（有机化学专业论文）新型三嗪环蕃的合成与应用及其中间体的应用探索.pdf

两北人学硕士毕业论文 摘要 近些年超分子化学领域中的大环化学发展迅速，具有分子识别能力的有机化合物的 设计、合成与应用成为超分子化学和有机化学的研究热点之一。环蕃作为主一客体化学 领域中非常具有代表性的主体化合物已经在诸多领域中取得了令人瞩目的成果。本论文 以合成新型的氮杂环蕃为目标，通过用三聚氯氰和别的一些简单化合物在比较温和的条 件下合成了三大类新型环蕃化合物。全文共分五部分，主要研究内容和结论如下： 第一部分简单介绍了超分子化学中的主体化合物冠醚、环糊精、杯芳烃、环蕃、 葫芦脲、卟啉和酞箐、环肽等的基本概念和进展概况。较详细地介绍了环蕃的五种合成 方法及其在应用方面的研究。 第二部分利用三聚氯氰、对硝基苯酚、苯酚、甲醇钠、4 ，4 二氨基二苯甲烷和三 乙胺合成了单环环蕃1 5 a 、1 - 5 b 、2 - 3 a 、2 - 3 b 、2 - 4 、2 5 a 、2 5 b 。结果表明：在合成环 蕃1 5 a 和1 5 b 时，硝基的还原是关键步骤；在合成2 - 3 a 、2 - 3 b 、2 _ 4 、2 5 a 、2 5 b 时， 辅酸剂的选择非常重要。另外，所有成环步骤都需要在高度稀释下进行，否则得到的是 链状高聚物。 第三部分以三聚氯氰、4 ，4 一二氨基二苯甲烷、邻苯二胺和l ，6 己二胺为原料合成 了双环环蕃3 - 3 和3 5 。飞行质谱显示有目的产物的峰，证明的确合成出了该化合物， 但是由于双环环蕃极难溶解，无法对其分离纯化，导致元素分析与理论值相差较大。如 何能提高双环环蕃的溶解性是后续工作的重点和难点。 第四部分鉴于前面所合成的环蕃溶解性均比较差的特点，本部分的重点就是提高 环蕃的溶解性，通过给环蕃引入活性基团，成功合成出了可溶性环蕃4 - 3 、4 5 、4 - 6 、4 7 。 同时用水热法对它们进行了晶体培养，得到了4 - 3 和4 - 6 的晶体，并用x 射线单晶衍射 对其结构进行了表征。 第五部分用环蕃中间体对枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等三种细菌 作了生物测试实验，发现用于生测的中间体均有灭菌或抑菌作用，其效果与分子中所含 的氯原子个数有关，随着分子中氯原子个数的减少，它的杀菌或抑菌作用也在逐渐变弱； 另外还对合成出的可溶性环蕃4 3 和4 - 6 进行了金属阳离子识别实验，紫外吸收谱图显 示，对于不同族的金属离子，只有过渡金属中的一些离子能被识别。 关键词：超分子化学，三嗪环蕃，晶体结构，生物测试，分子识别 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，m a c r o c y c l i cc h e m i s t r yi nt h ef i e l do fs u p r a m o l e e u l a rc h e m i s t r yh a s d e v e l o p e dr a p i d l y i no r g a n i cc h e m i s t r ya n ds u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y , t h eh o t t e s ts t u d i e sa r e t h ed e s i g n , s y n t h e s i sa n da p p l i c a t i o no fa r t i f i c i a lo r g a n i cc o m p o u n dw h i c hh a sm o l e c u l a r r e c o g n i t i o np r o p e r t i e s a st h em o s tr e p r e s e n t a t i v eh o s tc o m p o u n di nh o s t - g u e s tc h e m i s t r y , c y c l o p h a n eh a v ea c h i e v e dr e m a r k a b l ea c h i e v e m e n ti nm a n yf i e l d s i nt h i st h e s i s ，w eh a v e s y n t h e s i z e dt h r e en e wc l a s s e so fc y c l o p h a n ec o m p o u n d su s i n gc y a n u r i cc h l o r i d ea n do t h e r r e l a t i v e l ys i m p l ec o m p o u n d su n d e rm i l dc o n d i t i o n s t h i s d i s s e r t a t i o nd i v i