物理有机化学前沿领域两个重要方面—有机分子簇集和自由基化学的研究

Ｐ－０９

物理有机化学前沿领域两个重要方面一

有机分子簇集和自由基化学的研究

蒋锡夔、计国桢

中国科学院上海有机化学研究所，上海枫林路３５４号，２０００３２

一、疏水亲脂相互作用驱动的有机分子簇集和解簇集

疏水亲脂相互作用（ＨＬＩ，ＨｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃＬｉｐｏｐｈｉｌｉｃＩｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）是分子问主要的弱相互作用之一，也是导致宇宙间生命现象形成的基本作用力之一。深入了解ＨＬＩ对研究生命科学、理解生命现象及某些生理、病理过程有根本性的意义，在有机合成、化合物分离和超分子化学中也有重要的地位。而有机分子的簇集和自卷是研究ＨＬＩ最基本和最简单的模型，它们直接影响受物分子的反应性和生物功能，所以用物理有机化学的概念和方法来研究它们，是研究ＨＬＩ最好的途径之一，并且可以用这一简单的理论模型来研究模拟生命现象中的某些物理和化学变化过程，如我们已发现动脉粥样硬化斑块的组成和胆固醇酯类化合物的共簇集倾向性直接有关。因此这是物理有机化学前沿领域及和生命科学有关的十分重要的研究方面之一。

我们研究了各种不同类型有机分子在ＨＬＩ驱动下的簇集、共簇集、自卷曲以及解簇集。在我们提出的一系列概念和实验方法的基础上，我们发现或观察到了下列重要的实验现象：

１．结构影响

１）链长效应：对长链有机分子如长链羧酸酯，我们发现它的临界簇集浓度（ＣＡｇＣ）和碳氢链中－ＣＨ２．的个数ｎ有如下线性关系：一般链长越长，ＣＡｇＣ值越小．越容易发生簇集。

ｌｏｇＣＡｇＣ＝·０．４８４ｎ＋３．９０（ｒ＝０．９９９９）

２）羟基效应：对有机分子簇集的影响，一个羟基的亲水性胜过四个ＣＨ２的疏水性。

３）锁链效应（１ｉｎｋｅｄ．ｕｐｅｆｆｅｃｔ）：即“多臂”分子中每一条链的共簇集倾向性要比相应的单臂分子大。

．１）链可卷性效应（Ｃｈａｉｎ·ｆｏｌｄａｂｉｌｉｔｙｅｆｆｅｃｔ）：在具有一定溶剂促簇能力（ＳＡｇＰ，ｓｏｌｖｅｎｔａｇｇｒｅｇａｔｉｎｇｐｏｗｅｒ）的溶剂体系中，碳氢链长超过ｌＯ—１２个碳原子的有机分子倾向于发生自卷曲，从而使该分子的共簇集倾向“显著减少。

５）几何或形状因素之肯定：具有相同碳原子数（ＩｌｐＺｆ值基本相同）但分子几何形状不同的八碳羧酸（或膦酸）对硝基苯酚酯的簇集倾向性大小次序为：直链分子）．支链分子，环状分子，即分子形状越接近“球形”，则簇集能力越弱。从而证明了只用Ｒｅｋｋｅｒ的ｚｆ值来表示有机分子的疏水亲脂性的局限性。

６）氟碳．碳氢交替链≤℃Ｆ，邑Ｈ２手（简称交替链）的本质和簇集分步过程的验证：

交替链的ＣＡｇｃ值均比相应碳氢链的ＣＡｇＣ值大，这表明交替链的簇集倾向性小于相应的碳氢链，即：．ＣＦ２ＣＨ２．链带有极微弱的“极性”。并佐证了下列概念：即所有簇集过程都是分步进行的。

７）大环邻基参与：在疏水亲脂相互作用下，十四元环，十六元环，十八元环的“大环邻基参与”都能通过碳氢链的自卷而显著加快∞一ＲＯＯＣ（ＣＨ２）ｎＹ（Ｙ＝ｓＨ）的水解反应速度．

８）自卷概念在大环合成中的成功应用：成功地运用分子自卷曲之概念合成了十七元大环·

９）当烷基链长具有相同碳原子数时，簇集倾向大小顺序是：磺酸酯≥羧酸酯＞膦酸酯和次膦酸醑·

ｌ∞共簇集可加速激发态受体（或给体）与给体（或受体）之间电荷转移荧光淬灭，共簇集接近效应并会促进发生单线态．单线态能量转移过程．

２．溶剂促簇能力（ＳＡｇＰ）之影响

我们提出，溶荆促簇能力（ｓＡｇＰ）是反映溶剂体系内在特性的一个重要参数，它反映有关溶剂体系促使有机分子簇集和自卷之相对能力。对于特定的簇集者。溶剂体系的ｓＡ矿越大，则簇集者的簇集程度或自卷程度也越大．

３．簇集馕向性与血管硬化之联系

虽然动脉硬化疾病的起因是各种复杂的因素相互作用的结果，但引起动脉硬化的有害物质（如胆固醇脂类和甘油三脂类物质）的共簇集倾向性是他们内在共同的性质．我们发展了测定动脉硬化疾病的有关的有

害分子的相对共簇集倾向的方法．测得的数据表明，胆固醇类共簇集倾向的相对大小是：胆固醇油酸酯，＠秽

亚油酸酯＞胆固醇正辛酸酯＞胆固醇硬腊酸酯＞胆阉醇

／／弋／］

这一结果表明硬脂酸酯因它们在十八碳链中间可发生自卷曲而大大减少了它们的共簇集倾向，而油酸醅和亚油酸酯因它们在十八碳链中具有一或二个刚性双键，不能发生链自卷曲，所以它们的共簇集倾向大于硬脂酸酯．根据上述结果，我们可以定性地解释动脉粥样斑块组成：硬脂酸酯２％：油酸酯３２．３％；亚油酸酯３４．９％的现象．这一组成以前从未获得合理的解释．

