（有机化学专业论文）杯芳烃衍生物的合成研究.pdf

顾 j 学眩论之 摘要 杯芳烃是由苯酚单元与甲醛缩合而成的大环化合物，具有空腔可调节、构象 可变化、结构易修饰和合成较方便等优点，被认为是继冠醚、环糊精之后的第三 代主体化合物。 杯芳烃与树枝状大分子是超分子化学中两类极为重要的主体分子，将这两种 主体分子结合在一起所得到的含有杯芳烃的树枝状大分子，不仅能够将两者的优 点集中到一个分子之中，同时还有可能产生一些新颖的性能，成为新型的智能材 料、分子器件或是纳米材料。 十年前，一种新型的由硫原子取代杯芳烃中桥联亚甲基的硫杂杯 4 】芳烃作为 新型杯芳烃主体分子，成为超分子化学研究新热点受到广泛关注，与传统杯芳烃 相比，桥联硫原子的存在使硫杂杯芳烃具有一些优异的特征，例如更好的络合能 力，易于化学修饰，不同的空腔结构和立体构型等。在近十年中硫杂杯芳烃的化 学研究取得了非常丰富的研究成果。 本论文开展了以亚甲基杯芳烃为重复单元合成树枝状分子和以硫杂杯芳烃的 为主体进行化学结构修饰合成含有硫醚功能基的分子的研究。以期在分子识别、 多重识别以及自组装方面有有特异的性质，本文主要成果如下： 1 通过w i l l i a m s o n 成醚反应对叔丁基亚甲基杯芳烃的下沿结构进行了修饰；通 过s o n o g a s h i r a 偶联合成“y ”、“x ”型芳炔内核，并通过s o n o g a s h i r a 偶联反应高产率 的合成了“y ”、“x ”型树枝状目标分子。并对合成过程的一些重要反应进行研究。 2 通过一步法合成了对叔丁基硫杂杯芳烃，随后以硫杂杯芳烃母体进行结构 修饰，先后通过f r i e d e l c r a f t s 的逆反应、n b s 溴化、w i l l i a m s o n 成醚反应以及 s o n o g a s h i r a 偶联反应成功的合成出了具有硫醚功能基的硫杂杯芳烃衍生物。 一些中间化合物和所有的目标分子的结构经过1 hn m r 、cn m r 、及m s 表 征得到了确认。 关键词：杯芳烃；硫杂杯芳烃；树枝状分子；s o n o g a s h i r a 反应； i i 抓芳缝j 生物仑伐研，： a b s t r a c t c a l i x a r e n ei so n ek i n do fm a c r o c y c l i cc o m p o u n d sd e r i v e df r o mt h ec o n d e n s a t i o n o fp h e n o lw i t ha l d e h y d e w i t he a s eo fs y t h e s i s ，m u c hm o r ef u n c t i o n a l i t y p e r s i s t e n t s h a p ea n ds i z ea sw e l la se a s i l yc h e m i c a lm o d i f i c a t i o nc a l i x a r e n e sa r en a m e da st h e t h i r dg e n e r a t i o ns u p e r a m o l e c u l a rh o s t e r sa n dh a v eb e e nu s e da st h ep l a t f o r m sf o rs o m a n yt y p e so fc h e m i c a lr e s e a r c h e s c a l i x a r e n e sa n dd e n d r i m e r sa r et w ot y p e so ft h em o s ti m p o r t a n th o s tm o l e c u l e s i ns u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y t h el i n kb e t w e e nc a li x a r e n ea n dd e n d r i m e rh a sl o n g b e e nr e g a r d e da so n eo ft h em o s ta m b i t i o u st a r g e t si nt h i sf i e l d c a l i x a r e n e b a s e d d e n d r i m e r sh a v es o m ep r o m i s i n ga d v a n t a g e sa n dn o v e lp r o p e r t i e sd u et ot h e i ru n i q u e s t r u c t u r e sc o n s i s t i n go fb o t hc a l i x a r e n ea n dd e n d r i m e r t h e yc a nb ep o t e n t i a l l y a p p l i e dt om a n yf a s c i n a t i n ga r e a