（有机化学专业论文）含123三氮唑杯4芳烃及水溶性杯芳烃的合成与性能研究.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 杯芳烃是一类具有独特空穴结构的大环化合物，是继冠醚和环糊精之后的第三 代超分子主体化合物。以其易修饰、空腔大小可调、对离子和分子客体均能识别等 特性，日益受到人们的重视。功能化杯芳烃在生命科学、分离技术等领域有广阔的 应用前景。在母体分子中引入杂环结构片段是杯芳烃结构修饰的有效手段之一。本 论文通过点击化学技术偶联合成了含l ，2 ，3 三氮唑结构的新型杯 4 】芳烃衍生物。同 时合成了一系列水溶性杯芳烃，并研究其作为量子点稳定剂的应用。全文主要内容 如下： 一、综述了杯芳烃的最新发展。对杯芳烃的结构、合成、化学修饰、性质、 应用，特别是对水溶性杯芳烃的应用等作了较为全面和系统的叙述。 二、利用点击化学的技术设计并合成了含1 ，2 ，3 三氮唑的杯【4 】芳烃衍生物。首 先通过溴化物合成了含有叠氮基团取代的中间体，进而利用叠氮化物与1 ，3 一二丙炔 杯 4 】芳烃在铜( i ) 催化下发生1 ，3 偶极环加成反应，方便地合成了目标分子。 三、根据文献制备了水溶性的磺化杯【4 ，6 】芳烃、磺化硫杂杯 4 】芳烃，并对以 上产物进行了表征。 四、为了改善量子点的水溶性，我们采用水溶性的磺化杯芳烃来对量子点进 行表面修饰，制备水溶性量子点。最后对水溶性量子点的光学性能等进行了研究。 关键词：杯芳烃、水溶性杯芳烃、1 ，3 偶极环加成、点击化学、量子点 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t c a l i x a r e n e s ，w i l i c ha r eb a s k e t - s h 印e dm a c r o c y c l i cc o m p o u l l d so fp o t e n t i a l i n t e r e s t f o r h o s t g u e s tc o m p l e x a t i o ns t u d i e s ，r e p r e s e n t t h en e wt y p eo fr e c e p t o ra r e r c y c l o d e x t r i i l s a i l dc r o w ne t h e r s d u et o廿1 e i r e a s y劬c t i o n a l i z a t i o n a i l d s t l 0 n g c o h l p l e x i i l gp r o p e r t i e st o w a r d sc a t i o n s ，a i l i o n s a r l dn e u 乜a 1 m o l e c u l e s ，t h e yh a v e r e c e i v e dp a r t i c u l a ri n t e r e s t so fm n e r o u sc h e m i s t si nr e c e n ty e a r s f u n c t i o n a lc a l i x a r e n e s h a v eb e e n a p p l i e ds u c c e s s 如l l y t 0b i o m i m e t i cr e s e a r c h ， s e p a r a t i o n s c i e n c em l d t e c l l l l o l o g y i n t r o d u c i n gh e t e r o c y c l i c 行a g m e n t si n t om em o l e c u l e si so n ee 伍c i e n t 印p r o a c ht om o d i 匆t 1 1 es t r i l c t u r eo fc a l i x a r e n e s i nt h i sd i s s e 删i o n ，n o v e ld e r i v a t i v e so f c a l i x 2 l r e n e sc o n t a i l l i n g1 ，2 ，3 - 仃i a z o l e 、r es y n m e s i z e dt l l r o u g l lc l i c kc h e m i s 臼ya tt l l e s 锄et i m e ，w a t e 卜s o l u b l ec a l i x a r e n e sw e r es y n t h e s i z e da r l dt l l e i r 印p l i c a t i o na ss t a _ b l e l i g a i l d so fq u 锄加md o t sw a ss t u d i e d t h em a i nc o n t e n t sa r ea u sf o l l o w ： 1 t h er e c e n td e v