（有机化学专业论文）带支链的氮、硫杂杯4芳烃衍生物的合成与性能.pdf

福建师范大学硕士学位论文 ， ， i 摘要 a b s t r a c t r e g a r d e da s t h et h i r ds u p r a m o l e c u l a rr e c e p t o r a l o n gw i t hc i o w i re t h e r sa n d c y c l o d c t r i n s ，c a l i x a r e n e sa re ac l a s so fw e l ld e f i n e dm a c r o c y c l i co l i g o m e p so fp h e n o l s b r i d g e db ym e t h y l e n eg r o u p s o w i n gt ot h e i rc o n v e n i e n tp r e p a r a t i o ni nl a r g eq u a n t i t i e s ， u n i q u et h r e e - d i m e n s i o n a lc a v i t i e s ，c h e m i c a ls t a b i l i t y , h i g hc o n f o r m a t i o n a lv a r i a b l e , v e r s a t i l ec o m p l e x a t i o na n dr e - c o g n i z a t i o na b i l i t i e st o w a r d si o n so rm o l e c u l e s ；t h e yh a v e r e c e i v e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o n si nr e c e n ty e a r s d u et oe a s ym o d i f i c a t i o no nb o t hl o w e r a n du p p e rr i m s ，a p p r o p r i a t ef u n c t i o n a l i z e dc a l i x a r e n ed e r i v a t i v e sh a v e b e e nw i d e l yu s e d i nm o l e c u l a rr e c o g n i t i o n , a n a l y t i c a l c h e m i s t r y , c h e m i c a ls e n s i n g , a n a l o ge n z y m e s ， b i o - m e d i c i n ea n do t h e rf i e l d s c a l i x a r e n ed e r i v a t i v e sc o n t a i n i n ga m i d e , t h i o u r e aa n du r e a u n i t sh a v eg o o dr e c o g n i t i o na b i l i t i e st o w a r d sh e a v ym e t a li o n s ，t r a n s i t i o nm e t a li o n sa n d a n i o n s t h e r e f o r e ，s t u d i e so nt h e i rd e r i v a t i o na n dr e c o g n i t i o np r o p e r t i e sa n dc a t a l y t i c p e r f o r m a n c ea r ei nt h ea s c e n d a n t i nt h i sp a p e r , c a l i x 4 a r e n ei su s e da sab u i l d i n gb l o c k , a n das e r i e so fc a l i x 4 a r e n ed e r i v a t i v e sc o n t a i n i n gn i t r o g e na n ds u l 缸a r ed e s i g n e da n d s y n t h e s i z e d ，a n dt h e i rb i n d i n gp r o p e r t i e sa n dc a t a l y s tp e r f o r m a n c ea r es t u d i e d f i r s t l y , w es y n t h e s i z e dc a l i x 4 a