ss u c ha ss m a r tm a t e r i a l s ，m o l e c u l a rd e v i c e s a n dn a n o m a t e r i a l s f o r m19 9 7t h i a c a l i x a r e n ei nw h i c hm e t h y l e n eb r i d g er e p l a c e db ys u l f u rb o n dh a s b e e n r e c o n g n i z e da n dq u i c k l yb e c o m e n e wi m p o r t a n tc l a s so fs y n t h e t i ch o s t m o l e c u l e sa n dh a v ev e r s a t i l ea p p l i c a t i o n si ns u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r ys u c h a s c o m p l e xe x t r a c t i o n ，m o l e c u l a rd e v i c e s ，m o l e c u l a rr e c o n g n i t i o n ，s e l f - a s s e m b l ya n d n a n o m a t e r i a l s t h ep r e s e n c eo fs u l f u ra t o m si np l a c eo ft h eu s u a lc h 2b r i d g e sm a k e s t h i a c a l i x 【4 】a r e n a sv e r yi n t e r e s t i n gm o l e c u l e s ，w i t hm a n yf e a t u r e st h a ta r en o tp r e s e n t i nt h ec h e m i s t r yo fc l a s s i c a lc a l i x a r e n e s i ti sn o wo b v i o u st h a tt h e s ec o m p o u n d s p o s s e ss o m ev e r yu n c o m m o nf e a t u r e s ，d i f f e r e n t c o n f o r m a t i o n a lp r e f e r e n c e s ，a n d s p e c i a lc o m p l e x a t i o np r o p e r t i e s ，a n dt h u sh a v em a n yp o t e n t i a la p p l i c a t i o n s i nt h i sp a p e rw es t u d i e dt h es y n t h e s i so fc a l i x a r e n e b a s e dd e n d r i m e r sa n du s e d t h i a c a l i x 4 】a r e n ea st h ep l a t f o r mf o rt h es y n t h e s i so fa r y l t h i o e t h e r w eh o p e di tc o u l d h a v es o m en o v e lp r o p e r t i e si nm o l e c u l a rr e c o g n i t i o n 、 m u l t i p l er e c o g n i t i o n a n d s e l f - a s s e m b l y t h es y n t h e s i sr e s u l to f t h i sp a p e ra sf o l l o w s ： 1 w eu s e dt h ew i l l i a m s o nr e a c t i o nt oc h a n g et h el o w e rr i mo ft h ec a l i x a r e n e ， t h e nu s e dt h es o n o g a s h i r ar e a c t i o nt os y n t h e s i st h es h a p eo f “y ”、x a r y l a c e t y l e n e c o r e a tl a s tw eg o tt h ed e n d r i m e r sm o l e c u l a ru s e ds o n o g a s h i r ar e a c t i o ni nh i g hy i e l d w eh a da l s os t u d i e dt h ep r o c e s so fs o m ei m p o r t a n tr e a c t i o n si nt h es y n t h e s i s 。 