e l o p m e n to fc a l i x a r e n e si si m r o d u c e d ar e v i e wo ft l l e i r s 仃i l c 眦s ，s y i l t l l e s e s ，c h e m i c a lm o d i f i c a t i o n s ，p r o p e r t i e sa n dp o t e n t i a la p p l i c a t i o ni s o u t l i n e d ，、i t l lp a n i c u l a re m p h a s i sg i v e nt ow a t e 卜s o l u b l ec a l i x a r e n e s 2 u t i l i z i n gc l i c kc h e m i s 仃y l ，2 ，3 一仃i a z o l es u b s t i t u t e dc a l i x 4 】a r e n e sd e r i v a t i v e s w e r ed e s i g n e da n ds y n t l l e s i z e d t h ea z i d es u b s t i t u t e di n t e m e d i a t e s ，w h i c hh a db e e n o b t a i n e df r o mb r o m i d e ，r e a c t e dc o n c i s e l yw i m1 ，3 一d i p r o p y l l y l o x y c a l i x 【4 】a r e n e u s i n g c u ( i ) c a t a l y s t t op r e p a r e t a r g e tm o l e c u l e s ： 3 p s u l f o n a t e dc a l i x 4 ，6 】a r e n ea n dp - s u l f 0 n a t e dt l l i a c a l i x a r e n ew e r ep r e p a r e d a c c o r d i n gt 0l i t e r 砷l l r e sa n di d e n t i f i e d 4 t b i m p r o v e 俄e r 。s o l u b l e l b i l i 够 o f q u a n t u md o t s ，w e u s e d p - s u l f o n a t o c a l i x a r e n ew h i c hh a v ew a t e r s o l u b l ea b i l i t ya s 廿l em n c t i o n a lm a t i e r i 2 l l ， p r e p a r i n gt h ew a t e r - s o l u b l eq u a i l l t u md o t s t h e nt 1 1 eo p t i c a lp r o p e n i e so fw a t e r - s o l u b l e q l 鼬j i i ld o t sw e r es n l d i e d k e yw o r d s ：c a l i x a r e n e s ，w l t e r - s o l u b l ec a l i x a r e n e s ，1 ，3 - d i p o l a rc y c l o a d d i t i o n ，c l i c k c h e m i s t 巧，q u a i i t l l i l ld o t s 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 陛峭庑 1 日期：够年月罗日 y ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 障硬毛 日期： p 年月岁日 导师签名： 日期：醪 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中的 规定享受相关权益。回童诠塞堡銮卮溢厦! 旦圭生；旦二生；旦三生筮查! 导师签名 日期：d 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 1 杯芳烃概述 第一章文献综述 杯芳烃( c a l i x a r e n e ) 是一类具有特殊环腔结构的大环化合物，通常由对叔丁基 苯酚和甲醛在碱性条件下缩合而成。由于这类大环化合物中最普通的四聚体具有类 似希腊式酒杯的立体构象，c d g u t s c h e 于1 9 7 8 年提出以“杯芳烃”( c a l i x a r e l l e ) 命 名这类化合物【l 】。近几十年来，随着杯芳烃化学的发展，其含义也已大大拓展。