备、表征及色谱性能69图7 硝基苯酚(a)、硝基苯胺(b)和氨基苯酚(c)的容量因子(k')与pH值关系图Figure 7Effect of pH on the k' of nitrophenol (a), nitroaniline (b) and aminophenol (c) on CB6MRBS质质子化, 疏水性弱, 随流动相pH值的增加, 溶质质子化程度减小, 分子形态增多, 疏水性增强, 保留增加. 苯二胺、苯二酚和甲基苯胺的保留随pH值变化, 保留次序一直为: p＜m＜o, 与ODS柱一致, 可见这几种溶质的保留主要基于疏水作用. 氨基苯酚则不同, 图7c为氨基苯酚异构体在CB6MRBS的保留时间随流动相pH 值变化关系图. 在低pH值条件下, 氨基苯酚的出峰顺序为m＜o＜p, 与酸碱性相反(p K b: p 8.50, o 9.28, m 9.83). 而当流动相接近中性时, 其洗脱顺序与ODS柱相同. 这主要是由于随流动相pH值的变化, 固定相上的CB6MR配体及溶质的存在形式均会发生改变. 在pH值较低时, 溶质的碱性越强越易质子化, 质子化的氨基与质子化的CB6MR配体形成静电排斥作用. 因而氨基苯酚异构体的洗脱顺序与溶质酸碱性相反. 在中性条件下, 氨基质子化程度和CB6MR配体的质子化程度都大大减小, 溶质保留主要基于疏水作用, 因而洗脱顺序与ODS柱一致.综上所述, 采用简单的甲醇-水体系, CB6MRBS就能实现多种二取代苯位置异构体的快速分离. 同样条件下, ODS很难做到全面快速地分离上述溶质. 显然, 疏水、氢键、π-π和静电作用等多作用位点提高了CB6MRBS对溶质的分离选择性.2.3.4 碱性物质的分离十八烷基键合硅胶(ODS)因具有柱效高、稳定性好、适用范围广、使用方便等优点而成为“广谱型”固定相[24], 但也存在一些缺点(如分离某些极性物质尤其是碱性物质时效果不佳), 原因是硅胶表面残留的硅醇羟基会产生负面影响, 如色谱峰变形拖尾, 检测灵敏度下降等. 因此ODS柱在分离碱性化合物时, 常需添加电解质, 如添加三乙胺、磷酸盐及精细调节流动相酸度等以抑制其对碱性物质的非特异性吸附, 然而长期使用缓冲溶液势必影响仪器和色谱柱的性能和使用寿命. 为了改善碱性物质的分离, 静电屏蔽键合固定相已成为色谱学者们的研究热点[25,26], 在基质上键合极性配体(如胺或酰胺), 利用该官能团与碱性溶质间的静电排斥作用抑制硅醇基效应, 从而改善分离. CB6MRBS是根据屏蔽作用原理设计的新型固定相, 即使不进行封尾处理, 直接采用不含缓冲盐的甲醇-水二元流动相, 也能对碱性化合物实现较快分离分析, 且峰形较好.图8a, 8b分别为吡啶、2,8-二羟基喹啉、喹啉和α-萘胺四种碱性溶质在CB6MRBS和ODS柱上的色谱图. 四种溶质在两根色谱柱上保留顺序相同, 说明疏水作用在分离过程中起重要作用. 各溶质在CB6MRBS上的保留时间均较短, 而分离选择性却优于ODS, 这可能是由于除疏水作用外, CB6MRBS还与溶质存在π-π和氢键等作用力. CB6MRBS疏水作用较弱, CB6MR配体与吡啶、2,8-二羟基喹啉形成的π-π作用强弱不同(后者要强些), 且CB6MR还能与2,8-二羟基喹啉中的羟基产生氢键作用, 从而使疏水性相近的吡啶、2,8-二羟基喹啉在CB6MRBS柱上的分离选择性高于ODS. 实验在改变流动相中甲醇含量以优化溶质在ODS上的分离时发现: 甲醇含量低于40%时, 吡啶和2,8-二羟基喹啉能较好地分离但整体分离所需时间太长; 在甲醇含量超过50%时, ODS所用分离时间与CB6MRBS相近, 但前两个色谱峰完全重叠. 因此, 虽然柱效不高, 在相同的色谱条件下, 4种溶质在CB6MRBS柱上的峰形和分离速度却70化学学报V ol. 66, 2008图8吡啶等四种碱在CB6MRBS(a)和ODS(b)上的色谱图及容量因子(k')与流动相中甲醇含量的关系曲线Figure 8 Separation chromatograms of four basic compounds on CB6MRBS (a) and ODS (b), and the relationship of methanol content in mobile phase and k' for four basic compounds (c) Mobile phase: methanol-water (40∶60, V/V); Peaks: (1) pyridine, (2) 2,8-di- hydroxyquinoline, (3) quinoline, (4) α-naphthylamine都明显优于ODS柱, CB6MRBS在吡啶等4种碱性溶质的快速分离分析中具有优势.