文 献 综 述 1．超分子化学 超分子化学是当今化学研究的一个热门领域, 其中以主体(受体)对客体(底物) 的分子识别和组装则是超分子化学的核心研究内容[1] 。

而所谓分子识别是指主体(或受体) 与客体(或底物) 通过非共价键相互作用, 选择性结合并产生某种特定功能的过程,是组装及组装功能的基础。

在分子识别和组装等方面研究中, 往往只有具有特殊和有效识别部位或基团的分子, 才能成为理想的超分子受体。

上世纪七八十年代,人们主要对冠醚(crown ether)、环糊精(cyclodextrin)、杯芳烃(calixarene)及他们的衍生物进行研究，而随着一种新型大环化合物葫芦脲(cucurbituril)的发现，以其为主题的超分子化学成为研究新热点[2].目前葫芦脲的研究已发展成为一个重要的研究领域. 2．葫芦脲 2．1葫芦脲的结构特征 葫芦脲的形状,类似于中国传统打击乐器鼓,具有两端开口的空腔, 其两端口尺寸相同, 空腔直径大于端口直径, 几种葫芦脲的结构参数列于表1. 葫芦[6,7,8] 脲的空腔尺寸与α-,β- ,γ- 环糊精的相当. 十甲基葫芦[5] 脲固态时稍微偏离D5h对称性, 呈现一定的张力,空腔直径明显增大.而五环己烷并葫芦[5] 脲和六环己 烷并葫芦[ 6]脲端口和空腔尺寸与葫芦[5]脲及葫芦[6]脲基本一致[3] .与环糊精相同,葫芦脲的空腔也是疏水的,可以包结有机分子.葫芦脲的空腔是由羰基所环绕, 羰基又形成了阳离子键合位点.所以可以通过离子- 偶极相互作用和与脲羰基的氢键作用来键合金属离子或有机分子的带电部分.另外,Nau 等[4]研究了葫芦[7]脲与2,3-二氮杂二环[2.2.2] 辛-2-烯的包结配合作用,发现葫芦[7]脲空腔只含有极性很强的化学键,而没有易于离子化的电子对或指向腔内的C-H 键,因此其内腔具有很小的可极化性,比全氟代己烷还低,可视作一种新的物态.葫芦脲的另一特征是其结构的刚性,由冠醚、杯芳烃、环糊精到葫芦脲,分子结构的刚性依次增强.葫芦脲不能改变形状以适合客体分子,所以可以预期配位作用必会伴随着极强的专一性和极高的缔合常数.葫芦[6]脲在水中呈极低的溶解度,其水合物是不确定性的. 它可以在稀酸溶液中重结晶,一般得到十四水合物. Buschmann 等[5]用DSC和TG等研究了水合和无水葫芦[6]脲的热行为,用等温量热方法研究了无水葫芦[6]脲的水合反应, 结果表明其水合水分子有两组,其中一组有2,3个水分子在葫芦[6]脲空腔内,键合远比其它水分子强, 键合能分别为-22.5kJ#183;mol-1和-9.4 kJ#183;mol-1.在25℃可以配制葫芦脲的饱和水溶液, 但其溶解度不易确定. 而酸性水溶液,如D2O/ DCl或1：1( V：V) D2O- 85%甲酸溶液,尤其后者是合适的溶剂,葫芦[6]脲的溶解度可达10% ,但这种溶剂与纯水比较具有一定的疏脂性.五环己烷并葫芦[5]脲和六环己烷并葫芦[6]脲在通常溶剂(如水、甲醇、DMSO)中具有高的溶解度,在乙醇、DMF和乙腈具有可观的溶解度.这为开展其性质研究提供了极大的方便. 2．2葫芦脲的合成 在1905年，Behrend等利用甲醛和甘脲(尿素和乙二醛缩合物)在酸性条件下缩合成环制得了葫芦脲，但仅确定其经验式为( C10H11-N7O4#183;4H2O). 二十世纪八十年代Freeman等[6]重新研究了这个反应, 确定了该大分子环状化合物的结构, 其化学计量式为C6H6N4O2#183;2nH2O. Freeman等提议用葫芦脲(Cucurbituril)命名这种大环化合物.由于大环化合物的命名在实用中太复杂, 这个俗名已被广泛接受.为表明环中的结构单元数, 采用类似于杯芳烃的命名规则,可称为葫芦[6]脲. 合成葫芦脲的起始原料甘脲为市售试剂,但也很容易通过乙二醛和脲在酸性条件下反应制得. 甘脲和过量甲醛在酸性条件下发生缩合可制备葫芦[6] 脲,Buschmann[7]优化了合成步骤, 可安全而经济地制备葫芦[6]脲. 2000年，Kim 等成功分离得到具有不同甘脲单元数目的葫芦脲大环化合物(CB［n］，n = 5，7，8)，极大地丰富了葫芦脲的合成以及相关性质研究[8]; 2002年，Day等获得一个大环套小环的CB［10]#183;CB［5］复合物[9];2005年，Isaacs等则通过客体置换的巧妙方法分离纯化得到纯的CB［10][10];2013年，陶朱等从大量葫芦脲大环混合物中分离得到具有扭曲空间拓扑结构的CB［14][11];2016年，陶朱等最新分离得到CB［13］和目前为止拥有甘脲单元数目最多的CB［15］[12,13]。

