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1、研究论文 Article *E-mail:;Tel.:0086-021-54925122;Fax:0086-021-64166128 Received December 8,2012;published December 20,2012.Project supported by the National Natural Science Foundation of China(No.20944118).项目受国家自然科学基金(No.20944118)资助.Acta Chim.Sinica 2013,71,5161 2013 Shanghai Institute of Organic Chemis
2、try,Chinese Academy of Sciences http:/sioc- 51 化 学 学 报 化 学 学 报 ACTA CHIMICA SINICA 芳酰胺折叠体分子内 NHOMe 氢键强度评估 施朱明a 宋宇b 陆方c 周天佑a 赵新*,a 张文科*,b 黎占亭*,a(a中国科学院上海有机化学研究所 上海 200032)(b吉林大学化学学院 超分子结构与材料国家重点实验室 长春 130012)(c浙江瑞普环境技术有限公司 湖州 313000)摘要摘要 为了评估分子内 NHOMe 氢键诱导的芳酰胺折叠体分子内氢键的稳定性,我们从相应间-苯二胺和间-苯二甲酸前体出发构筑了 3 个
3、三、五和七聚体芳酰胺折叠体,并合成了 3 个并入这些折叠体片段的基于十六烷二胺的酰胺聚合物.1H NMR,定量芳酰胺氢-氘交换和晶体结构研究揭示,折叠体中间区域的氢键最弱,而处于骨架两端的氢键最为稳定.氢-氘交换实验测定出了不同酰胺氢发生这一过程的半衰期,最大差别约为 8 倍.对并入折叠体片段的聚合物的单分子力谱(SMFS)研究揭示,折叠体片段内不同区域分子内氢键的稳定性与单个折叠体分子内相应位置氢键的稳定性一致.通过 SMFS 实验,我们还测定出了不同氢键的绝对力值.结果显示,并入到聚合物中的短的三聚体折叠体具有最强的分子内氢键,而五聚体和七聚体折叠体的部分分子内氢键较弱,其力值出现在较低位
4、置.关键词关键词 氢键;芳香酰胺;折叠结构;大分子;单分子力谱 Evaluation on the Stability of the Intramolecular NHOMe Hydrogen Bonds Evaluation on the Stability of the Intramolecular NHOMe Hydrogen Bonds of Aromatic Amide Foldamers of Aromatic Amide Foldamers Shi,Zhuminga Song,Yub Lu,Fangc Zhou,Tianyoua Zhao,Xin*,a Zhang,Wenke*,
5、b Li,Zhanting*,a(a Shanghai Institute of Organic Chemistry,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200032)(b State Key Laboratory of Supramolecular Structure and Materials,College of Chemistry,Jilin University,Changchun 130012)(c Research In Purification Equipment,Ltd.,Huzhou 313000)Abstract To evaluat
6、e the relative stability of different intramolecular NHOMe hydrogen bonds of aromatic am-ide-based foldamers,3-,5-,and 7-mer aromatic amide foldamers F-3,F-5 and F-7,which possess one,two,and three differ-ent amide units,have been constructed from benzene-1,3-diamine and isophthalic acid derivatives