r e n ed e r i v a t i v e sw i t hd l i r a la m i n oa l c o h o lf r a g m e n t a n db r a n c h e dc h a i n m e t a lc a t i o ne x t r a c t i o n e x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t et h a tn e w c a l i x 4 a r e n ed e r i v a t i v e ss h o wg o o de x t r a c t i o np r o p e r t yt o w a r d sb o t hs o f tm e t a li o n sa n d h a r dm e t a li o n s b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n c eo fs t r u c t u r e ，t h et w oc o m p o u n d ss h o w d i f f e r e n tl i q u i dm e m b r a n et r a n s p o r tp r o p e r t i e s c o m p o u n d2c a nb eu s e da sc a t a l y s tf o r s e c o n d l y , n o v e lc a l i x 4 a r e n eb r i d g e dd e r i v a t i v e sw i t ha c i d a m i d ea n dr r e aw e r e s y n t h e s i z e db y “1 + 1 ”c o n d e n s a t i o nr e a c t i o n t h e i rr e c o g n i t i o np r o p e r t i e sa n dl i q u i d m e m b r a n et r a n s p o r tp r o p e r t i e st o w a r d sm e t a li o n sw e r ei n v e s t i g a t e d f i n a l l y , c o m p o u n d1r e a c t e dr e s p e c t i v e l yw i t he t h y lt h i o la n dm e r c a p t o b e n z i m i d a - z o l ei n 1 + 2 c o n d e n s a t i o nm o d et o o b t a i nt w on o v e lc a l i x 4 a r e n ed e r i v a t i v e s c o n t a i n i n gn i t r o g e na n ds u l f u rh e t e r o a t o m i tw a sf o u n dt h a tt h e s et w oc o m p o u n d s e x h i b i t e dg o o de x t r a c t i o na n dt r a n s p o r tp r e p o r t i e st o w a r d sm e t a li o n s k e y w o r d s ：c a l i x 4 a r e n e ；c h i r a la m i n oa l c o h o l ；h e t e r o a t o m ；e x t r a c t i o n ；c a t a l y s t ； l i q u i dm e m b r a n et r a n s p o r t i i i ，盖 福建师范大学硕士学位论文 i v 中文文摘 中文文摘 杯芳烃是继冠醚和环糊精之后备受瞩目的第三代超分子主体化合物，它集二 者之长，具有大小可调的三维空腔，构象丰富多变，易于衍生化等化学特性；并 能借助氢键、静电作用、疏水作用、范德华作用力、阳离子作用、靠堆积 等非共价键协同作用来识别客体分子。近些年来随着主客体化学从单点识别发展 到多重识别并向不对称识别方向发展，杯芳烃的功能化修饰及应用成为杯芳烃化 学研究领域的热点。 杯芳烃向着功能化方向发展，从元素角度看主要是导入氧、氮、硫等杂原子， 向着杂杯芳烃的方向发展。氮、硫等杂原子对重金属离子及过渡金属离子有较强 的配位能力，含氮、硫杂原子官能团的杯 4 】芳烃衍生物的合成与性能研究成为 人们关注的热点。这类官能团主要包括胺基、酰胺基、硫脲基、偶氮基团、巯基 等官能团。而结构特殊，对阴阳离子配合能力好，包含杯芳烃平台以及氮杂冠醚 单元的杯【4 】氮杂冠醚衍生物也引起人们极大的兴趣。 