2 w eu s e do n es t e pr e a c t i o nt os y n t h e s i so ft h i a c a l i x a r e n e ，t h e nu s e di ta st h e p l a t f o r mf o rt h es y n t h e s i so fa r y l t h i o e t h e r c o m p o u n dw eh a db e e nu s e df r i e d e l c r a f t s c o m p o u n d f o rt h es y n t h e s i so ft h et i t l e r e a c t i o n 、n b sb r o m i d e 、w i l l i a m s o na n d s o n o g a s h i r ac o u p li n gr e a c t i o n 硕1 学f t 论文 t h es t r u c t a r eo fs o m ei n t e r m e d i a t e sa n da l lt a r g e tc o m p o u n d ss y n t h e s i z e di nt h i s p a p e rw e r ec h a r a c t e r i z e db yl hn m r ，1 3 cn m r ，a n dm s k e yw o r d s ：c a l i x a r e n e ；t h i a c a i i x a r e n e ；d e n d r i m e r s ；s o n o g a s h i r ar e a c t i o n ； i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：谢i 乡明 日期：w 咿年月乙e t 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，同意学校保 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。 本人授权湖南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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名：砀睁讫同 别磁孙戡拇l ，义、io 一一 日期：力唧年乡月争日 e t 期：2 伊夕年多月乡日 硕l j 学位论艾 第1 章绪论 1 1 杯芳烃的产生及其发展 杯芳烃起源于上世纪5 0 年代，1 9 4 2 年，奥地利化学家z i n k e 在前人工作的基 础上设想，如果将底物苯酚改为对位取代的苯酚，便可使原来交联状的树脂变为 线型的树脂塑料。他研究了对叔丁基苯酚与甲醛水溶液在氢氧化钠存在下的反应， 发现产物不是他预期的线型酚醛树脂，而是一个高熔点的晶状化合物，经鉴定为 环状的四聚体( 如图1 1 ) ，这是杯芳烃发现的渊源。 图1 1 杯 4 】芳烃 5 0 一6 0 年代，h a y e r 、h u n t e r 及k r a m m e r e r 先后做了大量详细的研究，表明可以 设计和合成一些具有不对称取代基的杯芳烃；随后英国著名化学家、诺贝尔奖获得 者c o m f o r t h 【l l 也参与这类化合物的研究，但始终未引起科学界的广泛的兴趣。直 至1 j 7 0 年代后期，随着对环糊精、冠醚等大环化合物的深入研究，杯芳烃引起了美 国化学家g u t s c h e 2 1 极大的兴趣，他在该领域作了大量卓有成效的工作，提出并优 化了“一步法”合成杯芳烃的方法，大大提高了杯芳烃的收率；同时在杯芳烃的修饰 方面进行了许多工作，指出该类化合物具有大小可调的空腔，应是一类具有广泛 适应性的模拟酶。至此，杯芳烃类化合物的合成及性能研究才逐渐引起人们的普 遍关注。 自七十年代后期以来，杯芳烃化学取得了蓬勃发展。各种各样的杯芳烃衍生 物如下缘或上缘取代的杯芳烃，桥联杯芳烃如杯芳烃冠醚，杯芳烃穴醚，杯芳烃 球瑗，双杯芳烃，三杯芳烃，基于杯芳烃的树枝状分子，水溶性杯芳烃，杯芳烃 聚合物等以及它们在分子识别和超分子化学领域的应用均已报道【3 4 。 目前杯芳烃研究领域中一个新的方向是对杯芳烃的骨架实施改变，包括用某 些杂环化合物代替苯环而形成的杯杂芳烃( 如图1 2 中所示的杯毗咯) ，或用杂原子 s ，n ，p 或含杂原子的基团代替桥联亚甲基而形成的杂杯芳烃( 如图1 2 中所示的硫 杂杯芳烃) 这为杯芳烃及其衍生物的研究和应用开辟了更广阔的道路，使得杯芳 烃在有机化学、无机化学、分析化学、生物化学、物理化学和材料化学以及这些 学科的交叉领域都显示了其作为超分子( s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y ) 中一类优良受 体化合物的特殊价值【5 1 。 杯芳烃衍生物的合成研究 1 2 杯芳烃简介 b u t 图1 2 含杂原子骨架的杯芳烃 1 2 1 杯芳烃的命名 杯芳烃的命名系统较复杂。