7、.1H NMR experiments in CDCl2CDCl2 and DMSO-d6 showed that the hydrogen bonds formed in the central area of the foldamer backbones are least stable,whereas the hydrogen bonds formed at the two ends are most stable.1H NMR hydrogen-deuterium exchange experi-ments for F-3,F-5 and F-7 in CDCl2CDCl2-CD3OD
8、(191,V/V)and DMSO-d6-CD3OD(191,V/V)were performed.In the former less polar solvent mixture,the half-life values of the process,corresponding to amides from the central area to the end areas,were determined to be 140 h for F-3,71.8 and 405 h for F-5,and 36.3,216 and 314 h for F-7,respectively.In the
9、latter more polar solvent mixture,the related values were evaluated to be 97.1 h for F-3,69.0 and 300 h for F-5,and 13.5,38.3 and 57.5 h for F-7,respectively.These quantitative results are consistent with the above 1H NMR observation.To further assess the strength of the intramolecular hydrogen bond
10、s,the three folded aromatic amide segments have also been incorpo-rated into the main chains of dodecane-1,12-diamine-derived amide polymers to afford macromolecules P-3,P-5 and P-7.The degree of polymerization of the macromolecules was determined by GPC to be 22,14 and 13,respectively.Force-extensi
11、on curves obtained from single molecular force spectroscopy(SMFS)revealed that,in tetrachloroethane,all the three macromolecules exhibited saw-tooth force peaks,which had been attributed to the step-by-step breaking of the in-tramolecular hydrogen bonds of the foldamer segments.P-3 exhibited 4 peaks
12、 at ca.83,121,181 and 236 pN,P-5 displayed 7 peaks at ca.20,44,73,101,130,171 and 278 pN,and P-7 generated 8 peaks at ca.31,43,50,60,90,152,173 and 221 pN.The increasing number of the force peaks observed from P-3 to P-5 and P-7 was ascribed to the increasing number of the intramolecular hydrogen bo
