田 霞,楊福群,袁 偉,趙 雷,姚 雷,甄小麗,韓建榮,劉守信

(1. 河北科技大學理學院,2. 河北省藥用分子化學重點實驗室,石家莊 050018)

Scheme 1 Structures and synthsis routes of the target molecules

冠醚作為第一代超分子主體化合物,因其結構簡單、易于衍生化且與多種陽離子具有選擇性絡合作用而備受關注. 含有生色基團或熒光基團的冠醚因具有有色及絡合離子的雙重性能而在超分子化學中具有重要研究價值. 生色基團和熒光基團不僅因冠醚絡合離子后分子內電子云密度改變而發(fā)生顏色的變化,而且這種變化也因金屬離子的不同而存在差異,因此,設計合成含有不同生色基團或熒光基團的冠醚用于金屬離子的選擇性鍵合一直是化學領域的研究熱點之一. 1,3,4-噁二唑及其取代衍生物是一類重要的生物活性物質[1～5],而某些取代的噁二唑也是重要的光敏物質[6,7],可作為熒光劑、激光材料和閃爍劑,因此研究人員對該類化合物的合成進行了廣泛而深入的研究. 2,5-二芳基-1,3,4-噁二唑[8～10]是廣泛使用的一類電子傳輸材料,其結構中的噁二唑基團具有突出的三維親電子性能,并且具有較高的熒光量子效率. 關于二苯聯(lián)噁二唑大環(huán)化合物的合成及其結構研究已有較多報道[11～14],而對于含有不同氧原子的冠醚類化合物的離子識別能力的研究尚未見報道. 本文合成了含有不同數(shù)目氧原子數(shù)目的噁二唑大環(huán)冠醚: 2,3,11,12-二苯并-4,7,10,16-四氧-14,15-二氮雜雙環(huán)[11.2.1]-十六烷-13,15-二烯(2)、2,3,14,15-二苯并-4,7,10,13,19-五氧-17,18-二氮雜雙環(huán)[14.2.1]-十九烷-16,18-二烯(3)和2,3,17,18-二苯并-4,7,10,13,16,22-六氧-20,21-二氮雜雙環(huán)[17.2.1]-二十二烷-19,21-二烯(4)(Scheme 1),對其晶體結構進行了表征,利用熒光光譜測定了冠醚2～4對不同金屬離子的鍵合行為及選擇性.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

氫氧化鉀和無水硫酸鎂購于天津大茂化學試劑廠; 正丁醇、鄰苯二酚、二乙二醇、二縮三乙二醇、水楊酸、乙二醇單甲醚、乙酸乙酯、石油醚、二氯甲烷、甲醇、鹽酸、高氯酸鹽、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和碳酸鉀(K2CO3)購于國藥集團化學試劑有限公司; 五氧化二磷購于天津永大化學試劑有限公司; 磷酸和二氯亞砜購于麥克林生化科技有限公司; 三縮四乙二醇購于阿拉丁試劑有限公司. 所用試劑均為分析純.

Bruker Avance Ⅱ 500 MHz核磁共振波譜(NMR)儀,瑞士Bruker公司; X-4型數(shù)字顯微熔點測定儀,科瑞儀器有限公司; Hitachi F-7000型熒光光譜儀,天美科學儀器有限公司; 單晶X射線衍射分析使用標準的Siemens Smart CCD面探系統(tǒng)收集X衍射線強度數(shù)據(jù),利用MoKα射線(λ=0.07173 nm)和石墨單色器,在2.0 kW(50 kV,40 mA),T=293(2) K條件下操作,晶體結構以直接法解出,采用全矩陣最小二乘法對F2進行修正; Bruker VPEⅫ型高分辨質譜(ESI)儀,德國Bruker公司. 采用SHELXTL(Siemens,Version 5.04)軟件包進行結構計算.

1.2 實驗過程

1.2.1 2,5-二(2-羥苯基)-1,3,4-噁二唑的合成 參照文獻[14]方法制備2,5-二(2-羥苯基)-1,3,4-噁二唑.

1.2.2 2,5-二[2-(2-甲氧乙氧基)苯基] -1,3,4-噁二唑(1)的合成 參照文獻[15]方法制備了開鏈冠醚1.