通常在“杯”( c a l i x ) 和“芳烃”( a r e n e ) 插入“【n 】，来区 分环腔大小不同的杯芳烃，其中【n 】代表环状低聚物中苯酚单元数目，如杯【4 】芳烃 ( c a l i x 4 a r e n e ) 。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。对叔丁基杯 4 】芳烃的系统命名为“5 ，1 l ，l7 ，2 3 四叔 丁基一2 5 ，2 6 ，2 7 ，2 8 一四羟基杯【4 】芳烃”( 见图1 3 ) 。由于该命名方法较为复杂，一般较 少采用。通常情况下将杯芳烃带羟基的一端称为下缘，苯环对位称为上缘，命名 时把上端取代基放在前，然后是下端取代基，最后是杯芳烃主体词。 r r k 图1 3 ，l l ，1 7 ，2 3 - 1 匹1 叔丁基一2 5 ，2 6 ，2 7 ，2 8 - 四羟基杯 4 芳烃 1 2 2 杯芳烃的结构特征 与其他受体分子冠醚、环糊精相比，杯芳烃具有如下突出特点： ( 1 ) 具有由亚甲基相连的苯环所构成的大小可调的疏水空腔，目前已合成 4 - - 2 0 苯酚单元所构成的不同空腔尺寸的杯芳烃。 ( 2 ) 具有可利用各种芳香族取代反应进行化学修饰的苯环及亚甲基。 ( 3 ) 下沿具有易于导入官能团或可以用于催化反应的酚羟基，使得杯芳烃的 反应点特别丰富，不仅杯芳烃的上、下沿及连接苯环的亚甲基可以衍生化，引入 一 啦 硕士学位论文 烷基胺【9 1 、磺酸基【10 1 、酰基【1 、酯基【1 2 1 等得到杯芳烃的胺代物、酮、酯、杯芳烃 醚以及亚甲基被取代的氧、硫杂环杯芳烃等不同衍生物【l3 1 。且可通过化学修饰引 进各种能够对特定的基团作分子识别的作用位点，因而能合成多种受体，实现分 子识别，可作为理想的构筑组装分子器件的平台。 目前杯芳烃化学研究方向之一是对杯芳烃进行化学修饰：上、下沿引入官能团 或分子内、分子间桥联，从而获得含两个以上有识别客体分子能力的化合物。例 如，通过构成冠醚环的链状分子单元进行桥联的化合物对金属离子识别能力较强， 这类化合物被称之为杯冠化合物( c a l i x c r o w n ) 。桥联的单元为多甘醇醚链的称为杯 芳氧杂冠醚( c a l i x c r o w n e t h e r ) ，桥联单元含氮的称为氮杂杯芳冠醚 ( c a li x ( a z a ) e r o w n ) 。 不过虽然杯芳烃的上沿和下沿均可较为便利地引入不同的功能取代基，但杯 芳烃是一个多反应点和构象不稳定的化合物，这就面临是全部衍生化还是部分衍 生化，区域选择性以及控制构象等问题。还需要指出的是，取代基结构的微小变 化可能需要截然不同的反应条件，而反应条件的微小变化也可能导致产物的复杂 化甚至无法反应。因此优化反应条件，将有特殊结构的取代基选择性地结合到杯 芳烃边缘，对设计杯芳烃主体化合物是一项艰巨而富有挑战性的工作。目前人们 的主要工作都集中在合成结构新颖的功能化杯芳烃的衍生物方面，并对杯芳烃主 体分子的应用做了大量的探究。 ( 4 ) 其构象可以发生变化，而通过引入适当的取代基，也可以固定其构象， 因而对于分子识别和模拟酶具有重要意义。 从分子性能上看，杯芳烃下沿的羟基通过氢键作用紧密而有规律地排列着， 能作为作用点识别和结合阳离子；上沿由苯环组成的富电子憎水空腔，能包合中性 小分子；因此杯芳烃既可作为离子载体又可作为中性分子受体，是集冠醚( 底物大 多为离子或离子型化合物) 及环糊精( 底物大多是非离子型化合物) 两类受体特点 于一身的新型受体，其分子识别能力与冠醚和环糊精相比具有明显的优越性。 由于具有上述结构特点，故杯芳烃能在疏水、氢键、兀兀、偶极偶极等超分 子作用的基础上识别和包结离子和中性分子客体，实现其配位、催化和能量转换 等特殊功能，其客体的广泛性远非冠醚和环糊精所及，被冠于“第三代主体分子” 之称，杯芳烃己在催化、萃取、分子开关、离子选择性电极、模拟酶、分离材料 等多领域的研究和应用中均显示出其作为新一代超分子受体化合物的重要作用 1 2 3 杯芳烃的构象 具有多种构象异构体是杯芳烃最具特色的性质之一，它是苯酚单元和与之相 邻的亚甲基之间的。键( a r c h 2 a r ) 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 杯芳烃衍生物的合成研究 分子具有所谓“预组织( p r c o r g a n 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( 见图1 4 ) ：杯( 锥) 式( c o n e ) ，部分杯( 锥) 式 ( p a r t i a l c o n e ) ，l ，2 一交替式( 1 ，2 a l t e r n a t e ) 和l ，3 - 交替式( 1 ，3 一a l t e r n a t e ) ，它们的核 磁共振谱图可见有关文献【14 1 。 