d e si n t o f i v e c h a p t e r sa n d t h em a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r el i s t e da sf o l l o w i n g ： t h ec h a p t e r1 ：b r i e f l yi n t r o d u c et h eb a s i cc o n c e p t sa n dt h ep r o g r e s so fc r o w ne t h e r s ， c y c l o d e x t r i n s ，c a l i x a r e n e s ，c y c l o p h a n e s ，c u c u r b i t u r i l ，p r o p h y r i n , p h t h a l o c y a n i n e ，c y c l i c p e p t i d ei n t h es u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y a n dw ed e s c r i b e dt h ef i v ea p p r o a c h e so ft h e s y n t h e s i so fc y c l o p h a n e sa n d t h e i ra p p l i c a t i o nr e s e a r c h t h ec h a p t e r2 ：s i n g l e - r i n gc y c l o p h a n e sl - 5 a ，1 5 b ，2 - 3 a ，2 3 b ，2 - 4 ，2 - 5 a ，2 - 6 ba r e s y n t h e s i z e db yu s i n gc y a n u r i cc h l o r i d e ，p - n i t r o p h e n o l ，p h e n o l ，s o d i u mm e t h o x i d e ， 4 ，4 - d i a m i n o d i p h e n y lm e t h a n ea n dt r i e t h y l a m i n e ，m e a n w h i l et h e y a r ec h a r a c t e r i z e db y e l e m e n t a la n a l y s i s ，i r , m a l d i - t o f m sa n d1h - n m r t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：a st h e s y n t h e s i so fc y c l o p h a n e s1 5 aa n d1 5 b ，t h en i t r o r e d u c t i o ni sak e yp r o c e d u r e ；i nt h e s y n t h e s i so f2 - 3 a , 2 - 3 b ，2 - 4 ，2 - 5 a , 2 - 6 b ，t h es e l e c t i o no ft h es e c o n d a r ya c i da g e n ti sv e r y i m p o r t a n t i na d d i t i o n , a l lt h ep r o c e d u r e so fc y c l i z a t i o ns h o u l db eo p e r a t e du n d e rt h eh i g h l y d i l u t e dc o n d i t i o n , o t h e r w i s ei tw i l lp r o d u c ep o l y m e rc h a i n t h ec h a p t e r3 ：u s i n gc y a n u r i cc h l o r i d e ，o p h e n y l e n e d i a m i n e ，4 , 4 - d i a m i n o d i p h e n y l m e t h a n ea n d1 , 6 - h e x a n e d i a m i n ea sr a wm a t e r i a l s ，w eh a v es y n t h e s i z e db i c y c l i cc y c l o p h a n e s 3 - 3a n d3 - 5 m a l d i t o f - m ss h o w e dt h ep e a ko ft h et a r g e ts u b s t a n c e ，w h i c hr e a l l yp r o v e d t h a tt h