1.2.3 冠醚(2)和冠醚(3)的合成 向250 mL四口瓶中加入1.52 g(6 mmol)2,5-二(2-羥苯基)-1,3,4-噁二唑和80 mL DMF,再加入2.4 g K2CO3(18 mmol),加熱至140 ℃,電磁攪拌反應0.5 h; 然后,將含7 mmol一縮二乙二醇二對甲苯磺酸酯(或二縮三乙二醇二對甲苯磺酸酯)的40 mL DMF溶液分2次加入反應瓶中,于140 ℃反應48 h,減壓蒸餾除去DMF,加入20 mL 10%鹽酸酸化,用120 mL乙酸乙酯萃取、過濾; 用蒸餾水洗滌濾液,分離出有機相,水相再用乙酸乙酯萃取5～6次(每次10 mL),收集有機相,用無水硫酸鎂干燥,過濾,旋轉蒸發(fā)除去溶劑,經(jīng)分離提純得到冠醚2或3.

以一縮二乙二醇二對甲苯磺酸酯為原料合成了冠醚2. 采用100～200目硅膠色譜柱,以乙酸乙酯/石油醚混合溶液(體積比4∶1)為展開劑進行洗脫,得到1.8 g冠醚2,產率為55.6%,熔點178～180 ℃.1H NMR(500 MHz,CDCl3),δ: 8.10(d,2H,J=1.5 Hz,J=6.0 Hz,Ar—H),7.46(m,2H,Ar—H),7.01(m,4H,Ar—H),4.27(m,4H,2ArOCH2—),3.97(m,4H,2OCH2CH2O—).13C NMR(125 MHz,CHCl3),δ: 70.45(2),72.31(2),113.21(2),114.85(2),121.23(2),131.80(2),132.98(2),157.10(2),164.72(2). HRESI-MS,m/z: 計算值[M+1]+325.1188,實測值[M+H]+325.1190.

以二縮三乙二醇二對甲苯磺酸酯為原料合成了冠醚3. 采用100～200目硅膠色譜柱,以乙酸乙酯/石油醚/醋酸混合溶液(體積比600∶400∶1)為展開劑進行洗脫,得到1.5 g冠醚3,產率為40.7%,熔點125～128 ℃.1H NMR(500 MHz,CDCl3),δ: 7.92(dd,2H,J=1.5 Hz,J=6.0 Hz,Ar—H),7.49(m,2H,Ar—H),7.07(m,4H,Ar-H),4.27(m,4H,2ArOCH2—),3.89(m,4H,2OCH2CH2O—),3.62(s,4H,2OCH2CH2O—).13C NMR(125 MHz,CHCl3),δ: 69.39(2),69.68(2),70.97(2),113.48(2),114.79(2),121.16(2),131.71(2),132.92(2),157.30(2),164.67(2). HRESI-MS,m/z: 計算值[M+1]+369.1450,實測值[M+H]+369.1447.

1.2.4 冠醚4的合成 將1.09 g(8 mmol)2,5-二(2-羥苯基)-1,3,4-噁二唑溶于100 mL正丁醇中,加入含4.0 g(0.1 moL)NaOH的正丁醇溶液(25 mL),于80 ℃反應0.5 h,此時反應物為白色乳狀液體; 加入2.24 g(6 mmol)二氯代三縮四乙二醇和120 mL正丁醇,回流反應72 h; 反應結束后趁熱過濾,將濾液蒸干,加入10 mL 3%鹽酸,用120 mL乙酸乙酯萃取,合并有機層,用水洗滌至呈中性,用無水硫酸鎂干燥,抽濾,減壓蒸餾除去溶劑; 采用100～200目硅膠色譜柱,以DCM/甲醇混合溶液(體積比100∶1)作為展開劑進行洗脫,得到冠醚4,熔點124～126 ℃.1H NMR(500 MHz,CDCl3),δ: 7.88(dd,2H,J=1.5 Hz,J=6.0 Hz,Ar—H),7.48(m,2H,Ar—H),7.08(m,4H,Ar—H),4.28(t,4H,J=4.0 Hz,2ArOCH2—),3.89(t,4H,J=4.0 Hz ,2OCH2CH2O—),3.65(t,J=5.0 Hz ,4H,2Ar-OCH2CH2OCH2—),3.51(t,4H,J=5.0 Hz,2Ar-OCH2CH2OCH2CH2—).13C NMR(125 MHz,CHCl3),δ: 69.64(2),69.68(2),70.38(2),71.64(2),113.70(2),114.36(2),121.01(2),130.67(2),132.77(2),157.60(2),163.11(2). HRESI-MS,m/z: 計算值[M+1]+413.1713,實測值[M+H]+413.1709.