锥式构象( c o n e )部分锥式( p a r t i a lc o n e )1 , 2 一交替( 1 ，2 - a l t e r n a t e )1 , 3 一交替( 1 ，3 一a l t e m a t e ) 图1 4 对叔丁基杯 4 芳烃的四种构象示意图 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【15 1 ，杯【6 】芳烃在低温时采取锥型或翼锥型构象1 6 】，杯 8 芳烃在低温时采取折 叠环构象【1 7 】，在下沿引入较大的基团难以固定杯 6 】、【8 】芳烃这类大环杯芳烃的 构象，只能采取上沿或下沿进行桥联的方法。 1 2 4 杯芳烃的合成和制备 自从7 0 年代杯芳烃被以较好的产率合成出来以后，杯芳烃的合成有了很大的 发展，各种杯芳烃及其衍生物相继被合成出来。现有的文献报道，杯芳烃的合成 方法主要有一步法、逐步法和片段缩合法三种。 1 2 4 1 一步合成法 o h n h 2 c 2 0 图1 5 一步法合成杯芳烃 一步合成法是在z i n k e 等的最早合成方法的基础上，几经改进而成，特别是 g u t s c h e 1 8 】等对它进行了细致的工作，使得杯 4 】、杯【6 】、杯【8 】芳烃目前成为实验 室中易得的原料，对杯芳烃研究工作的蓬勃发展做出了很大的贡献。一步法主要 是某些对位取代苯酚( 特别是对叔丁基苯酚) ，通过改变与甲醛的反应条件，可有 选择的获得上述三种杯芳烃。合成反应可以简单表示( 见图1 5 ) 。 带有奇数苯酚单元的杯 5 】芳烃【19 1 、杯【7 芳烃【2 0 1 、杯 9 】芳烃【2 ，甚至更大的 洲审吖 硕 ：学位论文 杯芳烃，也可以通过对叔丁基苯酚直接缩合而得，但产率相当低。 1 2 4 2 逐步合成法 一步法合成杯芳烃必须对位取代基相同，逐步法则不受这种限制。逐步法是 以片段进行缩合的方法，适应性较广，从理论上讲可以通过调节环的大小来得到 不同孔穴的主体分子，合成出具有各种取代基的和不同大小环腔的杯芳烃分子 h a y e s 和h u n t e r 首次用逐步法合成了杯芳烃【2 2 1 ，随后k a m m e r e r 和h a p p e l 对此方 法进行了优化，该方法虽然弥补了一步法合成的对位单一化，但由于步骤过于复 杂，产率很低，因此没有得到广泛应用。 1 2 4 2 片段缩合法 片段缩合法又叫会聚法，片段缩合法具有逐步法的灵活性，也克服了其步骤 多的缺点，但是环化缩合产率不高，主要是用于合成一些具有特殊结构的杯芳烃。 它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 ，【2 3 2 6 1 ，“2 + 2 ，【27 1 ，c 2 x l + 2 x l ，【2 8 1 等几种方法。b 6 h m e r 采用“3 + 1 和 “2 + 2 ”的方法合成了杯 4 】芳烃( 见图1 6 ) 图1 6 “3 + 1 ”片段缩合合成杯【4 芳烃 近年来，几乎所有片段缩合反应都是在t i c l 4 二氧六环体系中进行， “3 + 1 ”“2 + 2 ”及“4 1 ”的产率都很相近，都不超过2 0 ，所以目前改进逐步法的主要 任务是提高关环反应的产率。 1 3 含有杯芳烃的树枝状分子简介 在自然界中，树木为了能够获取更多的阳光，占据更大的生存空间，采取了 不断生出分枝的方法，这使得它们可以用较少的枝条长出枝繁叶茂的树冠。在化 学世界中，也存在着一类具有类似结构，通过多官能团单体顺序相连而形成的多 分支化合物，它们被形象地命名为“树枝状分子”，它的英文名称d e n d r i m e r ，正 是来源于希腊语中的树枝( d e n d r o s ) - - 词。 杯芳烃衍生物的合成研究 l9 7 8 年，v 6 9 t l e 等【2 9 】利用一种迭代合成方法制备了一个具有多分支结构的胺 类化合物，打开了通向树枝状分子的大门。随后在19 8 5 年，世界上第一个真正意 义上的树枝状分子由t o m a l i a 合成得到【3 刚。在经过了几年相对平静的发展时期之 后，这类分子所具有的独特性能逐渐被发现，如：接近球状的分子构型、单一的 分子量、均一的分子结构、极高的表面基团密度和纳米范围的分子尺度等。从2 0 世纪9 0 年代起，它开始受到越来越多地关注，逐渐成为了化学中的一个热点，并 且得到了迅速地发展，在药学、催化等方面得到了一些应用。 一个典型的树枝状分子通常包括内核、重复单元与外缘三个部分，它们可以 通过多官能团单体分子由核心到外缘( 发散法) 或由外缘到核心( 收敛法) 逐步合成 得到。 为了能够方便而快速地得到一个树枝状大分子，它的核心基团需要具有较多 的官能团以及稳定的构象；用来构筑重复单元的单体分子则需要拥有至少两种以 上、数目多于三个的官能团以及较为便利的保护、脱保护方法；而外缘分子则需 要具有一定的功能性或者易于进行功能化衍生。 杯芳烃及其衍生物便是一种构筑树枝状大分子的理想材料。作为一个“经典” 的超分子主体化合物，杯芳烃的化学已经研究得相当透彻。具有容易大量合成、 易于衍生化、构象稳定和包含可以识别各种客体的空腔等许多独特的特点，也正 是由于这些原因，它一直受到超分子化学工作者的青睐，而有关它的研究也得到 了长足的发展。 杯芳烃的上端和下端都很容易进行衍生化，生成多官能团的化合物，因此适 合作为树枝状分子的重复单元。