13、nds.It was proposed that the peaks at lower forces corresponded to the less stable hydrogen bonds,whereas those observed at higher forces were produced by the breaking of the more stable ones.The fact that the first peaks of P-3 was higher than that of P-5 and P-7 indicated that the intramolecular h
14、ydrogen bonds of P-3 were pronouncedly more stable than some of the intramolecular hydrogen bonds of P-5 and P-7,which is consistent with the above 1H NMR and hydrogen-deuterium exchange observations.Similar results were also observed for P-5 and P-7 in hexadecane,whereas P-3 DOI:10.6023/A12121004 化
15、化 学学 学学 报报 研究论文 52 http:/sioc- 2013 Shanghai Institute of Organic Chemistry,Chinese Academy of Sciences Acta Chim.Sinica 2013,71,5161 did not generate measurable force peaks possibly due to the strong absorption of its short,but more planar foldamer segments to the surface of the slide.Simulated str
16、etching curves of the three macromolecules were also consistent with the SMFS re-sults.Keywords hydrogen bonding;aromatic amide;foldamer;macromolecule;single-molecule force spectroscopy 1 引言 分子内氢键诱导的芳酰胺二级结构代表了一类重要的人工二级结构形式1.自1994年第一例芳酰胺折叠结构报道以来2,化学家已经设计出很多不同形式的芳酰胺二级结构3.折叠或螺旋结构是其中最重要的一类二级结构412,已被广泛应用
17、于设计各种不同类型的功能分子或分子体系.例如,这类结构可以形成不同内径的环形构象,作为合成的非环主体分子选择性的络合中性或离子型客体1315.由于其芳酰胺骨架具有结构预组织特征,它们也可以在极性或非极性溶剂中堆积形成凝胶和囊泡等三维组装体16,17.这类折叠结构还可以作为预组织骨架,用于设计不同的超分子砌块1720,促进大环结构的形成2128,控制大分子力学性质和轮烷分子梭的穿梭速率等2931.氢键诱导的线性芳酰胺受限构象在固态可以通过晶体结构分析和红外光谱等表征3,4,32.在溶液中,其二级结构主要通过(2D)1H NMR 表征33.Pophristic 等34,35通过分子力学和量子力学计
18、算研究了简单芳酰胺内不同氢键受体形成的分子内氢键的稳定性差异.Zeng等36曾利用1H NMR 测定了由 3-氨基-2-甲氧基苯甲酸缩合形成的芳酰胺折叠体的酰胺H-D交换的速率,结果表明相同类型的分子内氢键受取代基和其在线性骨架中位置不同而具有不同的稳定性.但是,有关其它类型的芳酰胺折叠体分子内氢键稳定性的系统评估尚未有文献报道.我们利用1H NMR 对由间-苯二胺和间-苯二甲酸形成的芳酰胺折叠体内不同区域分子内氢键的稳定性进行了评估,并利用单分子力谱(Single Molecular Force Spectroscopy,SMFS)技术测定出这类折叠体内不同分子内氢键的绝对强度.2 结果与讨
19、论 2.1 设计与合成 我们设计合成了 3 个芳酰胺寡聚体,即 F-3,F-5 和F-7 和 3 个酰胺大分子聚合物,即 P-3,P-5 和 P-7,分别 OHNOMeHNOOMeNHOOHNOOMe OHNOMeHNOOMeNHOOHNOMeMeMeMeONHMeOMeNHOOOHNOMe ONHMeOMeNHOOOHNOMeHNHNOOOHNOOHNOONHaHNOOOCO2MeOMeO2COHNMeOHNOMeOHNOOCO2MeOMeONHaOMeNHbOOCH3NHcOOMeO2CMeMeMeMeHeOHNMeMeOHNOOONHaMeOMeNHbOOCO2MeOCO2MeCH3P-