1.3 單晶的制備

將開鏈冠醚1和冠醚2～4分別溶解于適量的乙酸乙酯中配成飽和溶液,過濾除去不溶物,于室溫下緩慢揮發(fā)溶劑,得到各化合物單晶.

1.4 熒光光譜滴定實驗

為了定量研究開鏈冠醚1和冠醚2～4與不同金屬離子的鍵合能力,采用熒光光譜滴定法測定了主-客體間的鍵合行為[16]. 利用Lineweaver-Burk方程和雙對數(shù)回歸方程進行直線擬合得到冠醚與各種金屬離子的鍵合常數(shù)[17].

2 結果與討論

2.1 化合物的合成

在合成冠醚2～4時,為了提高環(huán)合產率,通過模板效應加入不同的堿時所得產物的收率不同. 采用半徑較小的Na+和K+離子(Na2CO3和K2CO3)作堿的陽離子時,所得冠醚2～4的收率高,而用陽離子半徑較大的Cs2CO3作堿時,所得冠醚2～4的產率降低. 這可能是由于較小的離子半徑與環(huán)的大小匹配有利于關環(huán),因此得到高收率的產物.

2.2 晶體結構

表1列出了開鏈冠醚1和冠醚2～4的晶體結構數(shù)據(jù). 由表1可知,開鏈冠醚1和冠醚3屬于單斜晶系,而冠醚2和冠醚4屬于正交晶系. 由圖1所示晶體結構可見,開鏈冠醚1和冠醚2～4中2個芳環(huán)與噁二唑環(huán)之間的二面角不同,并且噁二唑環(huán)中2個N原子的位置也不同. 在內徑較大的冠醚4中,成環(huán)后2個N原子位于大環(huán)冠醚內,O原子位于環(huán)外,而內徑較小的冠醚2和冠醚3中2個N原子位于環(huán)的外側而O原子位于環(huán)內,這有利于緩解環(huán)張力,從而增加化合物的穩(wěn)定性.

Table 1 Crystal data and structure refinement for crown ethers 1—4

Fig.1 Molecular structures of crown ethers 1—4

對于同一晶系的冠醚2和4,噁二唑環(huán)與其中一個苯環(huán)(C2—C7)幾乎在同一平面,而與另一個苯環(huán)的二面角分別為25.9°和20.2°; 而開鏈冠醚1和冠醚3中,噁二唑環(huán)與2個苯環(huán)均不在同一平面. 對于開鏈冠醚1,2個側鏈位于噁二唑環(huán)的兩側,可能是為了降低兩側鏈間的相互作用; 對于冠醚2～4,分子中O原子的數(shù)目不同,環(huán)的空腔大小也不同,冠醚2環(huán)的平均空腔直徑為0.38 nm,冠醚3環(huán)的平均空腔直徑為0.4703 nm,冠醚4環(huán)的平均空腔直徑為0.547 nm.

在4個化合物的堆積圖(圖2)中,都存在C—H…O或C—H…N的非經(jīng)典分子間氫鍵(表2)和π-π相互作用,這些氫鍵和π-π相互作用將分子連接成三維空間結構.

2.3 鍵合能力和選擇性

由于2,5-二-(2-羥苯基)-1,3,4-噁二唑中的2個苯環(huán)與噁二唑形成共軛體系且具有較強的剛性結構,因此具有較強的熒光發(fā)射峰,而以其為底物合成的含有該結構的冠醚2～4也表現(xiàn)出同樣的性質. 為了比較環(huán)狀結構與開鏈結構對金屬離子鍵合的差異,合成了開鏈冠醚1作為對比. 由于冠醚與金屬離子具有較好的鍵合能力,當主體與金屬離子作用時其相對熒光強度也會發(fā)生變化. 利用這種光譜變化來測定了開鏈冠醚1和冠醚2～4與金屬離子的鍵合常數(shù)(見表3).