但是另一方面由于杯芳烃的体积较大，用它作为 重复单元构建树枝状分子势必会产生较大的空间效应，这会严重影响树枝状分子 的产率和所能形成的代数，同时所生成的树枝状分子由于分子量较大，在结构鉴 定方面也会产生一些困难。不过，由于这类分子中集中了多个具有相同或者不同 功能的基团，在功能材料方面具有潜在的应用价值，因此得到了相当多的关注。 第一个以杯芳烃为重复单元的树枝状大分子出现在1 9 9 5 年，s h i n k a i 等 3 h 利用 4 条己烷链将一个锥形构象杯芳烃与4 个三丙醚化的杯芳烃通过下端相连，得到了 一个含有5 个杯芳烃单元的树枝状分子1 。这个分子所采用的构建方法是最直接、 最简便的方法，但是却也阻碍了它继续衍生为更高代的树枝状大分子，同时由于 核心基团为锥形构象，各个分支都集中在核心基团的一侧，它们之间的空间位阻 效应妨碍分子的构建，使得产率不高。比如采用带有叔丁基的核心基团时，产率 只有7 。不过这个分子却开创了树枝状大分子的一个新的领域。 硕i ：学位论文 r = t - b u h l b 6 h m e r 等【3 2 1 则利用上端衍生化的杯芳烃作为重复单元，以均苯三酸为核心， 构建了树枝状分子2 。2 为这类树枝状分子的合成提供了一个简便易行的模板。19 9 9 年，b u d k a 等【3 3 1 利用实验中偶然得到的一个上端单羟基取代下端全丙醚化的杯芳 烃为原料，与三溴甲基苯反应，以5 0 左右的产率得到了树枝状分子3 。 2 杯芳烃衍生物的合成研究 r = n = o 3 4 w a n g 等【3 4 】通过另外一种途径合成出了两个具有类似结构的树枝状大分子。他 们用上端含有乙炔酮的杯 4 ，5 】芳烃为原料，通过三分子热环化反应将炔基转化为 苯环，然后利用硼烷将连接苯环与杯芳烃的羰基还原为亚甲基，最终得到了4 。其 中包括第一个以杯【5 】芳烃为重复单元的树枝状大分子。他们利用核磁滴定在 c d c l 3 c d 3 c n ( 5 ：1 ) 溶液中测试了它们对3 种不同形状以及尺寸的客体分子：n ， n 二甲基乙二胺、三( 氨乙基) 胺以及c 6 0 的配位情况，发现其中以杯【5 】芳烃为 重复单元的树枝状分子对这3 种分子具有很好的配位能力，而且会因为客体的形状 硕i j 学位论文 不同采用不同的配位方式。 5 刘军民等3 5 】则利用上端氯甲基化的杯【4 】芳烃通过傅克烷基化反应与另p b 4 个杯芳烃相连，以1 4 的产率得到了一个树枝状分子5 。 1 4 硫杂杯芳烃的简介 1 4 1 硫杂杯芳烃历史起源 目前，杯芳烃的研究己趋于成熟，但对硫杂杯芳烃的研究目前还处于起步阶 段，但其发展非常迅速，受到关注。硫杂杯芳烃是将普通杯芳烃的桥联亚甲基改 换成硫原子而得到的一类新的大环分子受体。由于用桥联硫原子取代了桥联亚甲 基，使芳香大环结构的刚性、极性都发生了较大的变化，产生了许多不同于( 非硫 杂) 杯芳烃的受体特性，成为一类新型的受体分子化合物。1 9 9 1 年t y os o n e 等合 成出了对叔丁基硫杂杯芳烃，并通过核磁共振作了表征，这是首例成功合成硫杂 杯芳烃的报道，但是由于合成困难，产率低下( 4 1 ) ，阻碍了人们对硫杂杯芳烃 的进一步研究的广泛开展。直到1 9 9 7 年m i y a n o 等报道了一种新的简便的合成方 法，大大提高了产率，才为人们深入广泛地研究硫杂杯芳烃及其衍生物的性质和 应用打开了方便之门，目前这方面的工作已引起了国内外众多研究者的兴趣，但 毕竟起步不久，有关报道尚不多见。 杯芳烃衍生物的含成研究 1 4 2 硫杂杯芳烃的构象 杯芳烃及硫杂杯芳烃的构象对于其化学性质和功能是密切相关甚至是至关 重要的。对叔丁基硫杂杯【4 】芳烃与不含硫杂杯芳烃相似：有锥式、部分锥式、l ，2 一交替式和l ，3 - 交替式四种构象( 见图1 7 ) 。 锥式构象( c o n e )鄙分锥式( p a r t i a lc o n e )1 , 2 - 交替( 1 ，2 一a l t e r n a t e )1 , 3 一交瞀( 1 ，3 - a l t e r n a t e ) 图1 7 硫杂杯芳烃的四种构象 1 4 3 硫杂杯芳烃的合成 s o n e 等最早报道了在酸性条件下对叔丁基硫杂杯 4 】芳烃的合成，但产率较低 后来k u m a g a i 报道了对叔丁基硫杂杯【4 】芳烃的简易合成方法，硫杂杯芳烃及其衍 生物的研究才得以广泛地开展。该方法是在碱性条件下把对叔丁基苯酚与硫粉加 热到2 3 0 0 c ，反应4 h 来得到硫杂杯芳烃，产率为5 4 ，同时也得到少量的对叔丁 基硫杂杯 5 】芳烃和对叔丁基硫杂杯【6 】芳烃。若改用k o h 或c s o h 作催化剂，在 同样条件下反应，得到的产物是不同缩聚物的混合物，但对叔丁基硫杂杯 4 芳烃 的含量很少【3 6 】。k o n 用两步合成的方法得到了具有一定产率的对叔丁基硫杂杯【6 】 芳烃5 3 和对叔丁基硫杂杯【8 】芳烃4 3 ，它先合成以硫原子桥联的对叔丁基苯 酚二聚体，然后再与硫反应，并适当控制反应时间和温度，最后从反应产物中分 离得到对叔丁基硫杂杯 6 1 , 1 1 对叔丁基硫杂杯【8 】芳烃。