1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文献综述

1. 引言

超分子化学，是从 20 世纪六七十年代兴起的一门新的化学学科。与分子化学不同，分子化学是研究原子之间的共价键相互作用，而超分子化学是研究分子间的非共价键相互作用，超分子化学是多个分子依靠分子间相互作用生成一个主-客体化合物。

早在 20 世纪 30 年代”超分子”一词就已经提出,但却未在受到科学界的重视。1967 年 C.J. Pedersen 合成了冠醚。基于对冠醚的基本性质的发现，C.J.Pedersen 开创了主-客体化学的先河。1987 年诺贝尔化学奖授予了 C.J Pedersen (佩德森)、J.M Lehn (莱恩)、D.J Cram (克来姆)三位化学家，来表彰他们在超分子化学理论研究方面的开创性工作，从而标志着化学的发展进入了一个崭新的时代。90 年代以后，超分子化学在主客体化学方面迅猛发展，主体对客体的分子识别以及分子组装成为超分子化学研究内容的重要组成部分。近年来，随着超分子化学研究的蓬勃发展，有目的针对客体化合物设计尺寸、形状及能量匹配的、高选择性主体化合物的分子识别研究，已成为极具极富挑战的课题。目前超分子主体经历了从冠醚到环糊精，到杯芳烃再到葫芦脲四代具有特定内腔的穴状化合物。由于与冠醚、环糊精以及杯芳烃相比，葫芦脲更易合成，具有更高的识别特异性，更好的选择性。这就使得葫芦脲逐渐成为近年来各国学者积极研究和应用性探索的热点。

2. 葫芦脲

2.1目前的发展状况

由于葫芦脲同系物及衍生物都是高度对称的葫芦状( 或瓜状) 结构，内部有一个疏水的空腔，上下两端各有一个同样大小的端口，端口处围绕分布着多个羰基，形成了阳离子结合位点。当其与有机分子相互作用时，端口的众多羰基氧原子能与有机分子质子化部分键合，其内部的疏水空腔可容纳有机分子的疏水部分。由于其笼体效应和端口效应的相辅相成作用，因而根据环和空腔的大小使其可以选择性地包合多种大小不同的无机或有机分子，进而形成稳定的

超分子主客体包合物，故使葫芦脲不仅在 21 世纪的热点学科，如生命科学、能源科学、材料科学、环境科学、信息科学、纳米科学及仿生学等领域彰显出广阔的应用前景，而且在众多经典学科领域，如化学、生物学、催化科学、生物化学、生物物理、物理学等领域有着广泛的应用，同时在应用领域如食品、化妆品、香料、日用化工产品、染料、农药等领域应用广泛。不仅如此，其在工业、农业、国防、军工及医药学等领域均有着重要的应用价值。由此不难看出，葫芦脲促进了上述学科领域的产生和发展，其二者相互促进，相得益彰。由于人们对葫芦脲化合物研究的不断深入，目前已形成为一门新兴的热门边缘学科#8212;#8212;#8212;葫芦脲化学。

2.2葫芦脲的结构与特性

CB[n]是不同甘脲单元通过亚甲基连接而成的穴状化合物(图1)。CB[n] (n = 5、6、7、8)的结构参数如表1所示。CB[n]的空腔疏水，两端开口且大小相同，两头小中间大且由羰基环绕而成。CB[n]结构具有刚性，进行主客体结合时有出色的结合强度和结合选择性。CB[n]能够通过空腔的疏水作用、羰基的氢键作用等来结合各种有机分子。由于CB[n]不同大小尺寸对结合选择性有很大影响，因此CB[n]选择极性和尺寸大小合适的客体分子形成包结物。CB[n]的热稳定性比较高，溶解性比较差，一般难溶于有机溶剂和水，溶于强酸^（1、2）。

图 1葫芦脲结构

表格 1 CB[n] (n = 5、6、7、8)的结构参数

	葫芦[5]脲	葫芦[6]脲	葫芦[7]脲	葫芦[8]脲
端口直径（c）/nm	0.24	0.39	0.54	0.69
空腔直径（b）/nm	0.44	0.58	0.72	0.88
空腔体积/nm3	0.082	0.164	0.279	0.479
外径（a）/nm	1.31	1.44	1.60	1.75
高度（d）/nm	0.91	0.91	0.91	0.91