et a r g e tc o m p o u n dh a v eb e e ns y n t h e s i z e d , b u tb e c a u s eo ft h eb i e y c l i ec y c l o p h a n ei s v e r yd i f f i c u l tt ob ed i s s o l v e d , i tc a nn o tb ei s o l a t e da n dp u r i f i e d , l e a d i n gt ot h er e s u l to f e l e m e n t a la n a l y s i sd o s en o tm a t c ht h et h e o r e t i c a lv a l u e s o ，h o wt oe n h a n c et h es o l u b i l i t yo f b i c y c l i cc y c l o p h a n ei si m p o r t a n ta n dd i f f i c u l ta s p e c to ff o u o w i n gw o r k t h ec h a p t e r4 ：i nv i e wo ft h ep r e v i o u s l yc y c l o p h a n er e l a t i v e l yp o o rs o l u b i f i t y 西北大学硕+ 毕业论文 c h a r a c t e r i s t i c s ，t h ef o c u so ft h i ss e c t i o ni st oi n c r e a s et h es o l u b i l i t yo fc y c l o p h a n et h r o u g ht h e i n t r o d u c t i o no fa c t i v eg r o u p st ot h ee y c l o p h a n ea n ds u c c e s s f u li nt h es y n t h e s i so fs o l u b l e c y c l o p h a n e4 - 3 ，4 - 5 ，4 _ 6 ，4 _ 7 a tt h es a m et i m e ，t h ep e r f e c tc r y s t a lo fc y c l o p h a n e4 - 3a n d4 - 6 w e r eg a i n e d , a n dt h e i rs t r u c r t r e sw e r ec h a r a c t e r i z e db yt h ex r a yd i f f r a c t i o n t h ec h a p t e r5 ：s o m ee x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tt ot h es y n t h e t i cc o m p o u n d sa n dt h e i r i n t e r m e d i a t e s b a c i l l u ss u b t i l i s ，s t a p h y l o c o c c u sa u r e b s ，e s c h e r i c h i ac o l iw e r eu s e df o r b i o l o g i c a lt e s t i n gl a b o r a t o r i e s ，f o u n dt h a tt h es t e r i l i z a t i o n o ri n h i b i t i o ne f f e c to ft h e i n t e r m e d i a t e sw e r er e l a t e dw i t ht h en u m b e ro fc h l o r i n ea t o m s ，w i t ht h er e d u c t i o no ft h e n u m b e ro fc h l o r i n ea t o m s ，t h eb a c t e r i c i d a lo rb a c t e r i o s t a t i ce f f e c ti sg r a d u a l l yw e a k e n e d w e a l s ou s e dt h em e t a lc a t i o n st oc a r r yo u tt h er e c o g n i t i o ne x p e r i m e n tf o rt h es y n t h e t i cs o l u b l e c y c l o p h a n e4 - 3a n d 倘，u va b s o r p t i o ns p e