本论文设计并合成了多种含氮、硫杂原子官能团( 手性氨基醇基团、脲基、 硫脲基、酰胺基、巯基、含氮杂环等) 修饰的新型杯 4 】芳烃衍生物；利用质谱、 核磁共振、红外光谱、元素分析等手段证实了目标产物的结构及构象；并研究了 它们对客体金属离子的识别性能；研究了部分新型杯 4 】芳烃衍生物的液膜传输 性能以及催化性能，取得了较有意义的研究结果。主要内容包括以下四个方面： 绪论。本部分主要介绍了杯芳烃的研究进展情况。对杯芳烃的起源、命名、 结构构象特征、杯芳烃的合成及衍生化修饰、手性杯芳烃衍生物、含杂原子基团 杯芳烃衍生物、杯芳烃及其衍生物的功能与应用等方面做了较为系统的概述。 第一章。本章中，以杯【4 】芳烃与l ，2 二溴乙烷反应制得杯 4 】芳烃二溴化合物 l ，然后化合物1 分别与乙醇胺或s ( + ) 4 甲基2 氨基1 戊醇发生“l + 2 一分子间 缩合反应，合成了含氨基醇片段的非手性杯【4 】芳烃衍生物2 和手性杯【4 】芳烃衍生 物3 。化合物2 进一步与异硫氰酸苯酯反应，得到了树枝状硫脲基的杯【4 】芳烃衍 生物4 。通过对金属离子的萃取实验表明，三种化合物对软硬金属离子都表现出 良好的配合能力，对软金属离子具有选择性识别性能。液膜传输实验表明，由于 结构不同，化合物2 、4 对金属离子的传输能力有所不同。化合物2 对硝基氯化苄 与硫氰酸钾的亲核取代反应具有催化性能，在化合物2 的催化下，产物产率提高 v 福建师范大学硕士学位论文 了6 2 5 。 第二章。本章中，以杯【4 】芳烃氨基醇化合物为原料，分别与自制的n n ，二 氯乙酰7 , - - 胺或1 6 己二异氰酸酯进行反应，通过“1 + 1 ”分子间缩合得到了新 型的酰胺型桥联杯 4 】芳烃衍生物3 和含双脲基桥联杯【4 芳烃衍生物4 ，他们的结 构与构象均得到证实。通过萃取实验表明，杯【4 芳烃衍生物下沿的氧原子和氮 原子协同作用，化合物3 和4 对软硬金属离子都有识别作用，对软金属离子的识别 能力要好于对硬金属离子。对于软金属离子，化合物也表现出了不同的选择性。 通过液膜传输实验得出，化合物3 对k + 、a g + 都具有较强的液膜传输能力，达到 传输平衡的时间分别为7 1 l 、6 h ，离子迁移率为别为4 1 2 、4 6 o 。化合物4 对a f 的液膜传输实验约6 h 达到平衡，离子迁移率为3 9 4 ，但其对k + 几乎没有传输行 为。离子载体对金属离子的传输性能受传输时间、载体性质、载体浓度、离子浓 度等因素的影响。 第三章。先用巯基乙酸与乙醇反应制得巯基乙酸乙酯，邻苯二胺与二硫化碳 缩合得到巯基苯并咪唑，然后分别与杯 4 】芳烃二溴化合物1 通过“1 + 2 进行反 应，合成了含巯基、氮杂环的新型杯 4 】衍生物4 和5 。萃取实验表明，化合物中 含有的软硬碱原子协同作用，各化合物对各种金属离子均有识别。由于苯环与新 引入的氮杂环形成一个更大的电子体系，电子体系与a g + 之间的相互作用， 化合物5 对a g + 的识别能力明显高出很多。受主客体之间尺寸不匹配的影响，化合 物4 和化合物5 对于c 0 2 + 、n i 2 + 、c d 2 + 等离子的萃取率均小于a 矿的。液膜传输实验 表明，从达到平衡时间来看，化合物4 对a g + 的传输要比对k + 的传输快得多。从 传输量来看，a g + 的迁移率为也大于k + 。 v i “1一 t ，l f l - o ， 目录 目录 中文摘要。 。i a b s t r a c t i i i 中文文摘 目录。 绪论 1 课题背景 一1 - 杯芳烃化学的简要发展历程 - 1 2 1 杯芳烃的命名及构象2 2 2 杯芳烃的结构特征3 2 3 杯芳烃的合成4 2 4 杯芳烃的功能化修饰5 3 手性杯芳烃及其衍生物。 一6 - 3 1 引入手性基团6 3 2 合成固有手性杯芳烃1 0 4 含杂原子基团的杯芳烃一1 2 _ 4 1 含氮原子基团的杯芳烃1 2 4 2 含硫原子基团的杯芳烃1 4 5 杯芳烃的应用 5 1 杯芳烃的分子和离子识别1 6 5 2 杯芳烃的催化性能1 7 6 本论文选题思想。 第一章新型杯【4 】芳烃手性氨基醇和树枝状衍生物的合成与性能研究1 9 1 1 实验部分。 1 1 1 主要的检测仪器与化学试剂2 1 1 1 2 合成21 1 1 3 新型杯 4 】芳烃手性氨基醇和树枝状衍生物的性能研究2 3 1 2 结果与讨论。