对于葫芦脲，经查阅文献发现超分子主体葫芦[n]脲以其特有的结构：

1）端口效应： 葫芦[n]脲端口的羰基带负电，可以与带正电的有机或无机离子发生分子间相互作用；

2）笼体效应： 产生于疏水性的葫芦脲笼体对客体的包结作用；

3)尺度效应： 即与瓜环作用物的尺度大小有关，因此，葫芦[n]脲既可以与有机分子结合，也可以与无机离子作用，而备受化学工作者的青睐，并展开了许多相关的荧光光谱分析及分子组装方面的研究^（3）。

2.3合成葫芦脲基本条件和后处理方法

葫芦脲的合成是通过乙二醛、尿素为原料首先合成得到甘脲，然后再把甘脲和过量的甲醛在酸性条件下进行缩合而成。从结构上看，葫芦[n]脲是一种具有相同尺寸大小的端口且中间是一个疏水空腔，而端口直径要小于空腔直径。从稳定性来说，葫芦[n]脲处于强酸或强碱性的环境中时，都表现出了很好的稳定性。因此，葫芦脲不仅能够容纳尺度合适的客体分子或离子，还可以通过氢键、配位键等许多不同的弱相互作用去包合其他的分子或离子^（3）。

发现了葫芦[5～11]脲,分离得到葫芦[5,7,8]脲,即分别含有5,7,8个甘脲单元.在稀硫酸溶液中较低温度(75～100℃)下反应得到葫芦脲混合物,除分离出葫芦[6]脲外,还分离得到了葫芦[5]脲和葫芦[7]脲。在稀盐酸溶液中115℃下反应,经提纯可得到葫芦[8]脲^（4）。

2.3葫芦脲的应用

由于拥有疏水性的内部空腔和两个亲水性端口，可以通过氢键作用、离子-偶极作用等对多种有机阳离子、金属离子具有选择性地进行包结配位，因而葫芦脲在超分子催化、分子识别、分子组装、药物的吸附或缓释、催化剂以及超分子主体等领域具有非常广阔的应用前景和发展潜力。特别是在分子识别、超分子组装与自组装等领域，世界各国的科学家们进行了卓有成效的研究探索并且取得了丰硕的成就^（5）。
1）分子识别
所谓分子识别就是主体(或受体)对客体(或底物)选择性结合并产生某种特定功能的过程，是分子间专一性的结合。在主-客体体系中，主体选择性地识别客体并以某种方式与客体配位形成化合物。它们之间不是靠传统的共价键力，而是靠非共价键力的分子间的作用力，如范德华（Vander Waals）力(包括离子-偶极、偶极-偶极、偶极-诱导偶极相互作用)、疏水相互作用和氢键等。分子识别主要可分为对离子客体的识别和对分子客体的识别^{（6、7、8）}。
葫芦脲可以选择性的键合客体形成各种不同的超分子。Bushmann 等研究发现葫芦[6]脲与某些金属离子和其他阳离子能形成稳定的配合物。随后采用量热滴定和核磁等方法研究了葫芦[6]脲与氨基酸、氨基醇和肽等生物大分子相互作用。Freeman 和 Mock 等的研究表明葫芦[6]脲与有机铵离子能相互作用形成稳定的包合物。2002-2003 年间 Kim 研究组和 Kiafer 研究组先后研究并报道了一系列 4,4′-联吡啶的双季铵盐衍生物与葫芦[7,8]脲之间的相互作用^（9）。
2）超分子组装和自组装
随着超分子化学的飞速发展，组装与自组装成为了当今化学新的研究热点。尤其在轮烷、准轮烷、聚轮烷、和准聚轮烷等的超分子自组装方面取得了很大的发展。
葫芦脲对客体分子的选择性包结，对于被包结客体分子的反应活性会造成影响。1983年，Mock等发现葫芦脲在环加成反应中表现出了类似于酶的性质，这在很大程度上增大了反应速率。CB[8]可以使[2 2]环加成反应速率增大，且该反应具有优异的立体选择性。将CB[8]与(E)-二氨基茂盐酸盐在水相中进行混合，可以得到物质的量的比为1:2的稳定的配合物。在CB[6]对 1,3-偶极环加成反应的催化作用的研究中发现，CB[6]使反应速度明显加快。
Steinke等利用葫芦脲对环加成反应的催化作用制备出了一系列低聚三唑杂环化合物。利用2,6-二氯甲基-3,5-二甲苯分别制备相应的炔烃和叠氮，然后通过借助CB[6]在其中发生环加成反应后形成聚轮烷组装体。另外使用小的双功能化炔烃和叠氮，通过 CB[6]的催化作用，同样可以得到线状低聚三唑聚轮烷组装体。然后通过调节改变pH值，可以从CB[6]空腔中分离出线状低聚三唑。
Tuncel等在制备多轮烷体系时发现，CB[6]可以在2-叠氮乙胺与炔丙胺的环加成反应中起催化作用使反应速率提高近105倍^{（10、11）}。
4）葫芦脲在医药方面的应用
Kim等人利用CB[6]的衍生物所形成的纳米球能够用于蛋白质和缩氨酸药物的输送。以CB[7]及葫芦脲衍生物做主体与过渡金属形成配合物，如以铂配合物-奥沙利铂做为客体，可以形成 1:1 的稳定包合物，该包合物是一种具有抗癌作用的药物，可用于卵巢癌、乳腺癌等的治疗。该药物能有效预防生物降解所生成的VI-VO，降低了药物的负面作用，并且药效持续时间长。当该药物体内接触到癌细胞时，药物便可以通过控制铂配合物的释放时间来达到治病的目的。
Kim^（12）等人还发现水溶性CB[6]能够与神经传递素乙酰胆碱形成稳定的包结物，乙酰胆碱的三甲氨基处于葫芦脲空腔的外部，其余的基团进入空腔内。该研究展示了羟基取代葫芦脲的衍生物在离子通道方面的应用，对新药物的发现起着重要的作用。