c t r as h o w e dt h a tt h em e t a li o n sf o rd i f f e r e n t f a m i l i e s ，o n l ys o m eo f t h et r a n s i t i o nm e t a li o n sc a nb ei d e n t i f i e d k e y w o r d s ：s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y , t r i a z i n e b a s e dc y c l o p h a n e ，c r y s t a ls t r u c t u r e ，m o l e c u l a r r e c o g n i t i o n , b i o l o g i c a lt e s t i n g 西北大学硕士毕业论文 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。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。本人允许 论文被查阅和借阅。本人授权西北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等机构将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：墨圉举一一指导教师签名：丞! 筮蠡 年月日 沙，口 年么月哆e l 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本 论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：吕闰竿 年月日 两北大学硕七毕业论文 1 1 超分子化学概论 第一部分绪论 超分子化学是涉及内容非常广泛的- - f - j 边缘学科，它不仅涉及无机化学、有机化学、 分析化学、物理化学和高分子化学，而且还与信息科学、生命科学、材料科学等紧密相 关，己成为多学科交叉研究的热点。1 9 8 7 年n o b e l 化学奖授予了p e d e r s e nc j 、c r a md j 和l e h nj m 三位科学家，这标志着超分子化学发展到了一个新的时代。基于p e d e r s e n 对冠醚基本性质的发现1 1 ，使得分别由c r a m 和l e h n 发展起来的主客体化学1 2 和超分子 化掣3 】的重要意义才被人们真正认识到。以非共价键相互作用力结合起来的复杂有序同 时具有特定功能的分子聚合体即是超分子化学研究的主要对象。超分子化学可以说是共 价键分子化学的一次质的超越、一次升华，所以被称为是“超越分子概念的化学”。它不 仅在信息科学和材料科学，甚至在生命科学中也有重要的理论意义和潜在的广阔应用前 景f 4 】。 超分子化学的产生和发展是历史的必然，符合人类的认识规律，是应人类认识自然 的需要而产生的。化学的发展历史告诉我们：早期化学研究的是天然存在的具体的物质， 实验方法的引入与实验技术的发展使化学的研究对象逐渐演变成单一的物质，进一步的 研究表明物质是由分子构成的，分子是物质保持化学性质的最小单位。一百五十多年来， 由于有机化学研究的对象是分子通过共价键的断裂和形成而发生转变的，所以始终没有 重视分子间的非共价键的相互作用。超分子化学的产生和发展正是在共价键分子化学的 研究进行了一百五十年后才被发现的。两者的区别在于，分子化学是基于原子间的共价 键，而超分子化学则是基于分子间的相互作用如静电力、氢键、范德华力等，即两个或 两个以上的分子依靠分子间的非共价键相互缔合，从而形成超分子【5 】。 1 1 1 超分子中主要的主体大环化合物 分子识别是超分子化学的核心研究内容之，所谓分子识别就是指主体或受体对客 体或底物选择性结合且产生某种特定功能的过程。它们不是依靠先前的共价键，而是靠 非共价键的分子间作用力，如范德华力、氢键和疏水相互作用等。分子识别主要分为对 离子客体的识别和对分子客体的识别，而人工合成的最具代表性的分子识别体主要包括 冠醚、杯芳烃和环糊精。近年来，具有分子识别能力的人工有机大环化合物的设计、合 第一部分绪论 成与应用成为有机化学和超分子化学研究的热点之一，在基础研究及许多领域均取得了 令人瞩目的成就。 1 1 1 1 冠状化合物 冠状化合物是1 9 6 7 年以后出现的一类中性有机化合物。由于冠状化合物具有许多 新奇的化学结构和独特的性质，因此形成了一门引起多方面兴趣的新兴边缘学科一大 环化学。历史上第一个冠醚的发现纯属偶然。1 9 6 7 年p e d e r s e nc j 为了合成双酚，用四 氢吡喃将邻苯二酚的一个羟基保护起来和二氯乙醚进行缩合时，发现除了产物外，还得 到很少量的白色结晶状副产物。对分离出的副产物进行研究发现原来是原料中存在的少 量游离邻苯二酚和二氯乙醚闭环缩合而成的大环多元醚化合物。