４．解簇集概念的提出和应用（ｄｅａｇｇｒｅｇａｔｔｉｏｎ）

有机分子破坏或分散已经形成的簇集体，称之为解簇集。而具有解簇能力的有机分子称为解簇剂。设想解簇集机制如下所示．

霪＋芗导黢世猢

解簇集的可能机制示意图

解簇现象的典型特征之一是解簇剂对簇集态探针的行为有显箸的影响。通过一系列有机化合物对解簇集动力学及荧光探针的研究，我们发现分子结构与解簇能力之间具有非常重要的关系，所以解簇集概念以及对有效解簇剂的研究，对治疗动脉粥状硬化以及胆固醇类胆结石等疾病的药物设计方面，将有一定的启发性意义．

５．静电稳定化簇集体（ＥＳＡｇ，Ｅｉｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃａｉｌｙｓｔａｂｉｌｉｚｅｄａｇｇｒｅｇａｔｅ）

静电稳定化簇集体（ＥＳＡｇ）是指带有相反电荷的长链有机分子在疏水亲脂相互作用和静电吸引力驱动

下形成的简单的分子簇集体，它是由簇集概念衍生出来的，主要研究正负电荷吸引力对共簇集形成的影响·而静电引力在ＥＳＡｇ形成过程中起着非常重要的作用．ＥＳＡｇ可看成是由相当数目的带相反电荷的表面活性剂组成的－，＋混合胶囊的前体或预胶囊，这一设想已被大量系统的动力学和光谱数据所证明·估计ＥＳＡｇ概念将会有重要的学术应用。

６．两种盐效应之发现

无机盐添加剂可以改变溶剂的ｓＡｇＰ。具有盐析效应（Ｓａｌｔｉｎｇ－ｏｕｔｅｆｆｅｃｔ）的无机盐（例如ＮａＣＩ，ＬｉＣｌ等）可使溶剂体系的ＳＡｇＰ增大，从而使簇集者的簇集倾向性增大·而具有盐溶效应（Ｓａｌｔｉｎｇ－ｉｎｅｆｆｅｃｔ）的尿素，氯化胍等则使溶剂体系的ｓＡｇＰ减少从而使簇集者的簇集倾向性减少。

７．温度影响；温度升高，不利于簇集体的形成。

二、自由纂化学一取代基自旋离域参数ｔ，，ｌＩＪ‘的建立和成功应用

在自由基化学结构性能关系的定量研究中，存在着两个未解决的重要课题．一是没有一套可被可靠地应用的ｄ‘参数，它应与取代基的极性效应无关，而只反映取代基的自旋离域能力。二是取代基的自旋离域效应如果在自由基化学中始终存在，即在自由基化学结构性能关系的定量研究中矿是必须考虑的，那么为什么在许多自由基反应中，不需要采用ｏ．参数而仅用极性参数矿就可以得到很好的相关昵？即，为何可以不用方程（１）而只用方程（２）即可相关呢？而国内外文献中对方程（３）的应用尚未见有报道．

Ｖａｒｉａｂｌｅ＝ｐｌａｌ＋ｐ’ｏ‘（】）

Ｖａｒｉａｂｌｅ＝ｐ。ｏ。（２）

Ｖａｒｉａｂｌｅ＝Ｐ。ｏ。（３）

我们在对取代三氟苯乙烯的环加成反应的研究中，首先通过对取代三氟苯乙烯的”ＦＮＭＲ参数的研究，建立了我国第一套用实验数据得到的ＨａｒｎｍｅＲ型极性参数ｏ１Ｄｂ，它可用于带有双键或叁键反应体系取代基极性效应的相关分析。我们合成了３２个不同极性取代的三氟苯乙烯，在４—５个不同实验温度下测定了它们的热环化二聚反应动力学参数（反应速率常数）的基础上，应用双参数方程（４），合理的拆分了取代基的极性效应和自旋离域效应，从而建立了取代基自旋离域参数ｏＪＪ’．至今己得到２３个对位的取代基之自旋离域参数６Ⅱ。（间位取代基之ｏＪＪ．值皆接近于零）。

ｌｏｇ（ｋｖ，Ｉ：Ｈ）＝ｐｍｂｏｔａｂ＋ｐ。ｏｊｊ。（４）

ａ。＋参数的可靠性还额外地被一个“等动力学关系”所验证，它是唯一一个已被报道的针对双自由基型反应的等动力学关系。在得到了一套合理可靠的取代基自旋离域参数ｏｎ‘值之后，更为重要的是要证明它的可应用性，并要回答及解决上述提到的第二个课题，即在真正的自由基反应的结构性能关系的研究中，考虑ｏＦ参数的重要性及必要性。以及它们与极性参数ｏ１之间的权重关系。我们在创建了一个严格的动力学方法后，将６ｊｊ。参数成功地应用于自由基型加成反应和攫取反应的动力学参数，ＵＶ光谱参数（ｕ。），ＥＰＲ谱的ｆ值，荧光光谱发射能（△Ｅ），芳香族化合物氧化还原电位等的双参数相关分析。从而确立了ａＦ的可靠性和优越性。通过对这些众多的自由基反应动力学数据和各种谱学数据的相关分析。特别是在对一些模型芳香化合物的ＵＶ光谱数据的相关分析中所取得的突破性结果后，我们提出了对自由基化学具有重要学术意义的概念，即，根