20、7P-5nP-3n555nF-3F-5dF-7Me 化化 学学 学学 报报 研究论文 Acta Chim.Sinica 2013,71,5161 2013 Shanghai Institute of Organic Chemistry,Chinese Academy of Sciences http:/sioc- 53 并入上述 3 个寡聚体片段.我们25此前已经确立,这类线性芳酰胺骨架受分子内 NHOR 氢键驱动可以形成折叠构象.由于聚合物中芳酰胺片段皆由长的柔性连接链连接,我们认为在溶液相中其骨架应可保持相应折叠构象.3个寡聚体分别是合成3个聚合物的前体,简化了目标分子合成,另一方面也适合
21、于对比其通过不同方法测定的数据.F-3 和 P-3 的合成路线列于 Scheme 1.化合物 1 首先甲酯化,然后与 3 反应得到中间体 4.后者经氯化氢处理脱去 Boc 后与二酸 6 缩合即得到 F-3.F-3 水解后形成二酸7,其与十二烷-1,12-二胺在氯仿中回流脱水缩合得到聚合物 P-3.F-5 和 P-5 的合成路线见 Scheme 2.化合物 8 首先与 2 反应得到化合物 9,然后经三氟甲磺酸处理脱去苄基得到苯甲酸衍生物 10.后者首先与氯甲酸异丁酯反应转化为活化酯,然后与 11 缩合即得到目标分子 F-5.F-5 进一步水解得到二酸 12,其与十二烷-1,12-二胺缩合得到聚合
22、物 P-5.F-7 和 P-7 的合成路线见Scheme 3.化合物1337首先甲酯化得到14,然后经铁粉和氯化铵还原得到相应苯胺衍生物,其直接与 10 缩合得到化合物15.后者在Pd-C催化下氢化去苄基得到16.该酸然后转化为活化酯后与 11 缩合形成 F-7.F-7 在THF 水溶液中经氢氧化锂水解得到二酸 17,其与十二烷-1,12-二胺缩合即得到聚合物 P-7.3 个聚合物都是以甲醇沉淀方法得到,其在氯仿和二氯甲烷等溶剂中溶解性良好.通过 COSY 和 NOESY 实验,我们首先对寡聚体F-3,F-5 和 F-7 在 ClCD2CD2Cl 中的1H NMR 低场区信号进行了归属.与控制
23、化合物(相应甲基化分子)相比,其所有 NH 信号F-3:9.70(H-a);F-5:9.70(H-a),10.45(H-b),F-7:9.49(H-a),9.88(H-b),10.28(H-c)都出现在低场区,表明两个端基侧链的引入对其分子内氢键没有影响,3 个分子都形成了相应的分子内 NHO氢键,诱导整个骨架形成折叠构象.F-3 的晶体结构也揭示其形成两对强的三中心氢键(图 1,上),两个端基侧链以相反方向排列,整个分子骨架形成折叠构象.在 F-5 的晶体结构中,中间的甲氧基只和相邻的一个酰胺形成分子内氢键,另一个相邻酰胺由于与苯环形成较大的扭曲(扭曲角为 64.3)而没有形成相应的分子内氢
24、键(OH 距离为 2.92,大于其范德华半径之和,图 1,下),而另外两个甲氧基和骨架两端的烷氧基都形成了相应分子内氢键.检验 F-5 分子在晶体中的堆积模式揭示,形成大的扭曲的酰胺的氢与相邻 OHNHBocCO2HBrCO2MeBrONHBocCO2MeOMeCO2HHO2CONH2CO2MeP-3OMeHNHNOOOCO2HOHO2CMeOHH2SO4(cat.)reflux,8 h,93%22,K2CO3,KICH3CN,reflux10 h,85%341HCl,AcOEtr.t.,8 h,93%LiOH,THF-H2Or.t.,5 h,95%F-3EDCI,CH2Cl2r.t.,8 h
25、,82%567:R=HNH2(CH2)12NH2,CHCl3,DIEA60 oC,24 h,80%Scheme 1 CO2MeOCO2BnOHCO2BnOCO2HCO2MeOHNMeOMeHNOOMeOHNMeOMeHNOOCO2HOHO2CP-5OHNMeOMeNH2OMeOHNMeOMeH2N2,K2CO3,KICH3CN,reflux8 h,91%89CF3SO3HCH2Cl210i)ClCO2Bu-i,NEt3 CHCl3,r.t.,0.5 hLiOHTHF-H2Or.t.,10 h95%F-512NH2(CH2)12NH2CHCl3,DIEA11ii)11,60 oC,48 h 78