图8c为吡啶等4种碱性物质的保留因子与流动相中甲醇含量的关系曲线. 4种碱性化合物的保留因子均随甲醇含量的增大而减小, 未出现“U”形状, 表明CB6MRBS的亲硅醇基效应被有效抑制. 2.4 CB6MRBS的正相色谱性能由于键合相配体中含有酰胺基、羟基和众多排列有序的羰基等极性基团, CB6MRBS柱也适用于正相色谱分离模式. 采用不同比例的正己烷/异丙醇、正己烷/乙醇和正己烷/三氯甲烷为流动相, 考察了正相色谱条件下, 中性、碱性和酸性化合物在CB6MRBS柱上的色谱行为, 结果表明流动相的洗脱能力随组分极性的增加而增加. 洗脱能力依次为正己烷/乙醇＞正己烷/异丙醇＞正己烷/三氯甲烷.2.4.1 中性化合物的正相色谱行为图9为苯、联苯、蒽和苯甲醇的色谱分离图. 苯、联苯和蒽在CB6MRBS上的保留较弱, 苯甲醇的保留则较强. 苯甲醇的较强保留可能是由于醇羟基与键合相配体存在较强的氢键作用. 实验还发现, 当流动相中强溶剂浓度较低时, 苯和甲苯等芳香烃的保留较弱, 而硝基甲苯等取代芳香烃的保留则明显增强. 取代芳香烃由于极性增强, 保留值也相应增大, 与正相色谱分离模式下化合物极性与保留关系一致.图9 中性化合物在CB6MRBS上的色谱分离图Figure 9 Separation chromatogram of neutral solutes on CB6MRBSMobile phase: 100% hexane; flow rate: 0.5 mL•min－1.Peaks: (1) benzene, (2) biphenyl, (3) anthracene, (4) benzyl alcohol2.4.2 碱性化合物的保留行为由于CB6MR配体中存在众多酰胺基团(CONH), 使固定相呈碱性特征. 实验表明, 在正相色谱模式下CB6MRBS柱对碱性化合物也有良好的分离选择性. 图10为苯胺等几种碱性物质的色谱分离图, 甲基苯胺异构体得到了较好的分离, 色谱峰对称.在正己烷/异丙醇、正己烷/乙醇和正己烷/三氯甲烷三种流动相条件下, 胺基化合物在CB6MRBS柱上洗脱顺序一致: N,N-二甲基苯胺＜N-甲基苯胺＜苯胺＜β-萘胺, 说明胺类化合物在CB6MRBS柱上的保留主要取决于溶质的极性. 甲基苯胺异构体的保留次序为o＜m＜p, 与极性变化规律一致. 而硝基苯胺异构体的洗脱顺序为o＜p＜m, 这表明其分离机理除与物质极性有关外, 还No. 1李来生等：葫芦[6]脲单轮烷键合固定相的制备、表征及色谱性能71图10 碱性化合物在CB6MRBS 上的色谱分离图Figure 10 Separation chromatogram of basic compounds on CB6MRBSMobile phase: hexane/isopropanol (95∶5, V /V ); flow rate: 0.6 mL•min －1.Peaks: (1) N ,N -dimethylaniline, (2) N -methylaniline, (3) o -toluidine, (4) m -toluidine, (5) p -toluidine, (6) β-naphthylamine, (7) pyridine与键合相的表面酸碱性有关. 间硝基苯胺虽然极性比对硝基苯胺弱, 但其碱性却比对硝基苯胺强, 所以其保留时间更长. 碱性化合物如苯胺和吡啶的log k'值与流动相中强溶剂浓度的对数(log c )存在较好的线性关系. 2.4.3 取代苯甲酸的分离由于键合相呈碱性特征, 酸性化合物在CB6MRBS 柱上的保留较强, 随着流动相中极性溶剂浓度增大, 苯酚的保留因子降低. 实验考察了6种取代苯甲酸在CB6- MRBS 柱上的色谱行为(图11). 结果表明: CB6MRBS 柱对取代苯甲酸有较好的分离选择性, 洗脱顺序与极性变化规律基本一致, 羟基苯甲酸和氨基苯甲酸由于同时能与键合相产生较强的氢键作用, 保留较强.