2 4 v i i 福建师范大学硕士学位论文 1 2 1 新型杯【4 】芳烃手性氨基醇和树枝状衍生物的设计、合成与表征一2 4 - 1 2 2 新型杯【4 】芳烃手性氨基醇和树枝状衍生物的萃取性能一2 5 - 1 2 3 新型杯【4 】芳烃氨基醇和树枝状衍生物的液膜传输性能2 8 1 2 4 新型杯【4 】芳烃氨基醇衍生物2 的相转移催化性能一3 0 1 3 结论 第二章杯1 4 1 芳烃氮杂桥联衍生物的合成与性能研究 2 1 实验部分 3 2 - - 3 5 - - 3 6 - 2 1 1 主要的检测仪器与化学试剂3 6 2 1 2 合成3 7 2 1 3 杯 4 芳烃氮杂桥联衍生物的性能研究一3 8 2 2 结果与讨论一3 8 2 2 1 目标化合物3 、4 的设计、合成与表征3 8 2 2 2 杯 4 】芳烃氮杂桥联衍生物3 、4 对金属离子的萃取性能- 3 9 2 2 3 杯 4 】芳烃氮杂桥联衍生物对金属离子的液膜传输性能4 0 2 3 结论 4 4 第三章新型含氮、硫杯1 4 】芳烃衍生物的合成与性能研究。4 7 3 1 实验部分 3 1 1 主要的检测仪器与化学试剂4 9 3 1 2 合成4 9 3 1 3 新型含氮、硫杯【4 】芳烃衍生物4 、5 的合成- 5 0 一 3 2 结果与讨论 5 0 3 2 1 目标化合物4 、5 的设计、合成与表征5 0 3 2 2 目标化合物4 、5 的性能研究5 1 3 3 结论。5 3 第四章结论 参考文献 5 5 攻读学位期间承担的科研任务与主要成果 - 5 9 - 7 1 绪论 1 课题背景 绪论 1 9 8 7 年诺贝尔化学奖授予了超分子化学研究方面的三位科学家：美国的 p e d e r s e nc j 、c r a md j 和法国l e h nj m 。在发表获奖感言时，获奖者之一l e h n j m 这样定义超分子化学：“超分子化学是研究分子组装和分子间键的化学 【1 1 。 在今天看来，这个定义似乎有些片面，但是却道出了超分子化学的本质，即主体、 客体以及它们之间的键。 超分子化学的主体分子包括冠醚、穴醚、环糊精、杯芳烃等一些大环化合物。 近年来，有关杯芳烃合成、衍生化、性能等的研究受到人们的关注。作为继冠醚 和环糊精之后的第三代超分子化学主体分子，杯芳烃集二者之长，以其独特的结 构和性质吸引很多科学家的注意。经过几十年的发展，无论理论方面还是实际应 用方面都取得了可喜的成绩。 2 杯芳烃化学的简要发展历程 杯芳烃的历史最早可以追溯到1 8 7 2 年，b a e y e r 在加热苯酚和甲醛的混合溶 液时，偶然得到一种树脂状物质，但是当时的条件根本无法确定这种物质的结构， 从目前文献来看，其得到的应该是最早合成的杯芳烃类化合物。1 9 4 2 年，z i n k e 在研究对叔丁基苯酚和甲醛溶液在氢氧化钠存在下的反应时，得到一种高熔点的 环状四聚物，其四聚体的结构得到了证实【2 】。上世纪5 0 6 0 年代，h a y e r 和h u n t e r 首次提出了多步合成法合成杯芳烃，但是这种方法步骤多，分离比较困难，产率 较低。7 0 年代，z i n k e 报道了杯芳烃的一步合成法，分离纯化颇为方便，产率也 比较高，但除了结构上的意义外，此类化合物的研究仍旧没有引起人们足够的关 注p 】。直到进入上世纪7 0 年代末期，美国科学家g u t s c h e 提出这类化合物具有大 小可调的空腔，应该可以作为分子受体或者模拟酶，该报道引起人们极大的关注， 许多研究者投身于其衍生化和性能的研究，并取得了丰硕的研究成果。因这类化 合物四聚体的分子形状酷似希腊圣杯( c a l i x c r a t e r ) ( 见图1 ) ，故g u t s c h e 将此类 化合物命名为杯芳烃( c a l i x a r e n e ) 。从此，杯芳烃进入其发展的新纪元。 福建师范大学硕士学位论文 图1 杯芳烃的结构 f i g 1t h es t r u c t u r eo fc a l i x a r e n e 2 1 杯芳烃的命名及构象 杯芳烃是苯酚单元通过桥联亚甲基连接起来的环状低聚物。在杯芳烃的命名 中，人们习惯在c a h x 和a r c n e 之间加一个n ，以表示母体苯酚单元的数目，如四 聚体即命名为c a l i x 4 a r e n e ( 杯【4 】芳烃) 。由于母体苯酚单元可以绕桥联亚甲基 自由旋转，所以杯芳烃具有多种构象。如图2 所示，杯【4 】芳烃具有四种构象， 分别是锥式构象、部分锥式构象、1 ，3 交替构象、l ，2 交替构象。这些构象的化 合物或其衍生物都已被合成，其构象也经核磁共振或x - 单晶衍射所证实。其中， 在杯【4 】芳烃的这四种构象中，以锥式和l ，3 交替式最为常见，是人们广为熟悉的 两种杯 4 】芳烃构象。 _ 一_ 峒u h - 瞳- 皿i - 固1 i h - 删圳 图2 杯【4 】芳烃的构象 f i g 2t h ec o n f o r m a t i o n o fc a l i x 4 出 c n o 母体苯酚单元增多，其空间自由度也增大，杯芳烃的构象数目也随之增多， 从理论上说，杯【6 】芳烃有8 种构象，而杯【8 】芳烃可能有1 6 种构象。图3 列出了 绪论 杯【6 芳烃可能的八种构象，其中锥式、1 ，2 ，3 交替式、1 ，4 - 二交替式等的构象均已 被文献证实，其他构象可能由于稳定性方面的原因，很少有完全获得证实的报道， 常常是以混合构象被报道。 