26、%60 oC,24 h85%0 oC,2 h88%Scheme 2 化化 学学 学学 报报 研究论文 54 http:/sioc- 2013 Shanghai Institute of Organic Chemistry,Chinese Academy of Sciences Acta Chim.Sinica 2013,71,5161 OHMeCO2BnO2NOMeMeCO2BnO2NOCO2MeNHOOMeBnO2CMeOCO2MeNHOOMeHO2CMeOHNMeOHNOMeOHNOOCO2HOMeONHOMeNHOOMeNHOOHO2CMeMeMeMeP-7Me2SO4,K2CO3ace
27、tone,reflux5 h,85%(i)Fe,NH4Cl,EtOH reflux,2 h1314H2,Pd/C,THFr.t.,8 h,93%15(ii)10,EDCI,CH2Cl2 r.t.,12 h,82%16 (i)ClCO2Bu-i,NEt3,CHCl3 r.t.,0.5 hF-717NH2(CH2)12NH2,CHCl3,DIEA60 oC,24 h,87%r.t.,12 h,93%LiOH,THF-H2O(ii)12,50 oC,24 h,71%Scheme 3 分子的中间另一侧的酰胺羰基氧形成了分子间氢键,因此相邻两个分子通过一对分子间 NHOC 氢键和芳环堆积作用形成了一个二
28、聚体结构.由于晶体中线性分子构象受各种分子内和分子间非共价键作用的共同影响所决定,这一晶体结构结果并不能作为证据否定在液相中相应的酰胺不能形成分子内氢键.但是,在酰胺骨架的中间一个酰胺发生大的扭曲似可以作为证据说 图图 1 F-3(上)和 F-5(下)的晶体结构 Figure 1 Crystal structure of F-3(top)and F-5(down)Single crystal was obtained by slow evaporation of the solution in ethyl acetate 明该位置形成的分子内氢键较其它区域形成的分子内氢键为弱.这与下面描述的1
29、H NMR 溶剂极性和氢-氘交换实验以及单分子力谱实验结果是相一致的.在 ClCD2CD2Cl 中加入极性的 DMSO-d6后,其1H NMR 中 NH 信号向低场移动.与在 ClCD2CD2Cl 中信号相比,3 个化合物的 H-a 信号分别向低场位移了 0.38,0.54和0.72,而F-5和F-7的其它信号也向低场移动,但幅度较小F-5:0.01(H-b);F-7:0.22(H-b),0.14(H-c).这些结果表明,3 个折叠结构中间的两个酰胺氢形成的分子内氢键强度随着链长的增加而降低,因此更容易与极性溶剂分子形成分子间氢键,导致向低场区大的位移.F-3 的 H-a 形成的分子内氢键最强
30、可以简单归结为其两个端基烷氧基只分别形成 1 个五元环氢键,不具有氢键饱和性,因此其作为氢键受体的能力较 F-5 和F-7 相应的形成两个氢键的甲氧基为高3,6.另外,较长的两个折叠体两端也可能相互靠近而发生分子内堆积,从而增加了整个芳环骨架的扭曲,进一步降低了其分子内氢键的稳定性38.F-5 和 F-7 的两对端基位置的氢键模式相同,但后者稳定性较低,反映了长的七聚体折叠体由于分子内堆积产生导致大于一圈的螺旋体的形成,因此发生更强的骨架扭曲行为.为了定量评估3个折叠体不同区域分子内氢键的稳定性,我们进一步利用1H NMR 技术,在 ClCD2CD2Cl/CD3OD(91,V/V)和 DMSO
31、-d6/CD3OD(191,V/V)两种混合溶剂中进行了其酰胺氢-氘交换实验39,从而测定出其各个酰胺发生氢-氘交换的速率.详细数据列于表 1.总体上,处于内侧的酰胺交换速率较快,半衰期较短.如在前一种溶剂体系中,F-7 的 H-a 和 H-c 发生交换的半衰期相差近 8 倍.这一结果与前面不同极性溶剂中化学位移变化的趋势一致,进一步说明处于内侧的酰 化化 学学 学学 报报 研究论文 Acta Chim.Sinica 2013,71,5161 2013 Shanghai Institute of Organic Chemistry,Chinese Academy of Sciences htt