目 前，狭义的杯芳烃仍指苯酚单元之间通过一个亚甲基在酚羟基邻位相连而成的一类 环状低聚物，广义上则包括由间二苯酚( r e s o r c i n 0 1 ) 等和醛在酸性条件下缩合而成 的环状低聚物( c a l i x r e s o r c i n a r e n e 【2 j ) ，以及苯酚单元之间通过杂原子( 如氧【3 j ，硫 h 等) 或两个亚甲基等连成的环状低聚物等。 1 1 1 杯芳烃的命名及特点 在杯芳烃的命名中，为了表示母体苯酚单元的数目，一个中间为环员数n 的方 括号插入到c a l i x 与a r c n e 之间，四聚体即为c a l i x 4 】a r e n e ( 杯【4 】芳烃) 。图1 1 中给 出了杯 4 芳烃环单元上的位置编号，在其上有取代基时，可以在命名中方便地指出 取代位置。如对叔丁基杯 4 】芳烃可以命名为5 ，1 1 ，1 7 ，2 3 四叔丁基2 5 ，2 6 ，2 7 ，2 8 四羟基 杯【4 芳烃。对于更复杂的杯芳烃，可按美国化学文摘的方法将其骨架编号，标明所 有取代基的名称和位置。一般将杯芳烃带有羟基的一端称为“下缘”( 1 0 w e r 缸) ， 其对位则称为“上缘”( u p p e rr i m ) 。 c ( c h 也 u p p 钎n m c ( c h 3 ) 3 图l - l 5 ，1 1 ，1 7 ，2 3 一四叔丁基一2 5 ，2 6 ，2 7 ，2 8 - 四羟基杯 4 】芳烃 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 作为第三代超分子主体化合物，杯芳烃具有独特的空穴结构，与冠醚和环糊精 相比具有如下特点：( 1 ) 它是一类合成的低聚物，它的空穴结构大小的调节具有较 大的自由度，目前已合成了4 2 0 个苯酚单元所构成的不同空腔尺寸的杯芳烃；( 2 ) 通过控制不同的反应条件及引入适当的取代基，可固定所需要的构象；( 3 ) 杯芳烃 的衍生化反应，不仅在杯芳烃下缘的酚羟基、上缘的苯环对位，而且连接苯环单元 的亚甲基都能进行各种选择性功能化，这不仅能改善杯芳烃自身水溶性差的不足， 而且还可以改善其分子络合能力和模拟酶活力；( 4 ) 杯芳烃的热稳定性及化学稳定 性好，可溶性虽较差，但通过衍生化后，某些衍生物具有很好的溶解性；( 5 ) 杯芳 烃能与离子和中性分子形成主一客体包结物，这是集冠醚和环糊精两者之长；( 6 ) 杯 芳烃的合成较为简单，可望获得较为价廉的产品，事实上现在已有多种杯芳烃商品 化。 1 1 2 杯芳烃的制备 从已有的报道来看，杯芳烃的制备主要有一步法，多步法及片段缩合法三种。 1 1 2 1 一步合成法 z i n k e l 5 j 开创了杯芳烃的一步合成法，他率先采用对叔丁基苯酚与甲醛在碱性条 件下直接缩合的方法制备了对叔丁基杯 4 】芳烃。g h j t s c h e 对z i l l l ( e 的方法进行了改 进，在碱性条件下通过一步反应分别选择性地制备了对叔丁基杯 4 】芳烃【6 】、对叔丁 基杯【6 】芳烃【7 】和对叔丁基杯【8 】芳烃【引，经重结晶方法提纯后分别得到收率5 0 、8 5 和6 3 的产物( 见图1 2 ) 。 审 +n h 2 0 图1 2 一步法合成杯 n 】( n = 4 ，6 ，8 ) 芳烃 尽管这三种杯芳烃的合成均在碱性条件下进行，但产物的类型显然取决于碱的 种类和反应溶剂，由于g u t s c h e 的贡献，制备这几种化合物的反应条件已经很明确 ( 见表1 1 ) 。 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 表1 1 对叔丁基杯【n ( n = 4 ，6 ，8 ) 芳烃的制备条件 化合物反应溶剂碱重结晶溶剂产率 杯 4 】 二苯醚 n a o h ( o 0 3 o 0 4 ) 甲苯5 0 杯【6 】 二甲苯 k o h ( o 3 4 ) 氯仿- 甲醇 8 5 杯【8 】 二甲苯 n a o h ( 0 0 3 ) 氯仿 6 3 时舌号中为碱相当于所用对叔丁基苯酚的摩尔比 在碱性条件下由对叔丁基苯酚一步制备杯芳烃的一个有趣现象是，得到的产物 通常是由偶数个苯酚单元组成，尽管奇数个环单元的组分如对叔丁基杯 5 】【9 】、杯 【7 uo 】芳烃也可以在某种条件下得到，但其产率相当低。其他对位取代苯酚也被用来 采用与上面类似的方法制备杯芳烃，但产物的收率和选择性远比不上对叔丁基苯酚 的结果。 1 1 2 2 多步合成法 多步法在证明杯芳烃的结构中曾起过非常重要的作用。h a y e s 和h u i l t e r 【1 1 】首次 用多步法合成了杯芳烃，后来k a i i l i l l e r e r 和h a p p e l 等对此进行了改进。尽管多步法 的环化产率较高，且能得到上缘取代基不同的杯芳烃，但因步骤太多，其总产率仍 然很低，而且环化前脱卤素一步使得上缘取代基的种类受到限制，目前只用于某些 特殊的场合。 1 1 2 3 片段缩合法 为保持多步合成法的灵活性，而又克服其步骤多的特点，人们又提出片段缩合 法。它采用分子间缩合关环代替了逐步法的分子内缩合关环，从而简化了反应步骤。 