p e d e r s e n 发现此类化合 物在甲醇中的溶解度随着氢氧化钠的存在而显著地变大，这一不寻常的溶解行为引起了 他的兴趣，促使p e d e r s e n 对大环多醚的性质作进一步研究，发现这类大环多醚能和各种 碱金属及碱土金属盐等形成稳定并且能溶于有机溶剂的络合物，进而根据这些物质的结 构形状及特征而称为“冠醚【6 。 由于合成的可行性以及对阳离子比较强的键合能力，冠醚被作为一种主体化合物而 广泛应用于离子识别。冠醚具有( c h e c h 2 x ) n 重复结构单元， x 代表氧、氮、硫、磷等 原子，外部骨架具有疏水的性质而内腔具有亲水的性质，可以和金属离子键合。与通常 的配体相比，冠醚具有更多的给体原子，因为其环中的杂原子可以部分或者全部参与配 位。冠醚均具有确定的大环结构，不象一般非环配体只是在形成金属配合物时才成环。 基于这种大环效应，根据其空腔的大小及环上取代基的不同，可选择性地络合不同的金 属离子，从而使得冠醚和金属离子可以形成稳定的配合物【8 】。 1 1 1 2 环糊精 环糊精( c d ) 是一类由d 吡喃葡萄糖单元首尾相连形成的大环化合物，是继冠醚之 后超分子化学研究的第二代主体化合物。自从v i l l i c t s 发现环糊精以来，这一类环状化 合物就越来越受到科学研究者的关注。环糊精及其许多衍生物在技术和科学等诸多领域 得到广泛应用是因为该化合物具有如下的性质：( 1 ) 对于有机合成的化学家来说，因为 这种化合物的化学性质比较稳定，所以可进行各种选择性的修饰：( 2 ) 这类化合物是比 较易得的半天然产物，通过淀粉的酶促降解可以大量制备；( 3 ) 环糊精的空穴可以提供 与模型底物结合的空间，当环糊精和底物分子形成包结配合物之后，其化学反应性能以 2 西北大学硕士毕业论文 及物理性能在特定条件下就有可能发生改变，从而满足不同的应用要求；( 4 ) 环糊精没 有毒性或者毒性很低，同时还可以被生物体降解，因此可以作为食品添加剂、化妆品填 料和脂溶性药物载体在工业技术上得到广泛应用。随着超分子化学研究的深入，必将进 一步推动环糊精化学的发展，环糊精及其各种衍生物的应用前景将更加广n t 9 , 1 0 】。 1 1 1 3 杯芳烃 杯芳烃是苯酚单元通过亚甲基在酚羟基的邻位连接而构成的一类环状低聚物，它的 历史可以追溯到十九世纪七十年代德国化学家b a e y e r t l l 】对苯酚和甲醛水溶液加热反应 的研究，他得到了一种树脂状的难纯化物质，由于受到当时的实验仪器和手段及技术的 限制，产物结构没能被鉴定。事隔三十年后比利时的化学家b a c k e l a n d 1 2 1 重新对b a e y e r 做的上述实验进行了详细的研究，制备出了酚醛树脂，同时取得专利并将其产品化，从 此开t i d y 合成高分子的新起点。二十世纪四十年代奥地利化学家z i n k e 【1 3 】在前人的工作 基础上设想如用对位取代的酚代替苯酚与甲醛反应，那么就可使原来交联状的树脂变为 线型的树脂。他研究了对叔丁基苯酚和甲醛的水溶液在氢氧化钠存在下的反应。在此实 验中分离得到一种高熔点的晶状化合物，经过鉴定是如下所示的环状四聚体结构，从此 发现了杯芳烃。 q c - , h 在此后的数十年中，虽然人们对这类化合物有一些研究，但是它们的潜在用途并没 有引起广泛的重视和研究。直n - 十世纪七十年代后期，随着环糊精、冠醚等大环化合 物研究工作的深入，特别是它们作为模拟酶的潜在性，使得美国化学家g u t s e h e 对这类 大环化合物产生了极大的兴趣，在合成与性能方面开展了系统且深入的研究工作，至此 才使这类大环化合物引起化学家的广泛关注。随后杯芳烃这类具有独特空腔结构的大环 化合物在超分子化学领域取得了令科学工作者广泛重视的成果，被誉为继环糊精和冠醚 第一部分绪论 之后的第三代超分子主体化合物n 7 】。作为第三代超分子主体化合物，杯芳烃具有独特 的空穴构造，同冠醚和环糊精相比具有以下特征：( 1 ) 通过引入适当的取代基和控制反 应条件，可固定所需构象；( 2 ) 它是合成的低聚物，可在较大程度上调节其空穴结构的 大小，已合成出了4 - 2 0 个苯酚单元所构成的大小空腔不同的杯芳烃；( 3 ) 杯芳烃的化 学稳定性与热稳定性好，虽然溶解性较差，但通过接入一些活性基团后，其某些衍生物 就具有了很好的溶解性；( 4 ) 杯芳烃的各种衍生化反应可以在杯芳烃下缘的酚羟基和上 缘的苯环对位，或者连接苯环单元的亚甲基上进行，这不仅可以改变杯芳烃自身溶解性 差的特点，而且还可以改善它的分子络合能力和模拟酶活力；( 5 ) 杯芳烃的合成比较简 单，有望获得比较廉价的产品；( 6 ) 杯芳烃与带电离子和中性分子均能形成主一客体包 结物。基于杯芳烃的这些特点，近二十年来在超分子化学研究方面迅速发展成为前沿领 域。 1 1 2 超分子中其他类型的主体大环化合物 上面概括的介绍了冠醚、环糊精和杯芳烃这三代主体化合物作为分子受体的超分子 体系，而在超分子化学研究中所涉及的人工合成受体是多种多样的，下面就对葫芦脲、 卟啉以及环多肽进行概况介绍。 