芳香壁延伸的甘脲二聚体分子夹增强平面芳香染料的结合能力

本文报道了新型蒽壁甘脲二聚体分子夹（H2）的合成及其对平面芳香染料的超分子识别特性。研究发现，相较于萘壁宿主（H1），蒽壁延伸使结合亲和力提升约10倍（Ka达108 M-1），揭示了阳离子-π相互作用和疏水效应对分子识别（CB[n]型受体）的关键作用，为染料传感和生物染色调控提供了新策略。

　　

1 引言

甘脲衍生物在超分子化学中占据重要地位，从经典的葫芦脲（CB[n]）到非环状受体，其结构演变持续推动分子识别研究。本文聚焦于具有平行芳香壁的甘脲二聚体分子夹（如H1和H2），其独特的U型空腔对平面芳香阳离子展现出显著选择性，与CB[n]偏好烷基铵离子的特性形成鲜明对比。

2 结果与讨论

2.1 蒽壁分子夹H2的设计与合成

通过双亲电芳香取代反应，将蒽壁单元（W1）与甘脲二聚体（G2）结合，以7.4%产率获得水溶性良好的H2。核磁共振（¹H NMR）显示其C_2v对称结构，而质谱确认了[ H2-4Na+2H ]^2-等多电荷态。

2.2 自聚集行为

H2在D₂O中浓度>2 mM时发生自聚集，但低浓度（<500 μM）下保持单体状态，确保后续光学滴定实验的可靠性。

2.3 染料选择策略

选取14种染料（如MB、NDI⁺、ThT）组成研究面板，其吸收光谱避开H2的蒽壁吸收区（320-410 nm），且避免高浓度下的聚集效应。

2.4 核磁表征结合几何

¹H NMR显示MB等染料结合时，芳香质子显著高场位移（Δδ≈0.5 ppm），证实其嵌入蒽壁空腔。NMeAc的NCH₃信号高场移动至3.32 ppm，表明甲基深入空腔内部（图5）。

2.5 结合常数测定

通过竞争性荧光滴定（以ThT为竞争者）测得H2•MB的K_a高达1.24×10⁸ M^-1，较H1提升10.7倍。关键发现包括：

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  π延伸效应：蒽壁（H2）较萘壁（H1）平均增强结合力10倍，与Whitesides的疏水面积理论（-20 cal mol^-1 ?^-2）吻合。

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  阳离子-π作用：中性红（NeuRed）质子化后（NeuRed•H⁺）结合H2的pK_a偏移2.36，对应229倍亲和力提升。

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  取代基影响：NMe₂染料（如AcO）比NH₂类似物（如ProF）结合强6-7倍，归因于N⁺CH₃•••O=C静电作用。

2.6 缓冲液离子强度

PBS中Na⁺（137 mM）竞争结合使K_a较20 mM磷酸盐缓冲液降低2-10倍，反映金属离子与脲羰基门户的竞争。

3 结论

蒽壁延伸的H2通过协同的疏水效应和阳离子-π作用，实现对平面芳香染料的纳摩尔级识别（K_a达10⁸ M^-1）。该体系为开发超分子染料清除剂（如细胞脱色）和传感平台提供了新思路，其结构-活性规律对设计高选择性受体具有普适意义。