葫芦脲的分子识别在色谱及其相关应用中的研究

论文摘要

分子识别是超分子体系的核心,也是超分子结构形成的基础。它指主体客体之间通过空间匹配下的分子间相互作用,选择性地相互结合并产生特定功能的过程。由于分子识别在分离材料、药物载体和环境污染治理等方面存在巨大的潜力和广阔的应用前景,日益受到分析化学家、药物化学家和环境化学家的高度重视。葫芦脲（cucurbit[n]uril,CB[n],n=5～8）是继冠醚、环糊精、杯芳烃之后的第四代新型超分子化合物,它具有独特的空腔结构,同时端口环绕着众多羰基。实验证实葫芦脲对许多有机阳离子和中性分子客体表现出较强的分子识别能力。本学位论文利用葫芦[7]脲做配体,首次制备了葫芦[7]脲气相色谱固定相,较系统地研究了该固定相的色谱性能。以荧光光谱法和紫外可见光谱为手段,较系统地研究了葫芦[7]脲与牛血清白蛋白（BSA）、嘌呤、染料的相互作用,为其在相关领域的应用奠定理论基础。主要研究内容如下：1、较全面地综述了葫芦脲家族的结构特征、合成方法；重点概括了葫芦脲分子识别作用的研究现状,并展望了其在分析化学中的应用前景。以此作为本论文的选题依据和实验设计的出发点。2、目前,有关葫芦脲的合成与分离纯化研究较少。本论文在参考前人工作的基础上,采用多聚甲醛代替40%甲醛溶液及先水分后酸分的方法来简化制备分离过程,提高葫芦[7]脲产量,同时降低盐酸用量,保护环境,降低生产成本,为制备葫芦脲气相固定相以及研究葫芦脲的分子识别作用提供原材料。3、首次制备葫芦[7]脲气相色谱填充柱（3.2 mm×2.1m）,采用不同溶质探针,评价了新固定相的基本色谱性能,并探讨了其色谱分离机理。结果表明：CB[7]固定相对芳香烃、卤代烃、醇类、酮类、酯类、硅氧烷等广泛的分离对象显示较高的分离选择性,例如对难分离的醇类位置异构体也有较好的分离能力,尤其在高柱温下能快速分离高沸点的酯类和硅氧烷类化合物（<7min）,当升温速率高达到150℃min-1仍能保持平稳的基线。这归因葫芦脲结构高度的稳定性和多种超分子作用,包括对气态溶质的包结作用。因此,CB[7]固定相更适用于分离高沸点的化合物,是一种良好的气相色谱固定相。4、葫芦[7]脲除做分离材料外,也是一种新型药物载体。采用荧光光谱法研究了水溶性较好的CB[7]与牛血清白蛋白（BSA）的相互作用,目前尚未见报道。实验发现,在人体生理pH 7.4时,BSA的内源荧光强度随着CB[7]浓度的增大而明显降低,荧光峰发生一定的红移,且猝灭常数随温度升高而逐渐降低。分别采用Stern-Volmer方程和Lineweaver-Burk双倒数方程等处理实验数据,获得了不同温度下的反应结合常数、结合位点数以及相关热力学参数。在298K时,测得CB[7]与BSA的表观结合常数（KA）为2.3367×105 Lmol-1,结合位点数为1.078。基于热力学参数判定疏水作用和静电作用两者是它们之间的主要协同作用力。疏水作用来自于葫芦脲疏水空腔对BSA氨基酸残基的部分包结作用,与静电作用一起维系CB[7]-BSA的稳定性。同步荧光技术研究发现CB[7]没有引起BSA构象的变化,为葫芦脲在药物载体和生命科学领域的应用提供有用的信息。5、采用荧光光谱法研究了CB[7]对巯嘌呤（6-MP）和腺嘌呤（ADP）的包结作用,考察了时间、pH以及温度对荧光强度和包结作用的影响,利用Benesi-Hildebrand方程分别计算出巯嘌呤和腺嘌呤与CB[7]的包结常数。实验表明：酸度对体系的包结有明显的影响。巯嘌呤在pH=8.0和腺嘌呤在pH=2.0左右时,分别具有稳定和最佳激发和发射波长,随着CB[7]浓度的增大,体系的荧光强度都有明显增强,包结作用迅速（小于5min）。实验得出CB[7]与巯嘌呤和腺喋呤的包结比均为1：1,在298K时的包结常数分别为3.6797×102Lmol-1和2.2033×102 Lmol-1。通过热力学参数的变化,探讨了维系包结物稳定性的主要作用力。CB[7]是葫芦脲家族中水溶性最强的主体分子,作为一种安全低毒的药物载体极具潜力。6、采用紫外可见光谱法研究CB[7]分别与直接大红、直接桃红、直接耐酸性枣红等三种常用的水溶性直接染料的相互作用。实验发现,随着CB[7]浓度的增大三种染料的吸光度显著降低,均出现等吸点,并考察了主体分子的浓度、缓冲液的pH、温度、有机溶剂、表面活性剂等因素对光谱变化的影响。结果表明,CB[7]能分别与三种染料形成较稳定的配合物,这类配合物的形成与其对染料结构基团的部分包结作用相关。运用等摩尔比法和Job法确定它们均形成1：1型的包结配合物。同时,通过测得的包结反应热力学参数可知：它们的包结反应均为放热过程,这可能是主客体分子间存在疏水作用和氢键作用等的缘故。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 葫芦脲的合成及其分子识别研究进展