1 1 2 1 葫芦脲 在大约一个世纪之前，德国化学家b e h r e n d 等通过尿素、甲醛及乙二醛之间的反应 首次制备了葫芦脲这种大环化合物【1 8 1 。他们发现甘脲和过量甲醛在酸性条件下缩合能产 生一种不溶于常规溶剂的非晶形沉淀，所以产物被设想成为交联的胺型聚合物。用热浓 硫酸作进一步处理，该固体溶解，用冷水稀释所得的溶液然后回流，在冷却前即生成一 种晶状的固体。分析结果给出了该化合物的分子式，并且此化合物对强碱和强酸是极稳 定的。n - - 十世纪八十年代，f r e e m a n 等重新研究了此反应【1 9 1 ，得到了该化合物的结构， 同时还指出：甘脲与甲醛缩合是先形成大分子化合物，然后该化合物在酸诱导的热力学 控制下进行重排反应形成葫芦脲。葫芦脲最显著的结构特征是内腔直径约为o 5 51 1 1 1 1 ， 而两端口的直径大约为0 4 0i l i l l ，所以葫芦脲的空腔大小与e t 一环糊精的相当。其空腔与 环糊精类似，也是疏水的，所以可包结有机分子。葫芦脲的另一重要特征是具有更加刚 性的结构，所以这种大环化合物不能改变自身的形状以适合客体分子的尺寸或形状。因 此可以预测葫芦脲的配位作用将会伴随着极强的专一性和极高的缔合常数。 4 西北大学硕士毕业论文 1 1 2 2 卟啉和酞箐 卟啉是在卟吩环上拥有取代基的一类大环化合物的总称，它是由四个吡咯环和四个 次甲基桥联起来的大兀共轭体系。 r r k 卟噼结构式 卟吩分子中4 个吡咯环的八个p 位和四个中位上的氢原子都可被其他基团取代，生 成各种各样的卟吩衍生物卟啉。卟啉的环系基本上处于同一个平面上，同时是一个 高度的共轭体系，因此它的性质比较稳定，并且一般都有较深的颜色。卟吩环上共有十 一个共轭双键，吡咯环及次甲基的电子效应极易影响这个高度共轭的体系，从而表现出 各不相同的电子光谱。在卟啉环上改变取代基、引入不同的中心金属离子、调节四个氮 原子的给电子能力或改变不同亲核性的轴向配体，都会使卟啉和金属卟啉具有不同的性 质，表现出不同的功能。 酞箐( p c ) 是和卟啉结构相近的大环化合物。用氮原子取代卟吩环中位上的碳原子 即得到酞箐。酞箐与卟吩是等电子结构，由于它们的环上有离域的兀电子，所以可以调 节四个内环氮原子接受或给电子的能力：环上未曾和氢结合的氮原子可以接受两个质 子，形成正二价离子：已和氢结合的氮原子又能给出两个质子，形成负二价的离子，同 正价的金属离子形成配合物。卟吩环的氮原子到空腔中心的距离是o 2 衄，这个数值与 过渡金属原子和氮原子的共价半径之和恰好相匹配，因此卟啉和酞箐阴离子对过渡金属 离子有很强的配位能力 2 0 l 。酞箐类化合物是人工合成的一类自然界中不存在的分子受体 化合物，更多地被应用于生产中，且伴随着人们对这一类化合物认识的逐渐深入，它们 被越来越多地应用于高科技领域。可是预测，在未来的发展中，卟啉和酞箐将会在许多 领域被广泛应用。 5 第一部分绪论 1 1 2 3 环肽 环肽是自然界广泛存在的一种生物环状分子，虽然已报道的环肽大多数来自于海洋 中的节肢动物以及海绵状等低等生物，但实际上环肽和类环肽也广泛存在于真菌、微生 物、高等植物和藻类中，并在生物体的生命活动中扮演着十分重要的角色。正是基于其 诸多生物学功能，环肽类化合物引起了药物学家、化学家和生物学家的广泛关注，其研 究正方兴未艾。因为一些环肽化合物具有识别离子并辅助其通过人工液膜体系或天然膜 的功能，所以对环肽在离子识别以及分子自组装方面的研究也在近年来取得很大的进 展。 1 2 环蕃化学概论 1 2 1 环蕃的研究与发展概况 环蕃作为超分子化学体系中能够充当主体分子的一类化合物，是最近二、三十年发 展起来的一个新的研究领域，发展时间虽然不长，但进展很快。自从1 9 5 1 年c 舳创立 c y c l o p h a n e 这个名称以来【2 l 】，化学家很快对环蕃化合物重视起来，使之成为发展迅速 且很具有挑战性的新的研究领域之一。环蕃最初的定义是桥联的苯环化合物，桥原子之 间常见的是单键和双键。桥的数目可以是2 个或3 6 个，桥联的苯环也可是2 个或3 6 个。 随着环蕃化学领域的研究进展，该类化合物除桥联苯环外，还出现了某些用杂环化合物、 杂原子如硫、氮、氧或含杂原子的基团取代桥联亚甲基而形成的杂环蕃。因为各种新类 型环蕃的不断出现，环蕃的内涵和外延均发生了很大的变化【2 l - 2 3 1 。目前所研究的环蕃化 合物一般具有以下特点：一是至少有一个独立的芳环体系；二是芳环体系通过桥联形成 环状结构。 在环蕃化学领域中，c r a m 和s t e i n b e r g 合成出的环蕃具有突破性意义 2 4 1 。