河北工業(yè)大學(xué)楊春副教授課題組和美國(guó)佛羅里達(dá)理工學(xué)院Yi Liao教授課題組合作,運(yùn)用紫外-可見(jiàn)分光光度法研究了β-CD,2-hydroxypropyl-β-CD (HP-β-CD),γ-CD和HP-γ-CD等幾種環(huán)糊精與亞穩(wěn)態(tài)光酸MCH1的包合作用,測(cè)定了包合物的穩(wěn)定常數(shù),發(fā)現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)光酸包合物比MCH1具有更強(qiáng)的酸性和化學(xué)穩(wěn)定性,量化計(jì)算進(jìn)一步確認(rèn)了包合比和包合常數(shù),分析了包合作用的位點(diǎn)和氫鍵作用。
圖1 MCH1在基態(tài)和亞穩(wěn)態(tài)的主要型體轉(zhuǎn)化平衡 在可見(jiàn)光刺激下,亞穩(wěn)態(tài)光酸可以通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)顯著提高體系的質(zhì)子濃度,而在暗處,其又可回收質(zhì)子,使體系的質(zhì)子濃度得以恢復(fù),即反應(yīng)具有良好的可逆性。通過(guò)可見(jiàn)光,亞穩(wěn)態(tài)光酸可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一些化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的驅(qū)動(dòng)和控制,其已廣泛應(yīng)用于化學(xué)、材料和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域?;鶓B(tài)酸性(pKaGS)和亞穩(wěn)態(tài)酸性(pKaMS)分別是衡量亞穩(wěn)態(tài)光酸在暗處和光穩(wěn)態(tài)時(shí)酸性強(qiáng)弱的兩個(gè)重要參數(shù),當(dāng)一個(gè)質(zhì)子接受體的共軛酸的酸性pKa介于pKaGS和pKaMS之間時(shí),這個(gè)質(zhì)子接受體和亞穩(wěn)態(tài)光酸可能組成一個(gè)可逆的光控質(zhì)子交換體系。另外,亞穩(wěn)態(tài)光酸在水溶液中的穩(wěn)定性也是限制其在水介質(zhì)中應(yīng)用的重要因素。以往的研究工作表明,設(shè)計(jì)合成新型的有機(jī)分子或?qū)V泛應(yīng)用的亞穩(wěn)態(tài)光酸進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾是獲得具有理想的pKaGS、pKaMS和水解穩(wěn)定性的亞穩(wěn)態(tài)光酸的重要途徑。我們利用環(huán)糊精和廣泛應(yīng)用的亞穩(wěn)態(tài)光酸MCH1形成主客體包合物,方便地同時(shí)提高了其酸性和水解穩(wěn)定性。 利用紫外-可見(jiàn)吸收光譜滴定法,測(cè)得包合物[MCH1·(HP-β-CD)2]、[MCH1·( γ-CD)2]、[MCH1·(β-CD)2]和[MCH1·(HP-γ-CD)2]的結(jié)合常數(shù)在1.05×1010 – 1.25×109 M-2范圍內(nèi)。對(duì)比研究了MCH1和其環(huán)糊精包合物的熱弛豫反應(yīng)動(dòng)力學(xué),室溫下熱弛豫反應(yīng)速率常數(shù)降低為MCH1的0.22 – 0.37倍。測(cè)定了MCH1及其包合物的pKaGS和pKaMS,包合物的pKaGS在5.26 – 4.90范圍內(nèi),和MCH1(pKaGS = 6.12)相比,降低了0.86 – 1.22 pK單位;包合物的pKaMS在1.28 – 0.92范圍內(nèi),和MCH1(pKaMS = 2.24)相比,降低了0.96 – 1.32 pK單位,已和MCH1經(jīng)烷基銨側(cè)鏈修飾所得到的亞穩(wěn)態(tài)光酸的pKaMS(1.03)相近(J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 20758?20768.)。當(dāng)HP-β-CD,β-CD和γ-CD的濃度達(dá)到12.00 mM以后,均可以明顯抑制MCH1水解,尤其是HP-β-CD使MCH1的半衰期提高4倍以上。 量化計(jì)算結(jié)果表明,[MCH1·(CDs)2]比相應(yīng)的[MCH1·(CDs)]穩(wěn)定,氫鍵是主客體之間除疏水作用以外的主要作用力。這項(xiàng)工作為選擇合適的宿主分子來(lái)調(diào)控亞穩(wěn)態(tài)光酸的性質(zhì)以滿足多種需要,提供了一種新的策略。 圖2 β-CD濃度對(duì)MCH1的紫外-可見(jiàn)吸收光譜(a)和trans-MCH1在424 nm處吸光度變化量ΔA(b)的影響 圖3 在光穩(wěn)態(tài),MCH1的紫外-可見(jiàn)吸收光譜(a),MCH1 (b),[MCH1·(HP-β-CD)2] (c)和[MCH1·( γ-CD)2] (d)的cis-MCH1 (385 nm) 和SP1 (244 nm) 型體的吸光度隨pH的變化 圖4 不同濃度HP-β-CD (a), β-CD (b), γ-CD (c) and HP-γ-CD (d)下,MCH1的一級(jí)水解動(dòng)力學(xué) 論文信息 Inclusion Complexes of a Metastable-State Photoacid with High Acidity and Chemical Stability Ya-Nan Yuan, Gao-Jie Yan, Zi-Xuan Wang, Yao-Yao Song, Zhao-Yang Wang, Dr. Qing-Lun Wang, Dr. Chun Yang, Prof. Yi Liao ChemPhotoChem DOI: 10.1002/cptc.202300141