實驗中發(fā)現(xiàn),不同主體加入同一離子或同一主體加入不同金屬離子的熒光強度變化不同. 向開鏈冠醚1(1×10-6mol/L)的乙腈溶液中加入堿金屬離子Li+,Na+,K+和Rb+時,其熒光強度隨著金屬離子的濃度增加而增強. 其中,加入Na+離子時,開鏈冠醚1的熒光強度變化較大; 加入其它3種金屬離子時,雖然熒光也增強,但變化幅度很小,以至于無法計算其鍵合常數(shù). 在與Na+鍵合時,1/(F-F0)與1/[G]呈現(xiàn)良好的線性關系[圖3(A)插圖],表明開鏈冠醚1與Na+作用的摩爾比為1∶1. 向開鏈冠醚1中加入不同的堿土金屬離子時,其熒光強度發(fā)生不同的變化. 加入Mg2+和Ca2+離子時,開鏈冠醚1的熒光強度隨著離子濃度的增強而降低; 且加入Ca2+時,熒光強度急劇下降,當Ca2+的濃度增大到開鏈冠醚1的3.5倍時[圖3(B)],熒光完全猝滅,繼續(xù)滴加Ca2+熒光強度不再發(fā)生變化. 因此,開鏈冠醚1對Ca2+具有良好的識別能力; 對于該滴定曲線,無法通過Lineweaver-Burk方程進行雙倒數(shù)法擬合,而通過雙對數(shù)擬合可證明開鏈冠醚1與Ca2+作用的摩爾比為1∶2,其鍵合常數(shù)lgKs=14.69.

Fig.2 Packing diagram of crown ethers 1—4

Table 2 Hydrogen bond lengths(nm) and bond angles(°) of crown ethers 1—4*

* Symmetry codes:a. -1+x,0.5-y,-0.5+z;b. 1-x,0.5+y,0.5-z;c. 0.5+x,1.5-y,z;d. -x,1-y,0.5+z;e.x,-1+y,z;f. -0.5-x,-0.5+y,z;g. 0.5-x,1.5+y,z.

Table 3 Complex stability constant(Ks) of crown ethers 1—4 with alkali metal andalkaline earth metal ions in CH3CN at room temperaturesa

a. Prepared solutions were determined after 20 min;b. fluorescence changes were too small to measure.

Fig.3 Fluorescence spectra of crown ether 1(1.0×10-6 mol/L) in the presence of differeat concentrations of sodium perchlorate(A) and calcium perchlorate(B) in CH3CN(A) 106c(sodium perchlorate)/(mol·L-1),a—u: 0,0.1,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,4.0,4.5,5.0,5.5,6.0,6.5,7.0,7.5. Inset: the linear fit plot of the 1/(F-F0) as a function of 1/[G] to calculate the complex stability constants. (B) 106c(calcium perchlorate)/(mol·L-1),a—k: 0,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,1.1,1.6,2.1,2.6,5.6. Inset: the linear fit plot of lg[(F0-F)/F] as a function of lg[G] to calculate the complex stability constants. λex=300 nm.

固定冠醚2的濃度為1×10-6mol/L,其熒光強度隨不同金屬離子的加入而增強,且隨金屬離子濃度的增大熒光強度也增強. 對于所有的離子來說,熒光強度增強的幅度均很小[圖4(A)和(B)]. 加入金屬離子Li+,Rb+和Mg2+后,冠醚2的熒光強度變化非常小,以至于不能通過直線擬合的方法得到鍵合常數(shù). 冠醚2對金屬離子K+表現(xiàn)出最好的鍵合能力,但相對于其它冠醚來說冠醚2對Na+/K+的選擇性較差.

Fig.4 Fluorescence spectra of crown ether 2(1.0×10-6 mol/L) in the presence of different concentrations of sodium perchlorate(A) and calcium perchlorate(B ) in CH3CN(A) 106c(sodium perchlorate)/(mol·L-1),a—m: 0,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0,5.5,6.0; (B) 106c(calcium perchlorate)/(mol·L-1),a—p: 0,1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0,5.5,6.0,6.5,7.0,7.5,8.0,9.0. Insets: the linear fit plot of the 1/(F-F0) as a function of 1/[G] to calculate the complex stability constants. λex=300 nm.

向冠醚3中加入不同的金屬離子時,隨著金屬離子濃度的增加其熒光強度均增強[圖5(A)]. 與冠醚2相比,隨著環(huán)的空腔增大,除了K+和Mg2+以外,冠醚3對其它離子均表現(xiàn)出較好的鍵合能力. 由表3可見,冠醚3對Rb+表現(xiàn)出最強的鍵合能力,這可能是增大的環(huán)空腔與半徑較大的Rb+的尺寸匹配,從而鍵合能力相應增強.

Fig.5 Fluorescence spectra of crown ether 3(1.0×10-6 mol/L) in the presence of different concentrations of sodium perchlorate in CH3CN(A) and fluorescence spectra of crown ether 4(5.0×10-7 mol/L) in the presence of different concentrations of magnesium perchlorate in CH3CN(B)(A) 106c(sodium perchlorate)/(mol·L-1),a—p: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,20,30,40,50,60. (B) 103c(magnesium perchlorate)/(mol·L-1),a—j: 0,2.0,3.0,4.0,5.0,6.0,6.5,7.0,8.0. Inset: the linear fit plot of the 1/(F-F0) as a function of 1/[G] to calculate the complex stability constants. λex=300 nm.