成环对于 环蕃的合成具有决定性意义【2 5 2 8 】，许多试剂包括一些金属都被用在成环过程中来合成环 蕃 2 9 - j 5 ，各种试剂和反应条件已经被开发出来应用于环蕃的合成：联芳类环蕃通过s u z u k i 偶联合成【3 6 1 ，钯催化条件下酯取代的三( 四硫富瓦烯) 十二氢【1 8 】环烯和三个4 ，5 二乙炔 基t r f 三聚环合成环【3 7 1 ，分子内频哪醇在钐催化下发生偶联反应用于平面和手性环蕃的 合成【3 8 】，二炔在有钴参与下环合得到大环吡啶环蕃1 3 9 1 ，一种比较直接的合成丙二烯环蕃 的方法是钌催化的金属复分解闭环【删。近些年来，科学家已经把微波技术用在带正电荷 的环蕃的合成中【4 1 1 。 6 西北大学硕士毕业论文 环蕃的结构多种多样，根据分子内空腔的大小可以将其分为大环环蕃和小环环蕃两 大类。在小环环蕃中，由于张力的存在，导致体系中芳环变形，所以其物理、化学性质 与一般的芳烃相比表现出许多特异性，跨环电子效应是其最大的特征，此特征使小环环 蕃很有可能发展成为新型的有机导体。大环环蕃结构中有比较大的分子内空腔，可以和 外来离子或分子形成包结络合物，从而使大环环蕃具有了酶的一些性质。由于大环环蕃 能更好地发挥疏水作用、氢键、静电作用、阳离子讯的协同效应，所以极有可能成为更 好的主体分子。环蕃化合物与客体分子形成的络合物在药物合成、化学分析、催化剂等 诸多领域中都有非常广泛的用途，因此环蕃化学广泛地引起了有机化学家的重视，成为 发展迅速的领域之一【4 2 。5 1 。 1 2 2 环蕃化合物的合成方法 目前合成环蕃的一个方向是对环蕃的骨架结构实施改变，包括桥联亚甲基被杂原子 或含杂原子的基团替代，或苯环被某些杂环化合物代替所形成的杂环环蕃。杂原子的引 入可以改变环蕃的键合性能及结构从而适合不同的底物要求。下面将讨论几种常用的环 蕃化合物的合成方法团】。 1 2 2 1h o f i z l a r m 消除法 h o f i n a r m 类型的1 ，6 一消除反应广泛用于各种环蕃化合物的合成，但是产率比较低。 如果改变反应条件，如改变溶剂或浓度等，则可以使产率提高。 h 3 c h 3 c h z n ( c h 3 ) 3 吩噻嗪 。汀 ； 这种季铵碱的热消除反应，对于合成多层环蕃化合物特别有用闱。这种h o f h l 锄类 型的1 ，6 一消除反应也可用来合成含有芳杂环以及稠环的环蕃化合物。用这种方法合成 【2 2 】( 2 ，5 ) 呋哺环蕃的产率可以达到7 3 。 y 冷至警一【尽卜 7 第一部分绪论 又如下面的合成反应【4 7 】： 1 2 2 2 转变为 如【2 2 】 史真课题组曾对这一方法进行改进，使得合成【2 2 】( 1 ，4 ) c p 脱硫反应的产率提高到 8 6 4 9 1 。 这一方法也可以用来合成桥联的硫杂环蕃： f h + 二硫杂环蕃脱硫的方法有很多，主要是利用s t e v e n s 重排、w i t t i g 重排以及氧化法、 苯炔法等方法。 1 2 2 3w u r t z 合成法 w u r t z 偶合反应是用于制备环蕃化合物最早的方法。二卤代烃和金属钠一起反应， 可以得到环化的产物。如c r a m t 5 伽等合成的 2 2 1 0 ，4 ) c p 和a n t i - 2 2 】( 1 ，3 ) c p ： 8 竺叫 c cc 一蛰一 西北大学硕t 毕业论文 反应除生成反式产物外，也有顺式产物，但是产率一般较低。 这种方法得到的产物除大小不同的环状产物外，还可能有链状产物，控制反应条件 可以使环化产物的产率提高。 1 2 2 4d i e l s - a l d e r 法 h o p t l 5 2 1 发现1 ，2 ，4 ，5 己四烯和取代乙炔反应得到取代的 2 2 】( 1 ，4 ) 环蕃。实际上首先发 生了d i e l s a l d e r 反应，然后中间体二聚得到取代的环蕃化合物，产率为4 0 左右。 rr i i i r r 这一合成方法为多桥联环蕃化合物的合成提供了一条重要的途径。 1 2 2 5 乙炔偶合法 乙炔基在醋酸铜的作用下氧化偶合可以用来制备环蕃化合物，反应条件温和。使用 吡啶作溶剂，环化反应不需要高度稀释，产率可达6 0 以上【5 1 】。 9 厂=o _ 专 黾o o 兰o 、= = ，o h 2h 2 h 2 h 2 c c - c c h 交h 2 一h 2 , p d c 三粕 u c ，c a 一三 ，&。 第一部分绪论 1 2 3 四氮杂环蕃化合物的酶模拟及其合成 众所周知酶催化反应具有专一性和高效性，这是因为酶不仅具有疏水性空腔，同时 还通过多点与底物分子接触来实现对底物分子的多重识别和多部位包结。通过静电力、 范德华力、疏水键及氢键等作用酶与底物分子结合形成络合物，这种络合物的形成，使 酶和底物在张力和构象等方面发生了变化。这些均是酶催化反应高效的原因。 作为环蕃及主客体化学中的一类重要化合物，四氮杂环蕃结构上是由氮杂碳桥将芳 环连起来的环状化合物，分子内具有疏水性质的空腔，且空腔上的芳环是侧立的，具有 一定的深度。四氮杂环蕃利用它本身具有的疏水性空腔，根据其形状、尺寸及静电作用 等俘获不同的有机分子形成主客体包结物。通过改变氮杂环蕃化合物的形状或引入活 性基团来改善它们的水溶性，以便构成不同的具有协同包结和多重识别功能的活性中 心，与客体形成超分子体系，从而实现其模拟酶功能和分子识别功能。 