常采用的有“3 + 1 【1 2 1 、c t 2 + 2 ，【1 3 】、t 2 1 + 2 1 ，【1 4 1 、c c 2 + 2 1 ，【15 1 、“4 l ，【1 6 】等几种 方法。片段缩合法具有多步法的优势，也简化了多步法的步骤，但环化缩合产率不 高，现主要用于合成一些具有特殊结构的杯芳烃。 1 1 2 4 其他类型杯芳烃的合成 与杯芳烃结构最相关的杯状化合物之一，是将杯 4 】芳烃的四个亚甲基换为硫原 子。o h b a 等通过多步合成法从线型低聚物制备了一些硫杂杯芳烃，但产率较低。后 来k m n a g a i 等【1 7 】将对叔丁基苯酚和硫粉在碱性条件下直接缩合，得到硫杂对叔丁基 杯 4 】芳烃，产率可以达到5 4 ( 见图1 3 ) 。这样，硫杂杯芳烃及其衍生物的研究才 得以广泛地开展。 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 审岽等 图卜3 硫杂杯 4 芳烃的合成 1 1 3 杯芳烃的结构特征 1 1 3 1 杯芳烃的构象 具有多种构象异构体是杯芳烃最具有特色的性质之一，它是苯酚单元与之相邻 的亚甲基之间。键( a 卜c h 2 心) 有限自由旋转的结果。由于不同构象异构体可能 具有完全不同的性质，如何控制生成特定的构象和将其固定化，使杯芳烃主体分子 具有所谓“预组织( p r e o r g ：l i l i z e d ) ”结构，是杯芳烃化学中一个十分重要的内容。 杯【4 】芳烃具有四种基本的构象：“锥式( c o n e ) ”，“部分锥式( p a n i a lc o n e ) ”，“1 ，2 交替式( 1 ，2 a l t e m a t e ) ”和“1 ，3 交替式( 1 ，3 a l t e m a t e ) ”( 见图1 4 ) ，它们的核磁谱 图特征见有关文献【l 引。 锥式 ( c o n e ) 部分锥式 ( p a r t i a lc o n e ) 1 ，2 - 交替式 ( 1 ，2 一a l t e m a t e ) 图l 一4 对叔丁基杯 4 】芳烃的四种构象示意图 1 ，3 一交替式 ( 1 ，3 一a l t e m a 哟 x - 衍射研究结果表明，由于强烈的分子内氢键作用，在晶体中杯 4 】芳烃多采取 杯式构象，在溶液中杯【4 】芳烃室温下也主要以杯式构象存在，但约以百分之一秒的 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 速度从一种杯式构象翻转成另一种杯式构象。杯 4 】芳烃的构象转变与上缘取代基大 小关系不大，主要受下缘取代基的影响，当酚氧原子上连有大于乙基的基团时，苯 酚单元因位阻而不能翻转，构象被固定下来。1 hn m r 是确定杯 4 】芳烃在溶液中构 象的一个有力手段，表1 2 列出了杯 4 】芳烃构象异构体在核磁共振图谱中表现出来 的一些特征。 表1 2 杯 4 】芳烃的四种构象在核磁共振图谱中的特征 l h n m r 构象 删 a r c h 2 a r c ( c h 3 ) 3 锥式 sds s + 2 d o r 2 d ( 1 ：1 ) o r 部分锥式 3 s ( 1 ：2 ：1 ) 4 s ( 1 ：1 ：1 ：1 ) s + d ( 1 ：1 ) l ，2 交替 2 s ( 1 ：1 )s + 2 d ( 1 ：1 ) s 1 ，3 交替 sss 对于苯环数目更多的杯芳烃，其构象更为复杂多变。杯 5 】芳烃有八种典型构 象【1 9 】。杯【6 】在低温时采取紧锥型或翼锥型构象【2 0 】，杯 8 】芳烃在低温时采取折叠环 构象【2 1 1 。下缘引入较大基团的方法难以固定杯 6 】、杯【8 】这类大环杯芳烃的构象【2 2 1 ， 只能采取在上缘或下缘进行桥联的方法。 1 1 3 2 杯芳烃的分子内氢键 杯芳烃中酚羟基之间存在着很强的环形氢键，这种氢键不仅对其构象和物理性 质有着很大影响，而且对杯芳烃的化学修饰，如选择性功能化等起着重要作用。杯 芳烃的氢键的强弱程度可以从o h 的i r 和1 hn m r 数据中粗略判断田j 。杯芳烃中 羟基的i r 吸收向低波数方向移动，其位移值大小与分子内氢键强弱相对应。杯【4 】 芳烃中分子内氢键最强，杯 6 】芳烃次之，而杯 5 】芳烃最弱。1 hn m r 谱图中o h 的化学位移都向低场移动，但位移值大小与分子内氢键强弱无一一对应关系。b i a l i 等【2 4 】采用1 1 7 0n m r 技术对杯芳烃中分子内氢键进行了研究，也证明杯【4 】芳烃中的 分子内氢键要比杯 6 】芳烃强。 杯芳烃中的分子内氢键对酚羟基的酸性影响很大。一般来说，杯 4 】芳烃的最 后一级p k a 值比相应的苯酚单元的p k a 值要低几个数量级。s 蛐出a i 等【2 5 】测定了磺 化杯 4 】芳烃在水中的p k a 值，分别为p k a l 1 1 o ，说 明第一级离解处于强酸性区域，而第四级离解则处于极弱酸性区域。这是因为第一 级离解生成的酚氧阴离子与另外三个羟基形成氢键而得到稳定，最后一级离解中三 个酚氧原子通过强烈的氢键作用抑制最后一个质子的离解【2 酬。