图3 杯【6 】芳烃的构象 f i g 3t h ec o n f o r m a t i o no fc a l i x 6 a r e n e 2 2 杯芳烃的结构特征 作为继冠醚和环糊精之后的第三代主体分子，杯芳烃集二者之长，并且具有 二者没有的特点：( 1 ) 杯芳烃可采用一步合成法合成，方法简便且原料价廉易得， 便于大量制备；( 2 ) 易于衍生化，杯芳烃的上沿、下沿酚羟基以及连接苯酚单元 的桥联亚甲基，都可以引入特定官能团，改变杯芳烃本身的缺陷并使其具有特定 的功能；( 3 ) 空腔大小可调，到目前已合成由4 1 4 个苯酚单元所构成的不同空 腔结构的杯芳烃；( 4 ) 具有多种构象，通过控制反应条件或者引入特定的取代基， 可以固定需要的构象；( 5 ) 具有很高的稳定性，熔点高，在许多溶剂中溶解性不 好，但是在特定溶剂中具有良好的溶解性；( 6 ) 识别性能好，杯芳烃不仅能良好 识别阴阳离子，而且能与中性有机分子形成稳定的配合物。 福建师范大学硕士学位论文 2 3 杯芳烃的合成 杯芳烃的合成方法有一步合成法、多步合成法和片段合成法。目前，合成杯 芳烃主要使用一步合成法，多步合成法和片段合成法虽然能得到具有特殊结构的 杯芳烃，但是由于步骤多、产率低等缺点，并不常用。 2 3 1 一步合成法 一步合成法是对叔丁基苯酚和甲醛水溶液在碱性条件下合成杯芳烃。2 0 世纪 4 0 年代，z i n k e 等率先采用该方法合成了对叔丁基杯【4 】芳烃【4 】。后来g u t s c h e 等 改进了这种方法，他在不同的碱性环境中，使用不同的溶剂分别合成了对叔丁基 杯 4 芳烃、对叔丁基杯 6 】芳烃、对叔丁基杯 8 】芳烃，收率分别为5 0 、5 6 、 6 3 。目前合成杯芳烃大多采用一步合成法。一步合成法可以方便的合成苯酚单 元为偶数的杯芳烃，却无法得到苯酚单元为奇数的杯芳烃。 2 3 2 多步合成法 相对于一步合成法，多步合成法可以合成苯酚单元拥有不同取代基的杯芳 烃。h a y e s 和h u n t e r 最早使用多步合成法合成了杯芳烃，首先得到线性四聚体， 然后进行关环反应得到对甲基杯 4 芳剧5 1 。k a m m e r e r 和h a p p e l 对这种方法进行 了优化，合成了对位有不同取代基的杯【4 芳烃和杯【7 】芳烃【d 7 】。 尽管多步合成法可以得到含有奇数个苯酚单元的且对位含有不同取代基团 的杯芳烃，但是由于这种方法反应路线太长，条件要求苛刻，总反应收率低，因 此并没有得到广泛的应用。 2 3 3 片段合成法 德国化学家b o h m e r 等在多步法的基础上得到这种方法【引。片段合成法即通 过共价键将杯芳烃的结构碎片结合起来的方法，常采用的有：“4 x1 一、“2 + 2 l 、 “2 1 + 2 1 、“3 + 1 ”、“3 + 2 修。1 9 7 9 年，b o h m e r 等采用“3 + 1 打的方法，首先 合成线性三聚体，然后将此三聚体片段与2 ，6 二溴基对取代酚进行关环反应，并 且将关环反应条件由乙酸体系改进为在t i c i z 氧六环体系中进行，产率虽有所 提高，但相对仍然较低【9 i 。陈远荫等在b o h m e r 的基础上，以t i c i z 7 , 醇二甲 醚体系取代t i c l - - 氧六环体系，不仅反应时间大大缩短，产率也提高到4 0 【1 2 】。 ， 绪论 2 4 杯芳烃的功能化修饰 杯芳烃发展的早期，人们在杯芳烃的合成方法及结构确定等方面做了大量工 作。近年来，杯芳烃研究的重点转移到杯芳烃的功能化修饰上，以及修饰后的杯 芳烃在分子识别【1 3 】、荧光探针【14 1 、化学传科1 5 】、生物医药【1 6 1 等方面的潜在应用 价值。 杯芳烃的结构特殊，易于衍生化。对于杯芳烃的化学修饰对其结构、性质及 其应用都具有深刻的意义。在杯芳烃的上沿及下沿引入适当的基团可以固定杯芳 烃的构象，改变其熔点和水溶性，还可以得到具有特定功能的杯芳烃衍生物。目 前，杯芳烃功能化修饰的途径大致可以分为三种： 一是利用杯芳烃下沿的酚羟基的反应活性进行衍生化。酚羟基可以和很多试 剂发生醚化、酯化反应等反应【1 7 】，从而在杯芳烃上引入烷基、酯基、氨基等官 能团。近几年研究的重点是冠醚化以及引入一些如手性基团、光活性基团等特性 官能剧”】。o z l e m 等人将杯【n 】芳烃( n = l ，3 ，5 ) 分别与氯乙腈和溴乙酸甲酯在丙 酮溶剂中反应，在杯【n 】芳烃下沿引入氰基和酯基，这两种衍生物分别水解，进 一步得到四取代的杯芳烃酰胺基衍生物和羧酸基衍生物【1 9 】。 二是对杯芳烃上沿进行功能化修饰，即对叔丁基杯芳烃脱去叔丁基，然后再 酚羟基的对位进行卤化、磺化，硝化等衍生化反应。