图11 取代苯甲酸在CB6MRBS 上的色谱分离图Figure 11 The chromatogram of the substituted benzoic acids on CB6MRBSMobile phase: hexane/isopropanol (93∶7, V /V ); flow rate: 0.7 mL•min －1.Peaks: (1) p -nitrobenzoic acid, (2) o -bromobenzoic acid, (3) o -chlorobenzoic acid, (4) o -hydroxybenzoic acid, (5) o -aminobenzoic acid, (6) p -hydroxy- benzoic acid以上仅限于CB6MRBS 的基本色谱性能表征, 但结果表明: CB6MRBS 在反相模式下对二取代苯位置异构体和碱性物质有较好的分离选择性, 同时在正相模式下也能用于极性化合物的分离分析. CB6MRBS 是一种多模式键合固定相, CB6MR 配体中葫芦脲腔体外围的刚性亚甲基桥链和葫芦脲端口的苯环使键合相具有反相色谱特征, 而配体中的酰胺基、羟基和众多高度有序排列的羰基等极性基团赋予CB6MRBS 以正相色谱性能. CB6MRBS 具有化学稳定性高、色谱性能稳定的优点. 目前, 能用于多模式分离的键合相不多, 主要有氨基、氰基、二醇基及硝基键合相填料. 多模式键合固定相具有更宽的应用范围, 可以减少分离所需的柱数量, 从而在较大程度上降低分析成本.3 结论将超分子自组装与色谱键合硅胶制备技术相结合, 采用固液相连续反应法, 成功制备了葫芦[6]脲单轮烷键合硅胶固定相, 方法简便. 研究表明: 新固定相是一种多模式键合固定相, 具有良好的正相和反相色谱性能, 色谱性能稳定, 对中性、酸性和二取代苯位置异构体有较好的分离选择性, 尤其是可有效地用于碱性化合物的分离分析. 其保留机理存在氢键、静电、π-π和疏水作用等多种作用力机制, 协同作用提高了该固定相对溶质的分离选择性. 由于CB6MR 配体中含有酰胺基和众多极性羰基, 新固定相可能在络合色谱及生化样品分析方面有应用前景. 相关的色谱性能和应用在进一步研究中.References1 Han, B.-H.; Liu, Y. Chin . J . Org . Chem . 2003, 23, 139 (inChinese).(韩宝航, 刘育, 有机化学, 2003, 23, 139.)2 Xu, L.; Liu, S. M.; Wu, C. T.; Feng, Y. Q. Electrophoresis2004, 25, 3300.3 Wei, F.; Liu, S.-M.; Xu, L.; Wu, C.-T.; Feng, Y.-Q. Chin . J .Chromatogr . 2004, 22, 476 (in Chinese).(魏芳, 刘思敏, 徐丽, 吴成泰, 冯钰锜, 色谱, 2004, 22, 476.)4 Wei, F.; Liu, S. M.; Xu, L.; Cheng, G. Z.; Wu, C. T.; Feng,Y. Q. Electrophoresis 2005, 26, 2214.5 Jon, S. Y.; Selvapalam, N.; Oh, D. H.; Kang, J. K.; Kim, S.Y.; Jeon, Y. J.; Lee, J. W.; Kim, K. J . Am . Chem . Soc . 2003, 125, 10186.6 Liu, S. M.; Xu, L.; Wu, C. T.; Feng, Y. Q. Talanta 2004, 64,929.7 Nagarajan, E. R.; Oh, D. H.; Selvapalam, N.; Ko, Y. H.;Park, K. M.; Kim, K. Tetrahedron Lett . 2006, 47, 2073. 8 Kim, K.; Kim, J.; Jung, I. S.; Kim, S. Y.; Lee, E.; Kang, J.K. US 6365734 B1, 2002.9 Lee, J. W.; Samal, S.; Selvapalam, N.; Kim, H. J.; Kim, K.Acc . Chem . Res . 2003, 36, 621.。

超分子化学葫芦脲专业知识讲座

葫芦脲超分子_准_聚轮烷的研究进展_侯昭升

超分子化学葫芦脲

超分子化学葫芦脲

基于葫芦脲的发光材料的研究进展

葫芦[10]脲的纯化及其与环状主体的协同识别研究

葫芦脲[6]晶体结构

葫芦脲(瓜环)及其超分子化学简介

(羟基)葫芦脲的氧化及硝化硝解

超分子化学 葫芦脲 共77页PPT资料

基于葫芦脲的超分子催化效应的研究进展

基于葫芦脲的超分子聚合物研究进展

葫芦脲

打破主客体的界限——新型葫芦脲衍生物

基于葫芦脲为主体分子自组装构建囊泡分析

向日葵状葫芦脲的合成与超分子自组装

葫芦_6_脲单轮烷键合固定相的制备_表征及色谱性能

超分子化学葫芦脲共77页PPT资料