32、p:/sioc- 55 胺形成的氢键较外侧的为弱,更易于与氘代甲醇通过形成分子间氢键发生氢-氘交换.在后一种强极性溶剂体系中,同一个酰胺氢发生交换的速率皆高于前一种溶剂体系,反映了在极性溶剂中分子内酰胺氢形成氢键的能力普遍降低,因此更易发生分子间氢-氘交换.但不同折叠体的同一类型的酰胺及同一折叠体内不同位置的酰胺的交换速率皆不相同,也说明在极性溶剂 DMSO中,芳酰胺分子内氢键仍能部分保持4042.表表 1 折叠体酰胺氢-氘交换速率(h1)及相应半衰期(h)Table 1 Hydrogen-deuterium exchange rate(h1)and related half-life(h,i
33、n parenthesis)of the amide units of foldamersa ClCD2CD2Cl/CD3OD(191,V/V)DMSO-d6/CD3OD(191,V/V)F-3 H-a 4.9103(140)7.1103(97.1)H-a 9.6103(71.8)1.0102(69.0)F-5 H-b 1.7103(405)2.3103(300)H-a 1.9102(36.3)5.1102(13.5)H-b 3.2103(216)1.8102(38.3)F-7 H-c 2.2103(314)1.2102(57.5)a Process was assumed to be of
34、first order.单分子力谱(SMFS)技术广泛应用于聚合物分子的微观力学性质、结构与性质的关系以及组装形态和过程的研究4349,也是研究肽链,多糖及核酸等生物大分子构象变化及其分子内、分子间相互作用力的有用工 具5052.为了利用这一技术研究芳酰胺折叠结构内分子内氢键的稳定性,我们合成了聚合物 P-3,P-5 和 P-7.其分子量通过 GPC 测定(表 2).3 个聚合物的聚合度在13 及以上,表明其分子骨架具有足够的长度，能保证在SMFS 测试时探针与样品可以有效地接触以及排除较短拉伸长度处针尖与样品间粘附作用的干扰.3 个聚合物也具有较低的多分散性,说明每个聚合物的平均分子长度较类
35、似,也降低了由于分子链长度不同而对测试产生的干扰.表表 2 并入折叠体的聚合物的分子量数据 Table 2 Molecular weight data of foldamer-incorporated polymers Mn(104)/D PDI DP F-3 1.81 1.09 22 F-5 1.59 1.06 14 F-7 1.84 1.10 13 我们首先测定了 P-7 在 3 种强极性溶剂,即H2O-AcOH(191,VV),DMSO和H2O中的力谱信号.在 H2O-HOAc 溶剂中,仅观测到带有长力学平台的信号,平台力值约为 100 pN,该平台长度约为 100 nm,与聚合物链自由
36、舒展后的理论链长非常接近,说明在此溶剂中分子构象是自由舒展的,芳酰胺骨架结构只是平躺式吸附在金基底表面.在 DMSO 中,P-7 显示出明显的单峰信号.在低力值状态下分子链的力学行为受到焓变和熵变控制，而在高力值条件下则主要受到焓变控 制53,54.我们对 P-7 力学拉伸行为进行了自由连接链(free jointed chain,FJC)模型的拟合,结果显示在低力值区域模拟曲线与实验曲线有较大偏离,而高力值区域模拟与测定值基本一致,表明在高力区分子内氢键对焓变的贡献已经很弱,对其力行为贡献很小,分子链的力学行为主要受主链共价键的键长、键角变化所控制.在纯水中观测到了上述两种力学行为,P-7
37、不但出现平台信号,力值约在 100 pN,也出现了一定数量的单峰信号.P-5 在 DMSO 中的拉伸行为与 P-7 相似,高力值区的弹性主要由焓控制,与理论模拟相一致,在低力值区域形成一个约30 pN的吸附平台.在DMSO中,P-3高力值区的弹性同样主要由焓控制,但低力值区表现出更为明显的吸附平台,力值约为 70 pN.但是,P-7 并并没有表现出类似的吸附平台.这些结果说明,DMSO 中芳酰胺片段分子内氢键即使能够保持,也已经很弱,而短的芳酰胺片段平面性较好,与基底的作用力也更强44.我们进一步测定了3个聚合物大分子在低极性的四氯乙烷中单分子力谱.四氯乙烷沸点比常用的低极性溶剂氯仿高,而介电