h i t o s h i 等首先将去叔丁基 杯 4 芳烃1 ，3 冠_ 4 衍生物进行溴化反应，所得产物与多环芳烃1 硼酸芘反应， 得到上沿2 ，4 位含有生色基团芘官能团的杯【4 芳烃衍生物，通过荧光光谱的变 化，可以看到在配合了金属离子之后，两个芘取代基的位置发生了很大的变化， 该新化合物对l i + 、n a + 具有极高的选择性【2 0 1 。d i n gc w 等人通过磺化、胺解、 环化等反应合成了杯 4 芳烃冠5 磺酰环硫脲基衍生物，最后的环化反应在室温 即可进行，而且后处理简掣2 1 1 。上沿修饰过程中，硝化产物经常作为中问产物， 利用f e h c l 、s n c l 2 h c i 、催化氢化等方法可将其还原为含氨基的杯芳烃，进一 步重氮化偶联，可得到偶氮类杯芳烃衍生物。 杯芳烃功能化修饰的第三种途径是对杯芳烃的骨架进行修饰，例如用氮、硫、 氧、硅等原子取代桥联亚甲基。s o n e 课题组、k o n i g 课题组先后用多步合成法得 到硫杂杯 4 芳烃和硅杂杯 4 】芳烃，但是产率都较低【2 2 之3 1 。1 9 9 7 年，n o b u h i k o i k i 等报道了利用一步合成法合成硫杂杯【4 芳烃【2 4 1 ，并通过研究发现硫杂杯芳烃拥 有亚甲基桥联杯芳烃所不具有的特点，例如，桥联硫原子可被氧化成亚硫酰基或 福建师范大学硕士学位论文 磺酰基，从而提高了杯芳烃主体分子对过渡金属离子( 如z n 2 + 、h f + 等) 的选择 性识别能力【2 5 1 。杯芳烃骨架进行修饰的方法还有就是将苯酚单元全部或部分氧 化成对苯醌，可用的氧化剂包括t l ( n 0 3 ) 3 3 h 2 0 、t i ( o c o c f d 3 、n a a o a 4 h 2 0 和c 1 0 2 掣2 6 1 。 还有一些结构特殊的杯芳烃只能通过改进合成方法获得。e l l a k h 等通过间苯 二酚与水杨醛或乙醛的反应得到桥联亚甲基上带有芳环或甲基的杯【4 】芳烃【2 7 】。 3 手性杯芳烃及其衍生物 g u s t c h e 曾提出，杯芳烃具有大小可调的空腔，可以作为具有广泛适应性的 模拟酶【2 8 】。但是酶很重要的一个特性就是具有手性和不对称催化性能，而杯芳 烃本身结构具有很高的对称性，是不具有手性的。因此，对于手性杯芳烃衍生物 的合成及其潜在应用价值的研究有着非常深远的意义。 目前，合成手性杯芳烃的途径主要有两个，一是引入手性基团，二是合成固 有手性杯芳烃。所谓固有手性杯芳烃，即在母体杯芳烃上引入数个非手性基团以 破环其对称性，使其不再具有对称面或反转中心，通过这种途径得到的杯芳烃就 是固有手性杯芳烃。 3 1 引入手性基团 利用杯芳烃上下沿都易于进行化学修饰的特点，可以直接将手性基团引入杯 芳烃母体。这种得到手性杯芳烃的方法简单易行，具有广泛的应用前景。大多数 氨基酸、氨基醇及其衍生物都是良好的手性基团源，另外手性烷烃基团、手性氨 基基团、联二萘酚基团、糖单元等也常作为手性基团被引入杯芳烃中。 何永炳等用这种方法合成两种下沿含有氮杂冠醚的杯【4 】芳烃衍生物l ( 见图 4 ) 【2 9 】。他们首先将l 缬氨酸与甲胺或氨反应，得到手性胺化合物，在此过程中， 缬氨酸中的氨基要用磺酰基保护起来。所得手性胺化合物与杯【4 】二乙酰氯反应 即得到杯【4 】氮杂冠醚衍生物。通过1 hn m r 、1 3 cn m r 和紫外光谱的变化，可 以新化合物对d 和l 酒石酸表现出不同的手性识别行为，当对不同的客体进行 识别时，主体分子的构象也有所不同。 绪论 - l 图4 杯 4 芳烃氮杂冠醚衍生物1 的结构 f i g 4t h es t r u c t u r eo fc a l i x 4 c r o w nd e r i v a t i v e1 由于结构特殊、对阴阳离子配合能力好，包含杯芳烃平台以及氮杂冠醚单元 的杯 4 】氮杂冠醚衍生物广受关注【姘1 1 ，此类杯芳烃不断被合成出来。h a v v a 等利 用苄基胺或糠胺与苯基环氧乙烷的反应得到对称的手性氨基二醇，该氨基二醇分 别与l ，3 二取代的杯【4 】芳烃衍生物反应，得到新型的含有苄基单元的手性杯【4 】 芳烃氮杂冠醚2 和3 ( 见图5 ) 。他们通过研究发现，这些手性杯【4 】芳烃衍生物 对丙氨酸盐酸盐和丙氨酸甲酯盐酸盐的对映体都表现出一定的手性识别性能。这 种手性识别性能是氢键、空间效应、杯芳烃空腔结构以及芳环之间川共轭协同 作用的结果【3 2 1 。 z了 图5 杯【4 】氮杂冠醚衍生物2 和3 的结构 f i g 5t h es t r u c t u r e so fc a l i x 4 a z a c r o m nd e r i v a t i v e s2a n d3 近些年，磷修饰的杯芳烃衍生物的合成及其与过渡金属形成的配合物的研究 成为杯芳烃领域的又一大热点【3 3 泓】。