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 杯【6 芳烃和杯 8 】芳烃中的分子内氢键不如杯【4 】芳烃强，而且由于构象因素的影 响，各级离解的位置选择性较弱。但在弱碱的作用下基本符合间隔位优先的原则【2 7 1 ， 即酚氧离子受两个相邻酚羟基的氢键作用而稳定。值得指出的是，这种不同的氢键 作用对它们的选择性化学修饰具有重要影响。 1 2 杯芳烃的化学修饰 功能化杯芳烃成为杯芳烃化合物的一个重要课题，其目的就是想得到特定空穴 结构或特定性能的衍生物。从物理性能上看主要是向着水溶性方向发展；从应用功 能及性能上看主要是向着携带光学、电学信号发生体、手性识别体等方向发展；从 元素角度看主要是向着导入含有氧、氮、硫及两性金属的基团方向发展；合成热点 主要表现在新型杯芳烃基体的采用，上缘取代基的多位功能化，下缘取代基的桥联、 醚化、酯化和多穴化。进一步合成更多类型且性能更加优异的杯芳烃衍生物并研究 它们的各种性能，无疑会对超分子化学的发展与应用有着十分重要的意义。以下对 近年来杯芳烃的化学修饰作简要综述。 1 2 1 新型母体的采用 杯芳烃母体一般是苯酚或间苯二酚与甲醛或酮缩聚而成。近几年新型类苯酚 甲醛缩聚的人工受体层出不穷，使得杯芳烃家族日益兴旺。如杯萘酚芳烃( 见图1 5 ) ， 萘环的导入既增加了兀键电子共轭的离域程度，又扩展了空穴尺寸，同时多个取代 基的引入有利于改善杯萘酚的性质，对于分子识别具有较大的意义。 y x 1 c h 2 + j4 n r = h ，t - b u ： x = h ： r 1 ，r 2 ，r 3 ，r 4 y = o h n h 2 ，s 0 3 n a= h ，c h 3 c h 2 p h 图1 5 杯萘酚及其衍生物结构图1 6 杯吡咯及其衍生物结构 目前合成的主要有：羟基在外侧且类似于杯间苯二酚结构的杯 4 】( c a l i x 【4 】n 印h t l l a t e n e ) 【2 引，叔丁基杯 4 】萘酚2 9 1 ，多个取代基的杯 4 】萘酚【3 0 1 等。一 些卟琳原及类卟琳原的类杯芳烃化合物又重新引起化学工作者的重视，如以呋喃、 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 吡咯代替杯芳烃中酚的位置而得到的杯杂芳烃：杯呋喃( c a l i x 缸锄) 、杯吡咯 ( c a l i x p ) 唧o l e ) p1 】( 见图1 6 ) 。这类物质母体带有亚氨基赋予了该类大环物质特殊的 功能，它可以通过多个吡咯单元的- n h 基团与底物形成多氢键的作用，可以作为阴 离子、中性分子或带电荷的材料( 如d n a ) 识别的主体分子，特别对于生理过程中起 着重要作用的阴离子的分子识别具有极其重要的意义。 目前杯芳烃研究领域中一个新的趋势是对杯芳烃的骨架实施改变，用杂原子或 含杂原子的基团代替桥联亚甲基而形成的杂杯芳烃( 如硫杂杯芳烃) ，由于经典的杯 芳烃( 不含硫桥) 主要是通过其酚羟基上氧原子与金属离子发生作用的，因而表现出 对碱金属离子有特别强的识别能力，对碱土金属离子、稀土金属离子的识别能力要 差得多，而对低价过渡金属离子等软酸类金属离子则基本上无识别能力。所以对杯 芳烃进行结构改变，引入桥联硫原子以代替原来的桥联亚甲基，可以引入对软酸类 离子有良好亲和力的软碱类离子作为新的作用位点。因此硫杂杯芳烃及其衍生物与 经典的杯芳烃相比较，应能对p b 2 + ，c d 2 + ，h 9 2 + 之类的软酸离子表现出良好的识别 能力，具有较强的亲和力和分离选择性。 1 2 2 上缘的功能化 上缘的功能化是将叔丁基杯芳烃脱去叔丁基后再在苯环酚羟基的对位进行衍 生反应，往往是利用酚羟基的邻对位的供电子效应，在酚羟基的对位进行亲电反应， 其目的一是引入各种功能性基团改善或完善杯芳烃的性能，另一个是扩大或加深空 穴。常见的衍生反应主要有磺化、硝化、氯烷基化等反应。目前上缘的化学改性展 现了蓬勃生机和诱人的应用前景。 磺化类衍生物常常是杯芳烃在有机介质中先与浓硫酸进行反应，然后再根据不 同需求与相关试剂发生作用而得。磺化类衍生物的主要功能是引入具有亲水功能的 基团，改善杯芳烃水溶性不佳的问题。硝化类衍生物的功能类同于磺化类衍生物， 它经常是杯芳烃在有机介质中与浓硝酸进行反应而得【3 2 1 ，也可以通过多步法合成 【3 3 】。但硝化类杯芳烃衍生物往往作为含氨基类杯芳烃合成的中间产物而出现。杯芳 烃上缘的硝基的还原可以用s n c l 2 还原法、n a 2 s 2 0 4 还原法和m e yn i 联胺催化还 原法【3 4 1 。硝基基团经还原、重氮化、偶联等反应可将偶氮基等生色团导入杯芳烃上 缘中，产生一类具有色变功能的杯芳烃受体。卤烷基化反应也是杯芳烃上缘功能化 的一种重要手段，借助于卤烷基的化学活性可方便地将氰基、乙烯基、单糖等基团 和p ，s ，s i 等杂原子引入，使得杯芳烃具有新的功能。还可以通过系列反应将醛 基、亚磷酸酯等引入杯芳烃的上缘【”j 。 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 2 3 下缘的功能化 下缘酚羟基的化学修饰是借助于杯芳烃中酚羟基的化学活性而完成的衍生反 应，在通常的情况下易于进行醚化、酯化等反应。