38、常数只比氯仿稍高.P-7 在四氯乙烷中的力谱实验揭示(图2,下),在力值约为31,43,50,60,90,152,173 和 221 pN 处有一系列连续的锯齿,反映了在此溶剂中芳酰胺分子内氢键较为稳定,分子链受外力拉伸逐渐伸展而被破坏的过程.在大于 100 pN 区域观测到几个尖锐的锯齿,说明其芳酰胺板块内存在着较强的分子内氢键,需要在较大的外力下才能被破坏.FJC模型模拟结果也与实验结果差异很大,说明芳酰胺板块内的分子内氢键对聚合物的力学性质影响较大,即分子链拉伸破坏了这些分子内氢键,从而引起其力学性质偏离无规线团型高分子链的弹性行为.由于芳酰胺分子内氢键较强3,力谱实验又是在极低浓度下进
39、行的,相应的分子间 NHOC 氢键和-堆积作用都应该很弱或基本不存在.图 2 也给出了在四氯乙烷中聚合物 P-5 和 P-3 的典型力谱曲线.归一化处理揭示 3 个聚合物的力学性质有较大差异.P-3 获得的实验值和 FJC 模拟理论值相对接近,仅在高力值区域(83,121,181 和236 pN)有4个较弱的锯齿型信号.这些信号可解释为对应于其芳酰胺板块内两组较强的分子内氢键的破坏.P-5 的拉伸实验结果与理论模拟介于 P-3 和 P-7 之间,产生了 7 个力值平台(20,44,73,102,130,171 和 278 pN).整个实验结果表明,芳酰胺骨架越长,其分子内氢键破坏引起的焓变及相
40、应的构象变化越大.P-5和P-7力谱曲线出现了更多的力值锯齿,而且 P-7 的锯齿结构更精细,应该反映了其数量最多的分子内氢键的从弱到强的逐步解离的过程.P-7 力谱中有约 30 pN 的低力值锯齿,P-5 的低力值锯齿出现在约70 pN,而P-3的低力值锯齿更高,所有这些观 化化 学学 学学 报报 研究论文 56 http:/sioc- 2013 Shanghai Institute of Organic Chemistry,Chinese Academy of Sciences Acta Chim.Sinica 2013,71,5161 图图 2 P-3(A),P-5(B)和 P-7(C)
41、在四氯乙烷中的典型曲线以及相应的FJC 模拟结果(黄色曲线)Figure 2 Typical force-extension curves obtained on P-3(A),P-5(B)and P-7(C)The yellow curves represent the FJC fits 察都与前面的1H NMR 及氢-氘交换实验相一致,反映了 3 个芳酰胺片段内分子内氢键的相对强度.P-5 和 P-7 在十六烷中测定的力谱曲线见图 3(B).归一化处理揭示,尽管这一溶剂极性比四氯乙烷极性低,P-7实测力曲线与FJC拟合结果偏离较少,意味着在这一溶剂中芳酰胺板块内分子内氢键的贡献较在四氯乙烷
42、中小.这一结果可能是由于十六烷分子极性低,不利于对聚合物中芳酰胺及连接链中的酰胺基团溶剂化,从而使得聚合物的链构象状态在两种溶剂中差异性较大,而导致的链段刚性程度不一致,从而导致结果反常.另一种可能是,十六烷的粘度较大,较长的折叠体板块也具有较大的流动性,从而弱化了其内部氢键.在十六烷中,P-7在30 pN左右的低力值范围内有相对较长的平台现象,也说明其有较多的强度较弱的氢键,其全部破坏需要更多的拉伸.P-5 在十六烷中表现出和 P-7 相类似的行为(图 3,A).其拉伸曲线也偏离 FJC 模拟曲线,表明其拉伸诱导折叠体内分子内氢键破坏对于焓变的贡献也较大.在低力值范围(3050 pN)内,P
43、-5 也产生一个比较长但力值稍微较高的平台,这可能是芳酰胺板块折叠后处于近平面状态,从而增加了与基底的吸附作用导致的,也可能反映了其分子内氢键稳定性更高.可能是由于 P-3 与基底的吸附作用过强而干扰了力信号,在十六烷中无法获得准确的氢键强度.图图3 P-5(A)和P-7(B)在十六烷中的典型曲线以及相应的FJC模拟结果(黄色曲线)Figure 3 Typical force-extension curves obtained on P-5(A)and P-7(B)in hexadecane The yellow curves represent the FJC theoretical res
44、ults 在其它条件保持一致的情况下,力谱中力的量值应直接反映了分子内氢键的稳定性(与键能相关),我们进一步还模拟了高分子链被拉伸时的力学性质的变化(图 4)44.从 P-7 拉伸曲线上可以看到(图 4,C),其在低力值区域表现出连续的锯齿状的力信号,这应该是在被拉伸时芳酰胺板块构象调整的结果.每个峰在力值上升到一定程度后会出现一个下降的过程,这应该是折叠构象打开过程中,首先氢键被破坏而导致系统的能量升 化化 学学 学学 报报 研究论文 Acta Chim.Sinica 2013,71,5161 2013 Shanghai Institute of Organic Chemistry,Chin
