三、包合的機(jī)理和方法
環(huán)糊精(主體)最重要性能之一,是可與客體分子形成包合物,這種超分子結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生是由于若干個(gè)不同物的分子通過非共價(jià)鍵相互形成新的聚集體。對(duì)環(huán)糊精來說具有廣泛的客體,如有機(jī)分子、無機(jī)離子、絡(luò)合物,甚至稀有氣體。在溶液中形成這類超分子時(shí),主體分子會(huì)與溶劑分子競(jìng)爭(zhēng)客體分子,這就要求主、客體分子之間有選擇性地相互作用,如范德華力、氫鍵、親水/疏水性以及某些基團(tuán)或局部的電荷和空間等共同決定的選擇性分子間的力,或稱謂分子識(shí)別性能。環(huán)糊精的結(jié)合位在空間呈同一方向排列的,而客體分子的結(jié)合位是非同向性的。所以形成包合物,主客體分子的結(jié)合必須空間上是互補(bǔ)。而主體的空腔尺寸和形狀保持不變是包合物一個(gè)突出的特征。
(一)包合物的類型
如果客體分子的整體或部分處于環(huán)糊精的空腔中,則屬于包合物(Inclusion Compounds),如果客體分子躺在環(huán)糊精空腔某一端則屬締合物(Association Compounds),如圖2(19)所示.圖2中(a)表示主、客體分子1:1完全包合,如苯分子被β-環(huán)糊精包合;(b)表示部分包合,如偶氮染料分子的偶氮基(-N=N-)被α-或β-環(huán)糊精包合;(c)表示端基部分包合,如萘紅分子用α-環(huán)糊精包合只能形成這種包合;(d)是2個(gè)γ-環(huán)糊精分子包合單一的C60富勒烯分子的是2:1包合物實(shí)例之一;(e)(f)分別表示1:2包合物及橋連型2:2主客體包合物;而(g)表示一種締合物,如多極性基的大環(huán)化合物,諸如冠醚、氮雜冠醚與環(huán)糊精容易形成締合物。
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環(huán)糊精包合客體分子的比率一般為1:1、1:2等,但較大的客體分子可以有不同的包合部位其包合分子也可能是2:1、3:1等情況。
(二)包合物的穩(wěn)定性
在溶液中環(huán)糊精(CD)和客體分子(G)以及其形成的包合物(CDm·Gn)之間,存在如下平衡反應(yīng)(2)(20):
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包合物平衡常數(shù)可以下式(1)表示:
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上式中:a、b是環(huán)糊精和客體分子的總濃度;
m,n是形成包合物的環(huán)糊精和客體的分子數(shù);
X是CDmGn包合物濃度。
平衡常數(shù)Km:n(或稱穩(wěn)定常數(shù))是描述溶液中環(huán)糊精包合物的穩(wěn)定性指標(biāo),通??捎米贤夤庾V、X射線衍射法和核磁共振等方法測(cè)定。其中核磁共振能可直接觀測(cè)主客體分子中各個(gè)原子的變化,因而對(duì)包合物的結(jié)構(gòu)分析,主客體結(jié)合部位的推定,以及包合機(jī)理等方面的研究發(fā)揮巨大的作用。核磁共振氫譜對(duì)客體分子在環(huán)糊精的空腔中包合位置能提供最直接的證據(jù)。而客體分子在環(huán)糊精空腔中方位取向,可以用測(cè)定客體分子的核磁共振氫譜和碳譜,由包合前后的化學(xué)位移變化來推定。例如:α-環(huán)糊精與對(duì)硝基酚的包合結(jié)晶構(gòu),其主、客體分子的位置如圖3所示??腕w分子的疏水性硝基進(jìn)入了主體分子的中空內(nèi)腔,而親水性的羥基則露出于腔口外。主體分子內(nèi)腔側(cè)的氫原子和客體分子的苯環(huán)上的氫原子之間距離,比氫原子的通常的范德華力半徑之和要小些,這顯示主、客體之間存在較強(qiáng)的相互作用。
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