• 1.1 引言
• 1.2 葫芦脲及衍生物的合成、分离及基本性质
• 1.2.1 葫芦脲同系物的合成
• 1.2.2 葫芦脲衍生物的合成
• 1.2.3 葫芦脲的结构特征和基本性质
• 1.3 葫芦脲及其衍生物的应用
• 1.3.1 葫芦脲的分子识别作用
• 1.3.2 葫芦脲的自组装
• 1.3.3 葫芦脲在生物体及药物运载方面的应用
• 1.3.4 环境污染治理
• 1.3.5 分子催化反应
• 1.3.6 分离材料
• 1.4 总结与展望
• 1.5 论文立题依据、意义及研究内容
• 第2章 葫芦[7]脲的合成及表征
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 仪器与试剂
• 2.2.2 葫芦[n]脲的合成
• 2.2.3 葫芦[7]脲的分离纯化
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 葫芦[7]脲合成的影响条件
• 2.3.2 葫芦[7]脲的结构表征
• 2.4 结论
• 第3章 葫芦[7]脲气相固定相的制备及色谱分离性能的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 仪器与试剂
• 3.2.2 玻璃柱的清洗
• 3.2.3 葫芦[7]脲填充柱的制备和老化
• 3.2.4 色谱条件
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 葫芦[7]脲固定相色谱柱性能评价
• 3.3.2 葫芦[7]脲色谱柱分离性能考察
• 3.4 结论
• 第4章 荧光光谱法研究葫芦[7]脲与牛血清白蛋白的相互作用
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 主要仪器与试剂
• 4.2.2 实验方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 CB[7]对BSA的荧光猝灭光谱
• 4.3.2 荧光猝灭作用的描述和猝灭作用性质及能量转移
• 4.3.3 结合常数和热力学参数
• 4.3.4 不同pH值CB[7]-BSA体系的荧光光谱及作用力的确定
• 4.3.5 BSA构象的影响
• 4.4 结论
• 第5章 荧光光谱法研究葫芦[7]脲与腺嘌呤和巯嘌呤的包结作用
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 仪器及试剂
• 5.2.2 实验方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 CB[7]分别与巯嘌呤和腺嘌呤的相互作用
• 5.3.2 CB[7]与巯嘌呤、腺嘌呤相互作用pH值的选择
• 5.3.3 CB[7]与巯嘌呤、腺嘌呤相互作用时间的选择
• 5.3.4 包结比和包结常数
• 5.3.5 热力学参数的计算
• 5.3.6 包结机理推测
• 5.4 结论
• 第6章 葫芦[7]脲与直接染料相互作用的研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 仪器与试剂
• 6.2.2 溶液的配置
• 6.2.3 实验方法
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 直接染料与CB[7]作用的紫外可见光谱测定
• 6.3.2 摩尔比法和Job法确定包结比
• 6.3.3 包结稳定常数Ka的测定
• 6.3.4 包结过程的热力焓变和熵变
• 6.3.5 因素对直接染料与CB[7]作用的影响
• 6.3.6 包结机理推测
• 6.4 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表、待发表论文