45、ese Academy of Sciences http:/sioc- 57 高,而当氢键完全被破坏后相邻的苯环和酰胺又处于交叉平面,从而使能量有所降低,故而力值略有下降.该结果在实验的力曲线上同样有类似的表现,即在拉伸过程中有一系列的锯齿状的力-距离的变化.这些锯齿形力信号力值由低到高,也反映了芳酰胺板块内分子内氢键的破坏是一个由弱氢键到强氢键的过程,这与前面的实验观察也是相一致的.同样的结果在 P-5 和 P-3 结构中也有发现(图 4,B,A),但随着折叠链长度的缩短,来自于拉伸过程中氢键断裂的表现越来越不明显.69121501234(A)Force(kcal/A)x 105Extens
46、ion/nm 101520253005101520(B)Force(kcal/A)x 106Extension/nm 5101520250369121518(C)Force(kcal/A)x 107Extension/nm 图图 4 理论模拟 F-3(A),F-5(B)和 F-7(C)被拉伸的力学曲线 Figure 4 Simulated stretching curves of F-3(A),F-5(B),and F-7(C)3 结论 在本文中,我们利用1H NMR 及相应的氢-氘交换实验,定量评估了由间-苯二胺和间-苯二酸形成的芳酰胺折叠体的不同区域的分子内氢键的相对稳定性,利用单分子力谱
47、技术测定了并入到高分子主链中的相同芳酰胺折叠体骨架内分子内氢键破坏所需要的力值.通过本项研究,我们揭示了芳酰胺折叠体内不同区域分子内氢键稳定性的差异,探讨了相应的结构和环境影响因素.我们还进一步揭示了芳酰胺折叠体内分子内氢键受外力作用破坏是一个从弱的氢键开始的分步的过程,而非多个氢键同时破坏的过程.我们预期,本文中建立的单分子力谱方法可以应用到其它类型的人工折叠结构的构象研究中.4 实验部分 1H,13CNMR 谱用 Bruker Avance 400 型核磁共振仪测定,低分辨质谱用 HP5973,Saturn2000 或 Voyager-DE STR 型质谱仪测定,高分辨质谱用 FTMS-7
48、 或 IonSpec 4.7 型质谱仪测定,X 射线粉末衍射数据用 Bruker AvanceD8 粉 末 衍 射 仪 采 集,原 子 力 显 微 镜 采 用NanoWizard II BioAFM 测定,实验中所用的试剂及溶剂均为商品试剂除特殊说明外,所有商品试剂均直接使用,未作进一步处理.溶剂按标准方法处理和纯化,柱层析用硅胶 H 或 300400 目柱层析硅胶.氢-氘交换实验方法:以 CDCl3 配置单体的 5 mmol/L 溶液,加入 5%(V/V)MeOD 作为活泼质子源后测定样品1H NMR,时间间隔由 5 min 至 10 h 不等.积分获得酰胺氢相对强度都以拟一级速率方程进行拟
49、合获得交换速度36.单分子力谱实验方法:取 5.0 mg 聚合物溶于 10 mL氯仿中,待充分溶解后将洁净的金片浸泡在溶液中,12 h 后取出金片(P-3 仅浸泡 10 min),以氯仿漂洗 3 次以除去大部分聚合物分子,以保证较强物理吸附的分子残留在金基底上.实验以 NanoWizard II BioAFM(JPK in-strument AG,Berlin,Germany)作为测试平台.探针(Si3N4,Bruker Corp.)弹性系数用热扰动的方式测 定55,56.化合物2:在250 mL单颈瓶中加入化合物1(14.0 g,0.10 mol),甲醇(100 mL)和浓硫酸(5 mL).加热回流 8 h,冷却后用饱和碳酸氢钠水溶液中和至中性,然后用旋转蒸发仪浓缩.残留物用乙酸乙酯(250 mL)萃取.有机相用连续水(100 mL2)和饱和食盐水溶液(150 mL)洗涤,硫酸镁干燥后减压浓缩,得化合物 2 为无色油状物(14.1 g,93%).1H NMR(400 MHz,CDCl3):3.67(s,3H),3.40(t,J8.4 Hz,2H),2.33(t,J7.2 Hz,2H),1.901.85(m,2H),1.681.60(m,2H),1.901.85(m,2H),1.501.43(m,2H);MS(ESI)m/z:210.0 MH.化合物 4:在 500 mL 三颈