近几年下缘的化学改性表现在引 入特性基团( 如手性基团、光学活性基团、电学活性基团、多基亲水性基团) 和冠醚 化( 如单冠醚、多冠醚、多杯桥联多穴冠醚等) 。 1 2 3 1 下缘引入功能基团 杯芳烃下缘酚羟基活性较大，通过一些化学反应可以方便地导入一些功能基 团。大量实验表明，杯芳烃衍生物的分子识别选择性主要是由空腔大小和酚氧的取 代情况所控制。通常情况是在缓和碱性溶剂存在下，杯芳烃与卤代物进行取代反应， 从而导入各种基团。这些基团包括酯、胺和羧酸类衍生物并用于金属离子和铵离子 的包合配位作用【3 6 1 。杯芳烃易于修饰性使其很容易引入含n ，s ，p 等软碱原子的 官能团，从而衍生出对p b 2 + 、c d2 + 、h 9 2 + 、a u 3 + 等重金属离子有特殊识别作用和分 离能力的衍生物。 1 2 3 2 杯芳冠醚 在各类杯芳烃衍生物中，杯芳冠醚是最令人瞩目的一类。因为杯芳冠醚中同时 含有杯芳烃和冠醚两种主体分子的亚单元，它们之间的协同作用导致其结构不仅仅 是这两个主体单元的简单加和，而往往表现出与单个杯芳烃或冠醚不同的性质和对 于某些客体更加优越的配合与识别能力。最为简单的杯芳冠醚，杯芳单冠醚，它们 是下缘分别以多氧亚乙基链相连的l ，3 桥连和1 ，2 桥连的杯 4 】芳烃( 图1 7 ) 口。采用 引入多个空腔，构成体积可调节的化合物及导入杂原子等方法使杯冠化合物扩展了 对物质( 特别是对金属离子) 识别的可能性；此外，桥连还限制了苯酚单元的转动， 可获得构象稳定的化合物。因此，这类杯芳烃化合物开拓了多功能的主体分子的合 成思路，对于进行多点识别具有十分重要意义。 ( h 3 c ) 3 c c ( c h 3 ) 3 图1 7 c ( c h 3 ) 3( h 3 c ) 3 cc ( c h 3 ) 3 x 八厂咻 c ( c h 3 ) 3n = 3 4 杯 4 】1 ，3 - 冠醚和杯【4 】- 1 ，2 - 冠醚 8 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 2 4 杯芳烃化学修饰的新发展 由于在杯芳烃化学修饰方面发展得很丰富，在其上缘或下缘进行功能化已经变 得越来越具有挑战性。近年来，采用“点击”化学方法在杯芳烃修饰方面陆续有文献报 道【3 8 。4 1 1 。点击化学( c l i c kc h e m i s 仃y ) 是s h a 印l e s s 等【4 2 】提出的，其核心是开辟一整 套以含杂原子链接单元c x c 为基础的组合化学新方法，用少量简单可靠和高选择 性的化学转变来获得更广泛的分子多样性，开创了快速、有效、甚至是1 0 0 可靠 的、高选择性地制造可类新化合物的合成化学新领域。目前，它已在化合物库的合 成，特别是药物先导的发现和优化中显示出重要的作用，受到人们的广泛关注1 4 3 j 。 我们课题组利用现有的资源，在杯 4 】芳烃的下缘利用点击化学的方法构筑了多种新 的化合物，这对于发展杯芳烃化学修饰具有创新意义。 1 3 杯芳烃的应用 杯芳烃的应用研究是杯芳烃化学中的一个有机组成部分，目前取得了很大的进 展。在杯芳烃的上缘和下缘引入适当的功能基团所得到的主体，能借助于氢键、静 电作用、范德华力、疏水作用、阳离子一兀作用、7 c 兀堆积作用及诱导契合等非共价 键协同作用来识别客体分子，从而实现配位、催化和能量转换等特殊功能。在杯芳 烃上下缘引入各种基团的功能化杯芳烃，可以构成以杯芳烃为骨架的带有亲脂性， 亲水性和离子载体的受体，能与不同大小、不同性质的客体分子相匹配，如与有机 分子、阳离子以及阴离子形成主一客体或超分子配合物。识别配位作用取决于杯环 大小、构象及环上取代基的性质。且由于杯环的柔韧性，而具有特别良好的诱导契 合能力m j 。杯芳烃既可输送阳离子，又能与中性分子形成配合物，因此杯芳烃是优 于冠醚和环糊精、用途更广泛的一类主体大环化合物。杯芳烃在分子识别、酶模拟 及其催化功能、化学传感器、分子组装等领域中有着广泛的应用前景。 1 3 1 分子识别 在杯芳烃的上缘和下缘引入适当的功能基团，可得到以杯环为骨架的带有亲脂 性、亲水性和具有离子载体能力的主体分子【4 5 j ，能通过氢键、疏水作用、静电作用、 7 c 兀传荷作用及诱导匹配等非共价键协同作用来识别客体分子【删，从而实现配位催 化和能量交换等特殊功能，研究发现杯环的大小、构象及苯环上取代基的性质对识 别有着重要的作用，其识别客体包括有机分子、阳离子及阴离子。研究还发现杯芳 烃可以识别多种多样的有机小分子，形成固态配合物。其包结小分子有氯仿、苯、 甲苯、茴香醚、异丙醇、丙酮等w 7 1 ，但包结配合物稳定性有较大差别，这与主一客 9 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 体分子的匹配相关，也是分子识别的基础。晶体结构研究表明，杯芳烃与客体分子 形成内式( e n d o ) 和外式( e x o ) 两种类型配合物，化学计量比一般为1 ：l 和2 ：1 。 