p a t h i k 等以( 1 s ，2 r ，5 r ) ( + ) 异薄荷醇 和( 1 r ，2 s ，5 r ) - ( - ) - 薄荷醇作为手性基团得到手性二临位磷氧基桥联杯 4 芳烃 衍生物4 ( 图6 ) 。该化合物可以分别和m c l 2 ( c o d ) ( m = p do rp t ) 、p d m e c i ( c o d ) 福建师范大学硕士学位论文 或p d c l 2 ( p h c n ) 2 等有机金属化合物反应，高产率的得到含过渡金属钯、铂的配 合物，其中，磷作为配合中心与金属离子进行相互作用。通过单晶x - 射线衍射 研究表明，金属离子周围的两个磷原子及两个氯原子以顺位形式存在，空间上形 成一个平面正方形。由于形成分子间的氢键，含有p d c l 2 和a t c l 2 配体的杯芳烃 衍生物表现出明显的疏水性。含不同配体p d c l 2 和p t c l 2 的杯芳烃金属配合物的 结构是相同的，并且其分子之间都是通过h c l 、h o 氢键的形式连结的【3 纠。 r = 盘，饼盘w 抄 图6 杯【4 】芳烃磷杂衍生物4 的结构 f i g 6t h e s t r u c t u r eo fc a l i x 4 a r e n ed c z i v a t i v e4 相转移催化剂具有在水介质中反应条件温和、适于大型反应、对环境无污染 等特点，满足实际有机合成的要求，因此在实验室及工业生产中都得到广泛的应 用。s d a h a t t i n 等以杯芳烃为平台，分别与过量的二溴烷烃、过量的金鸡纳啶反 应，高产率地合成了基于杯【4 】芳烃的新型手性相转移催化剂5 ( 图7 ) 。在n 二 苯甲烯基甘氨酸乙酯的烷基化反应中，该化合物可作为不对称手性相转移催化 剂，其中，催化剂的种类、溶剂、反应温度以及碱的种类等因素对催化选择性及 产率均产生影响【3 6 】。 绪论 ， 图7 手性杯 4 】芳烃衍生物5 的结构 f i g 7t h es t r u c t u r eo fc a l i x 4 a r e n ed e r i v a t i v e5 合成手性杯芳烃的研究中，多在下沿引入手性基团，杯芳烃上沿修饰的报道 较少。m u s t a f a 等在杯芳烃上沿引入了手性席夫碱官能团。他们通过 g a t t e r m a n n k o c h 反应在去叔丁基杯【4 】芳烃的上沿l ，3 位引入甲酰基，然后所得 化合物分别与( s ) 一( - ) - 1 - 苯乙胺、( r ) - ( ) 1 一环己基乙胺、( r ) 2 庚胺反应，得到新型 手性席夫碱基杯 4 】芳烃衍生物6 、7 和8 ( 图8 ) 【3 7 1 。这些新化合物在对映体的 合成、分离、分析及识别方面展现出潜在的应用价值。通过紫外光谱分析，新化 合物对( r ) 和( s ) a 苯乙胺、3 吗啉代丙胺、刀丁胺有良好的手性识别能力，其中 尤以化合物7 对( r ) 和( s ) a 苯乙胺选择性识别能力最佳。用分光光度滴定法得到 的杯 4 】芳烃衍生物与刀丁胺形成的配合物的结合常数要大于化合物与3 吗啉代 丙胺的结合常数。从热力学角度来看，各化合物与刀丁胺形成的配合物更为稳定。 图8 手性席夫碱基杯 4 】芳烃衍生物6 、7 和8 的结构 f i g 8t h es t n l c t u r e so fc a l i x 4 a r e n ed e r i v a t i v e s6 、7a n d8 福建师范大学硕士学位论文 3 2 合成固有手性杯芳烃 作为手性大环化合物的一个很重要的代表，固有手性杯芳烃的合成主要是通 过在杯芳烃的骨架上引入多个非手性基团来实现的。1 9 8 2 年，g u t s c h e 等报道了 第一例固有手性杯【4 】芳烃的合成【3 8 】，由于其独特的结构以及在手性识别和不对 称催化等方面的应用潜能，固有手性杯芳烃的研究引起人们极大的兴趣。近些年 来，关于其合成方法及潜在应用的研究取得了重大进展。 合成固有手性杯芳烃的方法可以归为以下两种：( 1 ) 片段缩合法：将不同取 代的苯酚单元通过【l + 3 】或【2 + 2 】的方式连结起来【3 9 】；( 2 ) 母体修饰法：在杯芳烃 上引入数个不同的取代基以破坏其对称性，使其获得手性【柏】。方法( 1 ) 路径长， 步骤多，总产率不高，限制了其应用【4 1 越】。方法( 2 ) 是目前合成固有手性杯芳 烃的主要途径，它通过在杯芳烃骨架上( 包括上沿、下沿、桥联部位等) 接枝一 些非手性基团使其不再具有对称面、对称中心或对称轴，其中最为简单是合成下 沿为a a b h 型的固有手性杯 4 】冠醚衍生物【4 3 1 。 引入a 和b 这两种取代基至少需要两步，“s y 等报道了a b h h 型固有手 性杯 4 】芳烃衍生物的一步合成法【州。杯【4 】芳烃与事先制备好的化合物3 在 c h 3 c n n a h 体系中醚化即可得到固有手性杯【4 氮杂冠醚9 和l o ( 见图9 ) 。