r o o s 和s t e t t e r 在1 9 5 5 年首先发现了大环环蕃的包结现象，并报道了左面的化合物： h n c h 2 ) a - - n h当n = 2 时环比较小，它不能形成类似的络 一夕 飞汐合物5 2 1 ，当n = 3 和n = 4 时能与苯或二氧六环形 厂一_ - - - c l 詈x x _ y = o ：, n y ：h n h n4 x ：y n m e 一各凡 n弋n c 第一部分绪论 并且合成的杂环环蕃化合物也比较容易进行进一步的功能化衍生与修饰，从而构筑 出结构更为多样化的功能性主体分子。 综合大量文献后我们发现虽然前人在大环化合物领域做了许多工作，但是仍然有很 多方面值得我们去探索和研究，尤其是在比较大的四氮杂环蕃的合成方法探索及其应用 探索方面。鉴于本实验室课题组成员在环蕃化合物方面已经做出了一定的成绩，同时有 许多待做的工作并未展开，在导师的带领、指导和大力支持下，确定研究课题为合成新 型的大环环蕃系列化合物并培养其单晶，以便更深入地了解其结构特征，同时对它们的 应用进行一些有意义的探索。 1 2 西北大学硕士毕业论文 参考文献 1 】p e d e r s e nc j c y c l i cp o l y e t h c r sa n dt h e i rc o m p l e x e sw i t hm e t a ls a l t s j j o u r n a lo ft h e a m e r i c a nc h e m i c a ls o c i e t y , 1 9 6 7 ，8 9 ( 1 0 ) ：2 4 9 5 - 2 4 9 6 【2 】p e d e r s e nc j c r y s t a l l i n es a l tc o m p l e x e so fm a c r o c y c l i cp o l y e t h e r s j j o u r n a lo ft h e a m e r i c a nc h e m i c a ls o c i e t y 1 9 7 0 ，9 2 ( 2 ) ：3 8 6 3 9 1 【3 】p e d e r s e nc j n e wm a c r o c y c l i ep o l y e t h r e s j j o u r n a lo f t h ea m e r i c a nc h e m i c a ls o c i e t y 1 9 7 0 ，9 2 ( 2 ) ：3 9 1 3 9 4 4 】刘育，尤长城，张衡益超分子化学一合成受体的分子识别和组装【m 】天津：南开大 学出版，2 0 0 1 【5 】p e d e r s e nc j c r y s t a l l i n ec o m p l e x e so fm a c r o c y c l i cp o l y e t h e r sw i t ht h i o u r e aa n dr e l a t e d c o m p o u n d s j j o u r n a lo f o r g a n i cc h e m i s t r y , 1 9 7 1 ，3 6 ( 1 2 ) ：1 6 9 0 - 1 6 9 3 【6 】p e d e r s e nc j m a c r o c y c l i cp o l y e t h e r sf o rc o m p l e x i n gm e t a l s j a l d r i c h i m i c aa c t a , 19 7 1 ， 4 ( 1 ) ，l _ 4 【7 】p e d c r s e nc j m a c r o c y c l i cp o l y e t h e rs u l f i d e s j j o u m a lo fo r g a n i cc h e m i s t r y , 19 71 ， 3 6 ( 2 ) ，2 5 4 2 5 7 8 】李卫平，刘秀芳，徐汉生硒杂冠醚研究进展 j 】化学通报1 9 9 5 ，( 7 ) ：7 1 4 【9 】王永健，张政朴，何炳林环糊精聚合物的高分子效应川化学进展，2 0 0 0 ，1 2 ( 3 ) ： 3 1 8 3 2 4 【1 0 v 6 9 l ef 超分子化学 m 】张希，林志宏，高倩吉林：吉林大学出版社，1 9 9 5 【11 b a e y e ra o nt h ea c t i o no fn i t r i c a c i do nd i n e t h y l a n i l i n ea n dn i t r o s o p h e n 0 1 i i 阴 b e r i c h t ed e rd e u t s c h e nc h e m i s c h e ng e s e l l s c h a f t