严琨等人发现1-苯基哌嗪能够与CB[6]形成包合物，该包合物可以与人血清白蛋白(HSA)包合。陈慧兰课题组研究了碘苯基羟基喹啉和CB[6]的共晶体在结构上的变化，结果证明甲状腺激素具有作为一种碘助的不对称模板的功能，此功能诱发了荷尔蒙受体具有生物活性的构造^（12）。

3. 萘酰亚胺荧光染料

随着空间、能源和电子技术的不断发展，新型的具有特定功能的有机荧光类化合物得到了快速的发展和广泛的应用。１，８－萘酰亚胺类荧光化合物的研究越来越受到人们的重视，研究发现，该类化合物在光化学稳定性和较高的量子产率等方面也表现出优良的特性，可应用于电致发光、液晶材料、太阳能转换器、激光染料、ＤＮＡ 嵌入剂、化学荧光探针等高科技领域。荧光检测技术不仅在汽车的空调系统、机油系统、燃油系统、冷冻液系统等应用，而且在医学、食品、军事、航空、冶金、采矿等行业中均可应用。因此，研究和开发１，８－萘酰亚胺在指示方面的功能具有很好的市场前景^{（13、14）}。

3.1结构特点

1,8-萘酰亚胺是由,1,8-萘酸酐和伯胺缩合通过亚胺化反应生成的（图2）。

1,8-萘酸酐本身是个荧光发射团,但荧光微弱，在1,8-萘酰亚胺的4-位上引入给电子基团后,衍生物的共扼体系将发生改变,形成分子内供-吸电子的电荷转移化合物,这种形式的共辘体系具有较强的荧光效应（图3）。