g u t s c h e 研究小组【4 8 】较早地采用紫外光谱及1 hn m r 研究了杯芳烃在溶液状态下的 识别能力，在对取代杯芳烃与烷基胺的包结配位研究发现，识别过程分两步：首先， 杯芳烃的酚羟基脱去质子并将其转到脂肪胺的氮原子上；然后质子化的脂肪胺与杯 芳烃负离子形成离子对。p i n l ( 1 l a s s i l 【等【4 9 j 将金刚烷基团和苯环混合引入到杯【4 】芳烃 酰胺的上缘，考察了它们与水、二甲亚砜、吡嗪、哒嗪和乙腈等客体的相互识别作 用，研究表明杯芳烃的氨基在分子识别中起正面作用，上述基团的引入改变了杯芳 烃的构象，导致杯芳烃中的氨基与客体分子作用变化，其结合稳定常数存在较大差 别而达到识别的目的。s h i i l l 【a i 等【5 0 j 用荧光光谱法研究了上缘磺酸修饰的杯芳烃( n = 4 ，6 ，8 ) 与芘在水溶液中的配位作用，结果表明，对叔丁基杯【6 】芳烃磺酸衍生物与芘 形成较高稳定性的化学计量1 ：1 的配合物，这归因于杯 6 】芳烃空腔与叔丁基扩展 空腔与芘的尺寸最为匹配。杯芳烃还可识别较大的有机分子，如二茂铁、甾体、氯 化血红素、核黄素、v b l 2 和富勒烯等【5 l j 形成稳定配合物。杯芳烃与有机阳离子的 识别也是研究热点之一，大部分涉及对有机季铵盐的分子识别作用【5 2 】。b e e r 等【5 3 】 报道杯 4 】芳烃醌与烷基胺和铵离子在乙腈中的配位作用，紫外光谱滴定结果表明， 在室温下，可以与铵离子形成稳定常数l g k s 为3 1 的配合物，而客体引入丁烷后， 稳定常数增至4 o ，这预示客体烷基与杯芳烃脂溶性腔体间存在疏水作用，两者形 成内式配合物。s h i i l l 【a i 等l 5 4 j 通过1 hn m r 滴定法研究了水溶性杯芳烃对三甲基苯 基铵阳离子客体识别作用，发现杯 4 】及杯 6 】芳烃磺酸衍生物与客体形成l ：1 的配 合物，而杯 8 】芳烃磺酸衍生物与客体形成1 ：2 的配合物，研究发现在杯芳烃构象 中只有锥式异构体( c o n e ) 能较好与客体匹配，热力学研究表明，杯【4 】芳烃的配合物 形成是焓驱动，而杯 6 】和杯【8 】芳烃则是熵驱动的，前者主要推动力为静电作用，后 两者主要是疏水作用。s h i n k a i 等1 5 2 j 采用紫外可见光谱法研究了杯 6 】芳烃磺酸与酚 蓝的相互作用，发现酚蓝与杯【6 】芳烃磺酸配位后，其自身光谱最大吸收峰由6 6 0 n n l 红移至6 8 5 i h n ，表明它们之间形成了内式配合物，杯芳烃稳定了酚蓝电荷分离的激 发态，静电相互作用在此起作用。刘育等【5 5 j 采用荧光光谱法考察了水溶性杯芳烃与 吖啶红染料的分子识别，发现主客体间配合物的稳定性随杯芳烃的尺寸增加而增 强，在对主客体配合物荧光研究时，发现上缘衍生物的杯【6 芳烃磺酸对吖啶红的 荧光有增强作用，这一结果被归因为氢键、疏水作用、静电作用的协同效应。有关 杯芳烃与有机铵离子的识别作用还有许多其它报道，其中光谱分析法是其研究的主 1 0 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 要手段。 1 3 4 酶模拟及其催化功能 由于杯芳烃的上缘或下缘易于导入有序排列的功能基并具有疏水空腔，因而杯 芳烃衍生物可以作为人工酶模拟生物酶的催化功能。例如1 苄基1 ，4 二氢烟酰胺是 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的模型化合物，在酸性条件下加水生成1 苄基一6 羟基 1 ，4 ，5 ，6 一四氢烟酰胺的反应，能被甘油醛3 磷酸脂脱氢酶所催化。催化剂的作用是 稳定阳离子中间体，并具有质子给予能力。s h i i l l 【a i 郾】发现，对叔丁基杯 6 】芳烃及其 衍生物具有类似于甘油醛3 磷酸脂脱氢酶的催化效果，可以有效地催化上述反应。 g u t s c h e 等【5 7 】发现上缘带有羧酸基的杯芳烃化合物1 ( 见图卜8 ) 也能催化上述反应， 但其效果比带磺酸基的效果差，这可能是因为羧酸与磺酸相比不易形成负离子，对 正电荷的稳定化作用较差。在几种不同环尺寸的杯芳烃中，杯 6 】芳烃异构体给出了 最高的催化活性。s h i l l l ( a i 等【5 8 j 将杯芳烃季按盐2 成功地用作水解酶模型，它能够 催化十二烷基对硝基苯酯的水解。研究中发现，易形成主客配体的杯【6 芳烃比相 应的不易形成主一客配体的杯【4 】芳烃有更高的催化活性，他们认为作用过程主要是 通过形成内式配合物进行的。c a c c i p a 9 1 i a 等【5 9 ，6 0 j 将冠醚杯芳烃3 成功地用作水解酶 模型。他们的实验结果表明，化合物对乙酸酯的甲醇解在没有金属离子存在时反应 极慢，但在加入少量b a 2 + 后可以使反应加速一百万倍以上，这是因为主客体配合 物中的b a 2 + 能稳定亲核加成时产生的负离子中间体，使亲核加成速控步的反应速率 显著提高。 ( c h 2 ) 2 c 0 2 h n = 5 ，6 。7 。8 1 n = 4 。