在此合成法中由于对叔丁基 硫杂杯【4 】芳烃比对叔丁基硫杂杯 6 】和对叔丁基硫杂杯 8 】芳烃在热力学上更稳 定，因此经过长时间反应后，最终产物主要是对叔丁基硫杂杯【4 】芳烃，若要得到 对叔丁基硫杂杯【6 】和杯【8 】芳烃，就必须适当控制反应条件，然后从反应产物中分 离得到对叔丁基硫杂杯 6 】和杯【8 】芳烃【37 1 。另外，s o n e 等还报道了用硫原子分别 取代一个、两个和三个桥联亚甲基的杯【4 】芳烃类似物的合成方法p 引。 1 4 4 硫杂杯芳烃的化学修饰 对硫杂杯芳烃进行化学修饰，可得到各种硫杂杯芳烃衍生物。化学修饰的主 要途径有三类： ( 1 ) 对杯口上沿进行化学修饰，如用磺酸、硝酸或羧酸基取代苯环上的叔丁 硕。 ：学位论文 基，可使硫杂杯芳烃具有水溶性。 ( 2 ) 将桥联硫原子氧化至不同氧化态，比较典型的是其桥联的s 原子被氧化 为亚砜和砜【”，4 们，这种改性使得硫杂杯芳烃拥有一些新的性质，使其表现出对不 同金属离子的分子识别能力。对叔丁基杯【4 】芳烃对碱金属离子有特殊的分子识别 能力，酚羟基上的氧原子是杯芳烃识别碱金属离子的主要位点，而在对叔丁基硫 杂杯【4 】芳烃中，由于桥联硫原子上有一对孤对电子，可参与对金属离子的作用， 使硫杂杯【4 】芳烃对过渡金属离子有更强的分子识别能力。 ( 3 ) 对叔丁基硫杂杯【4 】芳烃中四个苯环所形成的空穴比对叔丁基杯 4 】芳烃 的要大，可以包合许多溶剂分子，例如它可以与m e o h 和c h c l 3 形成1 ：l 的包合 物【4 1 1 ，对硫杂杯芳烃下沿的酚羟基进行化学修饰，引入不同的官能团，可以调节 其下沿的空腔大小以改变其分子识别基团。下沿具有易于导入官能团或可以用于 催化反应的酚经基，使得硫杂杯芳烃的反应点特别丰富，且可通过化学修饰引进 各种能够对特定的基团作分子识别的作用位点，因而能合成多种受体，实现分子 识别，可作为理想的构筑组装分子器件的平台。 目前硫杂杯芳烃化学研究方向之一是对硫杂杯芳烃的下沿进行化学修饰，下 沿引入官能团或分子内、分子间桥联，从而获得含两个以上有识别客体分子能力 的化合物。例如，通过构成冠醚环的链状分子单元进行桥联的化合物对金属离子 识别能力较强，不过虽然硫杂杯芳烃的上沿和下沿均可较为便利地引入不同的功 能取代基，但硫杂杯芳烃是一个多反应点和构象不稳定的化合物，这就面临全部 衍生化还是部分衍生化，区域选择性以及控制构象等问题。还需要指出的是取代 基结构的微小变化可能需要截然不同的反应条件，而反应条件的微小变化也可能 导致产物的复杂化甚至无法反应。因此优化反应条件，将有特殊结构的取代基选 择性地结合到杯芳烃边缘，对设计杯芳烃主体化合物是一项艰巨而富有挑战性的 工作。目前人们的主要工作都集中在合成结构新颖的功能化硫杂杯芳烃的衍生物 方面，并对硫杂杯芳烃主体分子的应用做了大量的探究。 1 5 杯芳烃的应用 由于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、与金 属的配位性能、分子组装、水污染控制、相转移催化、酶模型催化反应、l b 膜、 有机染料稳定剂、粘合剂等领域中有着广泛的应用前景。 1 5 1 杯芳烃对客体分子的识别作用 杯芳烃实质上是一种特殊的坏番( m e t a c y c l o p h a n e ) ，具有结构灵活多变( 尤其 是构象变化) 、易于修饰等特点。在环的上缘( u p p e rr i m ) 和下缘( 1 0 w e rr i m ) 弓i 入适 杯芳烃衍生物的合成研究 当基团所得到的主体，能借助于氢键、静电作用、范德华力、疏水作用、阳离子7 c 作用及诱导楔合等非共价键协同作用来识别客体分子，从而实现配合、催化、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 杯坏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、阴离子形成配合物。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 良好的诱导楔合能力【4 2 1 。 1 5 1 1 有机中性分子和有机离子的识别 设计合成对中性分子具有识别性能的人工受体是生物有机化学中富于挑战性 课题。g u t s c h e 等几个研究组报道杯芳烃能识别多种有机小分子，并与其形成固 态或液态包结物。如对叔丁基杯 4 】能识别包结氯仿1 4 3 1 、苯、甲苯、二甲苯和茴香 醚等。同时众多的杯芳烃衍生物也能包结一些中性有机分子，如：( c h 3 ) 2 s 0 4 、 c h 3 c n 、( c h 3 c o o ) 2 、二醇类、糖类、二羧酸类、氨基酸等分子识别方式是以氢 键、c h 一7 c 作用、疏水作用为主要推动力，以孔穴大小、几何匹配作为选择性的主 要根据。同时杯芳烃上、下缘取代基的数目、种类的不同以及构象的变化对识别 亦有影响。杯芳烃主体也能识别较大的有机分子，与多种醌、二茂铁、甾体、氯 化血红素、核黄素、v b l 2 、c 6 0 及多种染料分子等均能形成稳定的配合物，显示 了很大的应用潜力。 