图 2 1,8-萘酸酐和伯胺缩合通过亚胺化反应生成1,8-萘酰亚胺

1,8-萘酰亚胺类化合物分子结构有如下特点共平面性具有较大的共扼体

系,分子一端具有强烈的给电子基团。因此,其分子结构中存在着一大的吸-供电子共轭体系。处于这样体系中的电子很容易受到光的照射而发生跃迁,从而

产生荧光。实验证明,分子中的变化对荧光性能影响很小,而4,5位连接的供电子基团对荧光性能影响很大。

图 3 分子内供-吸电子的电荷转移

3.2 1,8-萘酰亚胺类化合物合成

1,8-萘酰亚胺类化合物种类较多,就其结构而言,大多数萘酰亚胺类化合物的合成都是从苊开始,经氧化、卤化、亚胺化反应合成。主要有主要有苊的

硝化-氧化法,危的氧化-卤化法,苊的硝化（磺化）-取代法^（14）。

3.3 1,8-萘酰亚胺类化合物的应用

1,8-萘酰亚胺类荧光化合物及其衍生物主要应用于荧光染料和荧光增白剂。此外该化合物还可应用于高新技术领域如金属荧光探伤、太阳能聚焦器、电致发光、太阳能转换器、液晶、有机光导材料及激光染料等^{（16、17、18）}。

3.3.1 1,8-萘酰亚胺类荧光染料

1,8-萘酰亚胺类荧光染料研究最早的是黄色染料4-氨基-1,8-萘酰亚胺类化合物,该类化合物在有机溶剂中发出强烈的绿色荧光,主要用作染料,可用于维纶、尼龙等的合成纤维的染色。其N原子上取代基的改变可获得许多不同性能的荧光化合物。如,分散黄11（a）染色为亮绿黄色,可用于醋酷、聚醋、聚酞胺纤维的染色,但染色牢度比较差。（b）是活性染料,可用于棉纤维的着色。（c）是丝绸染色专用酸性染料。4-位氨基取代的1,8-萘酰亚胺可以作为偶氮染料的重担组分,偶合后得到分散染料^（19）。

4-位羟基取代的1,8-萘酰亚胺具有酚类化合物的性质,所以常被用作偶氮染料的偶合组分。3-位羟基取代的1,8-萘酰亚胺可以作为偶氮染料的重氮组分,制得带氨基的偶氮染料^（20）。

3.3.2荧光增白剂

1,8-萘酰亚胺的4-位被酰胺或烷氧基取代的衍生物可作为荧光增白剂,用于聚醋、醋酸纤维、睛纶、塑料等的增自,其耐光性好。

3.3.3其他用途

1,8-萘酰亚胺类衍生物还可应用于金属荧光探伤、电致发光、DNA嵌入剂、液晶及有机光导材料等多个领域,是应用较为广泛的一类非常重要的功能材料。有着非常广泛的应用前景^（15）。

4. 本课题的研究内容和意义

4.1研究内容：

1.对含羟乙基萘亚酰胺染料和CB[7]的包结性能的研究，通过荧光滴定法确定其包结比和络合常数，通过核磁位移确证其包结位置

2.将含羟乙基萘亚酰胺染料和CB[7]的超分子组装体应用于分子的识别，通过荧光滴定法来研究其识别效果。

4.2 研究意义

超分子化学可定义为”超出分子的化学”,是基于分子间的非共价键相互作用而形成的分子聚集体的化学。它不仅在生命科学、材料科学和信息科学中有重要的研究意义，而且在药物分析^（21）方面中也具有重要的理论意义和潜在的广阔的应用前景。

超分子化学包含了分子识别与分子组装。分子识别主要可分为分子主体对分子客体的识别和对离子客体的识别和手性分子的识别，而以常见的主体分子有冠醚(crown ehter)、环糊精(cyclodextrin)、杯芳烃(calixarene)、葫芦脲(cucurbieuril)^{（21、22）}等大环化合物选择性结合客体形成了超分子体系。葫芦[n]脲系列化合物正是由于它们强烈的亲和力、高选择性和敏感的结合特性，导致它们在一出现就作为了在水溶液中分子识别的一类特殊受体。因此葫芦[n]脲系列化合物具有广泛的应用空间，包括药物缓释、分子机器、超分子聚合物、传感器、仿生系统^{（22、23、24、25）}。

参考文献

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

本课题开展了含羟乙基萘亚酰胺染料和cb[7]的性能研究。

主要研究内容：

1.对含羟乙基萘亚酰胺染料和cb[7]的包结性能的研究，通过荧光滴定法确定其包结比和络合常数，通过核磁位移确证其包结位置

2.将含羟乙基萘亚酰胺染料和cb[7]的超分子组装体应用于分子的识别，通过荧光滴定法来研究其识别效果。