6 2 | - 图卜8 化合物1 、2 、3 的结构 3 r e i i l l l o u m 等6 1 ，6 2 】在杯【4 】芳烃的上缘导入吡啶和咪唑基，与锌或铜的双核配 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 合物作为核酸酶模型化合物，前者使i a 模拟底物2 羟丙基对硝基苯基磷酸二酯 的磷酯键裂解和环化反应加速2 3 1 0 3 倍，后者加速1 o 1 0 4 倍，这是迄今催化活 性最高的人工核酸酶。r o n d e l e z 等【6 3 】设计合成了第一个水溶性杯芳烃模拟金属酶。 在该化合物的结构中，三个咪唑以螺旋方式与c u + 结合，使之在空气中不会被氧化， 在水中能与一氧化碳配位并使其活化。因此它可以在生理条件下实现酶模拟反应。 黄志镗等【删在杯 4 芳烃的下缘导入甲基咪唑基和甲硫基。与c u + 配位后的晶体结 构显示c u + 只和两个咪唑和一个巯基配位，与a z u r i n 铜蛋白的活性部位极为相似。 陈淑华等【6 5 】在杯 6 芳烃的下缘引入金属卟啉得到杯 6 芳烃一双金属卟啉。对环己 烯环氧化反应研究表明，由于杯 6 芳烃疏水空腔的存在，这类杯 6 芳烃一双金属 卟啉的催化活性比相应的金属卟啉的催化活性大幅度提高。 1 3 5 化学传感器 由于杯芳烃衍生物选择性识别性质，因而可以作为离子选择性电极的中性载 体。例如上缘修饰了金刚烷基( a d ) 下缘修饰了乙氧酰基甲氧基的杯 4 和杯 8 芳烃 4 ( 见图卜9 ) ，由于下缘功能团紧密围成的空腔的大小分别与n a + 和c s + 的直径相匹 配，因而4 可以分别作为钠离子和铯离子选择性电极的活性载体【6 。 n = 4 8 4 c o o h 审 肜n 厂= ： s 丫n n n 56 图卜9 化合物4 、5 、6 的结构 s h i n k a i 等【6 7 】报道以1 ，3 一交替式构象的二乙基杯 4 卜冠一4 和二乙基杯 4 卜冠 一5 为活性载体分另i j 制备的钠离子和钾离子选择性电极的n a + k + ，k + n a + 选择比分别 高达1 0 5 和1 0 4 ，这是迄今报道的中性载体的最高钠钾选择比。高选择性来自于它们 配位原子形成的空腔和离子大小的匹配性以及附加的阳离子一兀相互作用。含氮、 硫等杂原子功能基的杯芳烃衍生物能有效识别过渡金属离子。例如杯芳烃偶氮苯甲 酸5 和杯芳烃偶氮噻唑6 ( 见图卜9 ) 分别选择性识别铅离子和汞离子，以它们为活性 载体的选择性电极能测定环境中的微量铅离子和汞离子【6 8 ，6 9 】。 1 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 含有光敏基团杯芳烃衍生物和金属离子选择性结合时，常引起显著的光物理 变化，尤其是荧光强度的变化，因此它们可以作为荧光传感器和分子开关。例如在 杯 4 卜冠一4 和杯 4 一冠一5 余下的羟基上导入葸酮荧光基团，荧光强度随加入的n a + 或k + 浓度显著变化，因此可以作为荧光传感器测定微量的钠和钾离子【7 0 】。 1 3 6 分子组装 以杯芳烃衍生物为建筑块进行分子组装，实现超分子组装体的功能化一直受 到广泛关注。杯芳烃衍生物的分子组装常通过分子内和分子间的氢键进行。a t w o o d 等r 7 1 】报道，杯 4 芳烃四磺酸钠盐是一种双极两亲分子，和氧化吡啶及稀土金属离 子在水溶液中可以自组装形成一堆叠的双层纳米球和螺旋形的纳米隧道。 r e i n h o u d t 等【7 2 j 报道，杯 4 芳烃三氰胺( m e l 硼i n e ) 衍生物和异氰尿酸( 或巴比妥 酸) 通过氢键自组装的聚集体具有螺旋的非对称排列，即产生超分子手性 ( s u p r a m 0 1 e c u l a rc h i r a l i t y ) 。并且当其中一个组分含有少量对映纯分子时，它 们将自组装成对映纯的超分子手性聚集体，即能实现超分子手性扩增 ( a m p l i f i c a t i o no fc h i r a l i t y ) 。刘育等【7 3 j 根据分子识别原理，以下缘连有萘甲酰 氨基的杯 4 芳烃和丙二硒桥式双环糊精成功构筑了纳米线。 1 4 本论文的选题 随着主客体化学的深入研究，杯芳烃的功能化修饰及应用成为该领域的研究热 点。通过点击化学手段在杯芳烃的上缘及下缘进行功能化，并进而研究其应用是研 究方向之一。另外，合成一些水溶性杯芳烃，将其修饰到诸如量子点、金属纳米粒 表面等等也是具有潜在的应用价值。 运用点击化学方法合成杯芳烃对于我们是一个全新的课题。利用实验室现有资 源，我们合成了一系列杯芳烃衍生物。在杯芳烃应用方面，我们合成了一系列水溶 性杯芳烃，并与量子点结合进行分子和离子识别。 参考文献 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 】g u t s c h e ，c d ；m 删! 【r i s l l l l a i l ，m c a l i x a r e n ea 1 1 a l y s i so ft l l ep r o d u c tm i x