1 5 1 2 对金属阳离子的识别 在杯芳烃上引入酰基、酰胺基、羧基等构成的人工受体对主族元素、镧系、 锕系以及过渡金属元素均能识别，与其形成稳定的配合物，并可显示独特的性能。 ( 1 ) 对主族元素的识别 杯芳烃及其衍生物对i a ，兀a 族阳离子具有选择性识别作用，亲和力和选择 性的规律可概括为：杯芳烃环空腔大小和离子大小的匹配性：杯芳烃不同构象对阳 离子的配位选择性；对位取代基不同对离子选择性的影响；杯芳烃下缘取代基的种 类和数目的影响，如研究表明，杯 4 】类化合物对n a + 显示最大选择性，而对l i + 迁移无效；杯 6 】类化合物对n a + 亲和力小于k + ，对r b + 、c s + 显示高的选择性。 ( 2 ) 对过渡金属离子的识别配位性能 近年来杯芳烃受体对过渡金属离子的配位识别引起特别的关注。l o e b e r 4 4 j 合 成了一类含磷的杯芳配体( c a l i x a r e n e p h o s p h a n e ) ，它具有特殊的配位催化性能， 对过渡金属离子有优良的识别能力，能与p t 、p b 、r u 等金属离子形成鳌合物， 在催化反应中具有对活性部位的特殊选择性。杯芳烃对碱金属、碱土金属及许多 过渡金属均表现出了良好的配位与超分子作用。杯芳烃作为一类新型的优良受体 正成为受体化学的又一里程碑，日益显示出其诱人的魅力，成为配位化学及超分 硕t ：学位论文 子化学中积极探索的热点之一。 ( 3 ) 对稀土离子的识别 杯芳烃羧酸、酯及酰胺类受体对稀土金属具有优良的选择性识别作用。杯芳 烃羧酸可用作稀土金属的选择性萃取剂，杯芳烃酰胺与l n 3 + 形成的配合物具有通 过能量传递实现光转换的功能。这类超分子体系可用作光化学分子器件，生物标 记和分子探针等。 ( 4 ) 对阴离子的识别 1 9 9 4 年r u d k v c h t 4 ”报道了一类杯芳烃萨罗汾双功能受体，其兼具对阴、阳 离子的结合部位，能选择性的识别n a + 和h 2 p o 。离子。这类受体可用于液膜输送 和分离碱金属磷酸盐。1 9 9 6 年b e e r 等【4 6 】报道了上沿修饰的双胺取代杯 4 】芳烃可 作为阴离子受体。 1 5 2 多穴和多重识别杯芳烃受体的分子识别 新近杯芳烃受体的识别作用从单部位识别发展到多部位或多重识别 ( m u l t i p l er e c o g n i t i o n ) ，并向不对称发展，新的受体类型层出不穷，识别引起的特 殊功能日益丰富。多重识别是分子识别的新兴领域，它比一般的单部位识别具有 更高的选择性及诱导适应能力。d e l a i g u e 等【4 7 】合成了一类新颖的多穴受体 ( m u l t i c a v i t a n d ) ，这类受体对苯、甲苯等多种有机分子具有选择性包结性能。选用 各种不同的取代基将杯芳烃通过上下缘键连，形成多种双杯芳烃和三杯芳烃受体， 对客体有很强的多重识别能力。杯芳烃与环糊精键连可构成具有不同疏水性质的 双部位受体。d i e n s t 48 】将p 一环糊精与杯【4 】芳烃上缘键连得到的主体，对荧光染料 a n s 和t n s 的结合性能大大增强。杯芳冠醚作为一类新型的主体，近年来日益 受到重视。近来报道的多种双杯冠( d o u b l e c a l i x 4 - c r o w n ) 、三杯冠醚 ( t r i p l e c a l i x 4 一c r o w n ) 及双冠醚- 杯芳烃( d o u b l e - c r o w n e dc a l i x a r e n e ) 多部位识别 受体【4 9 】对碱金属离子有优良的识别配位能力。杯芳烃与具有催化功能的基团如卟 啉【5 0 】键连构成的多重识别受体( 如杯 4 】芳烃卟啉) 具有独特的识别性能，并有望作 为仿酶模型化合物。卟啉环与n a + 配位，四个o c h 2 c o 基形成的孔穴能包结n a + ， 而由n h c ( c h 3 ) c o n h 构成的空腔特别适合于结合i + 离子。 1 5 3 分子组装 超分子化学的核心问题是组装过程以及组装体的研究。通过分子组装形成超 分子功能体系，是超分子化学的目标之一。分子识别是分子组装的基础。目前分 子组装一般是通过模板效应、自组装和自组织来实现的。 纳米粒子自组装在化学和生物传感器、生物医学诊断器、信息储存器和催化 剂等方面有着潜在的应用前景。在分子自组装研究中，掌握纳米粒子相互间空间 位置的控制能力，对于理解和设计功能型纳米粒子是有很大的挑战性。到目前为 止，用于控制纳米粒子之间空间性质的中间连接体很多，包括d n a s 、氨基酸、 多聚物、表面活性剂以及多齿型硫醚等。控制手段也包括很多自组装过程，如空 间交换反应，逐层自组装，交叉偶联和利用中间体模板自组装等。尽管如此，对 纳米粒子之间空间性质的理解还是很有限。例如，纳米粒子在自组装过程中，其 空间结构如何能够根据中间模板分子的大小、形状及键合性质来进行调整。这一 问题如果能得以解决，将会对纳米粒子自组装的适配性能产生很大的影响。所以 对这一课题的研究需要合成出一些特殊结构的中间体化合物，这些化合物在大小、 形状和键合性能方面都需要进行精心的设