與小環(huán)的冠醚2和3不同,當向冠醚4中加入堿金屬離子時其熒光強度增加[圖5(B)]; 而加入堿土金屬離子時則與開鏈冠醚1相似,隨著離子濃度的增加冠醚4的熒光強度降低. 從其結構看,具有較大環(huán)空腔的冠醚4與開鏈冠醚1類似,分子內的張力小,靈活性強,因此更有利于與堿土金屬離子鍵合. 另外,由冠醚4的晶體結構可見,噁二唑環(huán)中的2個N原子在大環(huán)冠醚的內側,更有利于與相對較軟的堿土金屬鍵合. 與開鏈冠醚1不同的是,開鏈冠醚1與Ca2+離子鍵合時,不能通過Lineweaver-Burk方程進行雙倒數(shù)法擬合,說明開鏈冠醚1與Ca2+離子不是形成摩爾比1∶1的絡合物. 通過雙對數(shù)方程進行擬合可知,其與Ca2+形成了摩爾比1∶2的鍵合物,這可能是2個側臂與噁二唑中的氧和氮分別絡合1個Ca2+離子所致. 而冠醚4與Ca2+鍵合時,可以通過Lineweaver-Burk方程進行線性擬合,環(huán)中的氮和氧與Ca2+鍵合形成摩爾比1∶1的絡合物. 開鏈冠醚1和冠醚4與堿土金屬鍵合使熒光強度降低,可能是與堿土金屬離子鍵合時噁二唑環(huán)中的N參與了配位,從而降低了噁二唑環(huán)中的電子云密度,使噁二唑環(huán)的熒光發(fā)射峰的強度降低.

從表3可以看出,開鏈冠醚1對堿金屬Li+/Na+,Na+/K+具有較好的離子選擇性,且對堿土金屬Ca2+離子具有良好的識別性能. 冠醚2對Na+,K+和Ca2+離子表現(xiàn)出良好的鍵合性能,對堿金屬K+表現(xiàn)出最佳的鍵合能力,對Na+/K+的選擇性較差. 這可能與環(huán)的大小、環(huán)中N原子的位置及環(huán)中芳環(huán)的共軛程度有關. 冠醚4對Li+表現(xiàn)出最佳的鍵合能力,對Li+/Na+的選擇性較差,但對堿土金屬離子均表現(xiàn)出熒光猝滅,且具有優(yōu)良的Mg2+/Ca2+的離子選擇性. 這可能是由于在冠醚4中雖然具有較大的環(huán)空腔,但噁二唑中的2個N原子在空腔內,而N與較硬的堿金屬配位能力很差,推測在與堿金屬離子配位時環(huán)中的2個N原子不發(fā)生配位,從而其與較小的Li+和Na+離子具有較強的鍵合能力,而與較大的K+和Rb+鍵合能力很弱. 當加入堿土金屬離子時,2個N原子參與了配位,從而使其熒光強度降低,且由于Ca2+離子相對較軟,與N原子的鍵合相對增強,從而表現(xiàn)出對Mg2+/Ca2+較好的離子選擇性.

3 結 論

含有2,5-二芳基-1,3,4-噁二唑的開鏈冠醚1及環(huán)狀冠醚2～4均表現(xiàn)出強的熒光發(fā)射性能. 晶體結構分析表明,由于環(huán)的大小不同及空間位阻的不同,4個化合物結構上存在較大的差異,因此在加入不同的堿金屬或堿土金屬離子時表現(xiàn)出不同的熒光光譜變化. 開鏈冠醚1和冠醚4在加入堿土金屬Mg2+和Ca2+離子時熒光發(fā)生猝滅,而加入堿金屬離子時熒光增強,且開鏈冠醚1和冠醚4對Ca2+均具有良好的鍵合能力和選擇性; 冠醚2和3在加入所有測定的離子時熒光強度均增強,而冠醚2對Na+和K+表現(xiàn)出好的鍵合能力,但其Na+/K+的選擇性較差. 本文結果表明,冠醚環(huán)內徑的不同以及結構上的差異對離子的鍵合能力和選擇性具有較大的影響,對于設計合成具有高選擇性和鍵合能力的化合物具有指導意義.