2．3葫芦脲的分子识别和组装 2．3．1分子识别 葫芦脲是一类拥有内腔的大环配体,属于穴状配体的范畴,它对金属离子和有机铵阳离子等有极强的主-客体键合能力.由于葫芦脲同系物中除葫芦[6]脲外多为最近才合成 提纯得到,所以分子识别研究主要集中于葫芦[6]脲. a．对金属离子的识别 由于葫芦脲系列大环分子空腔边缘是由多个羰基氧原子组成，具有强极性，所以葫芦脲能与金属阳离子通过配位作用，键合生成稳定的葫芦脲金属离子配合物。

从 Behrend 的报道中就已知道葫芦[6] 脲对金属阳离子具有强的键合能力. Buschmann等报道了在水溶液中葫芦[6]脲对碱金属离子、碱土金属离子和其它阳离子的配合作用.由于在纯水中葫芦脲的溶解度极低,采用了含有不同金属离子浓度的饱和溶解法. 溶解度数据的测定表明1：2主-客体化学计量, 由于两个金属离子键合位点被刚性空腔隔开, 两个金属离子的键合常数相等. 脲羰基基团对电荷稠密的阳离子来说是优良的给体. 可以设想葫芦脲对金属离子的配合作用要比只有醚氧给体原子的配合(如冠醚)强得多.另外葫芦脲的结构刚性阻止配位过程中构型的变化,所有的给电子原子均位于一个平面内. 最后羰基键较之醚氧基团为高的极性也对键合有利.这可从葫芦脲与18-冠-6与阳离子的稳定常数的比较中证实.Buschmann等基于配合物的形成,溶解度增大,采用饱和溶解度法,利用有机碳总量测定确定溶解度数据,研究了葫芦[5]脲、十甲基葫芦[5]脲和葫芦[6]脲与碱金属( Na ,K ,Rb ,Cs )、碱土金属( Ca2 ,Sr2 , Ba2 ) 及铵阳离子( NH4 , C6H13NH3 )在水溶液中的配合物稳定性,以及葫芦[5]脲和葫芦[6]脲与多价金属离子( Co2 ,Ni2 ,Cu2 ,Pb3 ,Zn2 , Cd2 ,Cr3 ,Fe3 ) 在水溶液中的配合物稳定性.对于多价金属离子,葫芦[5]脲与葫芦[6]脲的配合物稳定性相当, 最稳定配合物为葫芦[6]脲-Cd2 .此法不能测定十甲基葫芦[5]脲与多价金属离子配合物的稳定性,原因是基于配合物的形成, 溶解度减小. Bradshaw 等用量热及分光光度方法研究表明, 在 1：1甲酸- 水( V：V)溶液中,相对于碱金属、碱土金属、NH4 , Cd2 阳离子,十甲基葫芦[5]脲对Pb2 具有高选择性.五环己烷并葫芦[5]脲与钾离子形成1：2 的配合物, 但两级配合常数不同,这与在水中五环己烷并葫芦[5] 脲未质子化有关.五环己 烷并葫芦[5]脲对Pb2 具有很高的选择性,可用作离子选择性膜电极.Dance等制得了与上述外配合物不同的内配合物, 晶体结构表明金属离子cis-SnCl4( H2O)2进入葫芦[7]脲的内腔, 而不是与葫芦[7]脲羰基氧配位的外配合作用。

b．对有机胺离子识别 Mock等深入考察了有机胺离子与葫芦脲的相互作用[14]，当一个有机胺离子以客体分子形式进入葫芦脲疏水空腔内部，形成比例为1：1的包结化合物时，其吸收荧光及核磁共振谱等将发生变化。