l ，2 位取代的化合物9 为主要产物，由于n a i - i 的强碱性以及n a + 的模板效应，还会 有少量1 ，3 位取代的化合物1 0 生成，二者通过柱层析可实现分离。 聪+ t ? 一黟疆 ， ， 绪论 烃的三个桥联氮原子上各引入一个苄基，所得新化合物1 1 以l ，3 交替构象存在 ( 见图1 0 ) ，通过简单的重结晶，即可实现对映体的分离【矧。 i l 图1 0 新型氮杂杯 4 】芳烃1 1 的结构 h g 1 0t h es t r u c t m eo fc a l i x 4 a r e n ed e r i v a t i v e1 1 m i c h a e l 等在g u t s c h e 的研究基础上【4 7 1 ，合成一种下沿取代基为a b h 型的固 有手性杯【6 】芳烃，首先利用对叔丁基杯【6 】芳烃与对氰基苄溴的反应的1 ，4 位取 代的中间体2 ，中间体2 与三甘醇双对甲基苯磺酸酯即可得到单桥联杯【6 】芳烃衍 生物1 2 ( 见图1 1 ) 。该外消旋混合物可通过手性高效液相色谱柱分离。由x 射 线衍射谱图发现，最终产物1 2 采取1 , 4 交替构象，而不是常见的锥式或l ，2 ，3 交替构象，其固有手性来源于c 2 对称的芳环a b h 取代型式【4 8 】。 冀。c 心口翎 埔岫j 巴_ - l 籼 饵u伽 1 3 冀。铫心翻 x = c 啦c h 2 0 c h 2 c h 2 0 c h , c h , 图1 l 单桥联杯【6 】芳烃衍生物1 2 的结构 f i g 1 1t h es 缸1 l c t l l r eo fc a l i x 4 a r e n ed e r i v a t i v e1 2 分离出光学纯的固有手性杯芳烃是实际应用的关键，这方面的研究仍不够深 入。目前常用的分离方法是在杯芳烃上引入一些手性辅助试剂，然后利用制备型 薄层色谱分离。黄志镗等发现叔丁基氧羰基l 脯氨酸可以作为一种手性酰化试 剂，也可作为手性辅助试剂，利用其可实现对外消旋氨基杯【4 芳烃的动力学拆 分。他们利用这种方法合成并拆分了轴向手性2 ，2 二氨基1 ，1 脯氨酸酰胺双官 能基的杯【4 】芳烃【4 9 】。杯【4 】芳烃衍生物l 上沿的氨基很容易和叔丁基氧羰基l 脯 喇 福建师范大学硕士学位论文 氨酸反应生成非对映异构体，经过柱色谱可实现拆分，中间体2 和3 可在 c 2 h 2 c f 3 c o o h 中脱去叔丁基氧羰基得到光学纯的固有手性杯 4 芳烃衍生物1 3 和1 4 ( 见图1 2 ) 。 铂 ， - 图1 2 光学纯的固有手性杯【4 】芳烃衍生物1 3 和1 4 的结构 f i g 1 2t h es t r u c t u r e so fi n h e r e n t l yc h i t a le a l i x 4 a r e n ed e r i v a t i v e s1 3a n d1 4 4 含杂原子基团的杯芳烃 含杂原子基团杯芳烃是杯芳烃的一个重要组成部分。引入杂原子后，杯芳烃 可具有更多独特的性质，使其得到更为广泛的引用。如在杯芳烃上沿引入含硫的 磺酸基类取代基可提高杯芳烃的水溶性。在杯芳烃中引入氮、硫等杂原子，它们 作为软配位原子，可使其有效地识别软金属离子、阴离子与中性有机分子，这在 分析化学、医药化学、催化等领域都有着非常重要的意义。 4 1 含氮原子基团的杯芳烃 含氮杂原子官能团具有很强的络合能力，是含杂原子杯芳烃中研究较多的一 类衍生物，大量的文献报道了此类杯芳烃衍生物的合成及潜在的应用价值。这一 类官能团包括胺基、酰胺基、腙基、偶氮、席夫碱、( 硫) 脲基、磺酰胺基、硫 氰酸基、氮杂冠醚、氮杂芳环、咪唑基1 5 0 等。 汞是众所周知的有毒金属，对人类健康及环境等都有极大的危害，人们一直 致力于有效地检测生物体和环境中的金属汞的研究1 5 l - 5 2 。近几年，由于选择性强、 敏感度高、易于操作等优点，荧光化学传感成为检测汞的新途径【5 3 1 。荧光化学 传感器的设计主要是基于光诱导电子能量转移、金属配体电子转移、分子内电 荷转移、荧光共振能量转移等机理【s ”们。荧光共振能量转移具有潜在的应用，是 鬟麟 一一一 一一一 绪论 超分子化学研究的热点领域【5 7 1 。基于此理论，a m e lb o 等人设计合成了两种三 角架式杯 4 】芳烃衍生物1 5 和1 6 ( 见图1 3 ) ，每个化合物均含有两个杯【4 】芳烃 单元以及一个罗丹明b 单元，化合物1 5 的杯【4 】芳烃上各接有一个芘甲基胺基 团。h 矿+ 通过化合物1 5 诱导能量由芘组( 能量给体) 传递到罗丹明组( 能量受 体) ，没有h 矿+ 时，能量的传递不会发生【5 引。 1 6 图1 3 三角架式杯【4 】芳烃衍生物1 5 和1 6 的结构 f i g 1 3t h es t r u c t u r e so