对于脂肪铵离子来说,可用核磁共振谱来研究. 其阳离子端与葫芦脲的羰基偶极的负电端键合, 而其碳链则穿入空腔.相对于溶剂的酸性水环境而言,即进入了质子屏蔽区.对于芳香铵离子来说,芳环包结进入了葫芦脲的空腔, 即客体分子的生色团从水的环境转移到非极性的主体空腔中,而甘脲(无空腔)在酸性溶液中即使大大过量,也不能使芳胺发生任 何 UV 谱图的变化.在客体分子尺寸方面,葫芦[6]脲可以包结长于0.5nm的多亚甲基链,在直链脂肪单胺中,正丁铵离子的包结比更高或更低的正脂肪铵均强.四碳链大约充满葫芦脲的空腔,而更长的客体必然会伸至第二个端口外而影响其极性羰基的溶剂化.葫芦[6]脲对α, ω-脂肪二铵离子均呈现强的键合,而五个和六个碳的配合物最稳定.在1,6-己二胺的伸展构型中,两个氮原子间的距离正好与空腔羰基氧的轴向距离一致,呈现最佳的NH ...O=C 相互作用. 很显然两外铵离子同时与两个羰基端配位最为稳定.对于带有支链的胺和环 胺, 对异丁胺和环戊胺配合能力较强.小的环烷烃被包结, 环戊基甲胺的五元环包结最佳. 环己烷分子太大不能包结, 然而尽管平面的苯环的范德华尺寸（直径厚度为0.6nm*0.4nm) 比葫芦[6]脲的空腔大一点, 但仍可以形成包结配合物.此时主体的笼状结构扭曲成椭球形,在垂直于苯环方向, 直径减小0.04nm,在苯环平面方向直径相应增大.当主体空腔为一苯环所占据时,则空腔没有空间再容纳一个额外的甲基基团,苯环上的对位甲基可伸展至端口外.芳环可以说是葫芦[6]脲包结客体尺寸的上限.对位二取代苯环可以包结进入空腔, 而邻位、间位异构体则不能,这主要是因为立体位阻所致.葫芦脲的包结过程对芳环上的烷基取代基非常敏感,对苯环衍生物的包结不仅限于对位,而且限于甲基.即使是对位二取代的苯衍生物,晶体结构数据表明此时主体笼结 构发生了明显的变形, 因此多数芳胺的配合物均较弱. 但某些五元芳香杂环如噻吩甲胺和呋喃甲胺例外,这归因于客体与空腔的尺寸匹配.在环烷基和铵离子之间插入一个亚甲基可极大地增加配合物的稳定性. 与环烷胺截然不同的是, 在苯环与铵离子间插入一个亚甲基却降低配合物的稳定性, 因为苯环已完全占据空腔,而链的增长会使铵离子远离羰基端口. 两端NH基团和中间烷基部分的协同作用导致很强的亲合力.生物多胺碱如亚精胺和精胺的配合物很稳定.亚精胺配合物的稳定性9 倍于1,4-丁二铵,原因在于一端的3-氨基丙基的正离子形式可以折回来在外部与剩余的羰基发生作用. c．对其它客体的识别 苯衍生物的包结伴随着主体结构的变形,不含铵离子的五元环烷烃可以形成稳定的配合物. 环戊烷、四氢噻吩、四氢 呋喃以及甲基环戊烷在葫芦[6]脲的存在下均有NMR的诱导位移.大小合适的众多染料分子与葫芦脲可以形成稳定的包结配合物[15] ,与环糊精相同,对染料或药物分子的包结会导致这些分子在水溶液中的稳定性增强.多数染料分子疏水性较强,所以这些分子或其一部分可以与非极性空腔产生较强的相互作用。

线形染料分子苯酚蓝与葫芦[6] 脲形成了较β-环糊精更为稳定的配合物. 在酸性溶液中苯酚蓝易于分解生成苯醌和对位两取代的苯胺.葫芦脲空腔的包结则使其稳定性大增, 在0.10 mol*dm-3盐酸溶液中的分解速率很低,苯酚蓝的半衰期增至7h,而无主体存在时仅为3min,β-环糊精存在时为7 min.葫芦[6]脲与1,8-ANS形成晶格包结配合物荧光固体 .甲基紫精与葫芦[8]脲形成1：1主-客体外包结配合物,其驱动力是客体的正电荷与葫芦[8]脲端口氧原子之间的离子-偶极相互作用.而加入2,6-二羟基萘或1,4-二羟基苯后,则可发生异客体对包结在葫芦[8]脲的空腔中,形成三元配合物,这种选择性异客体对包结的驱动力在于富电子客 体与缺电子客体之间的电子迁移相互作用. Kim等发现2,6-二( 4,5-二氢-1H-咪唑-2-基)萘分子太大,不能与葫芦[6]脲形成主- 客体配合物,但可与葫芦[7] 脲形成 1：1包结配合物,与葫芦[8]脲形成1：2包结配合物. 2．3．2分子组装 同环糊精一样,葫环联脲对客体分子的包结配合能力使它可以作为环状组分与线型分子结合,构筑具有特殊结构的超分子器件。

Kim等在研究了轮烷、准轮烷、葫芦脲分子链自组装形成的链状结构，参照形成荧光可逆的轮烷分子开关实验后，合成了一种新的双稳态的轮烷分子开关，它是动力学控制的。