（有机化学专业论文）新型三嗪环蕃及吡啶环蕃的合成研究.pdf

摘要 超分子化学是化学领域的一l - j 交叉学科，与材料科学、信息科学、生命科学等学科 紧密相关，处于当代化学前沿。具有新的形状和几何构型的人工大环化合物的设计、合 成与应用是有机化学和超分子化学的研究热点之一，在分子识别基础上形成主一客体配 合物是超分子体系的基本特征，冠醚、环糊精、杯芳烃、环蕃作为主客体化学最具有代 表性的主体化合物在基础研究和许多领域都取得了令人瞩目的成果。 环蕃作为一种重要的大环化合物，它的性质被化学家进行了广泛的研究。从结构看 它是将芳香环由亚甲基桥连起来的环状化合物，分子内具有空腔，该空腔上的芳环是侧 立的，具有一定的深度，并且具有疏水的性质。作为人工模拟酶，利用疏水性空腔，根 据环的形状、大小以及静电作用等的不同，可以俘获不同种类的有机分子，形成主一客 体包结物。目前环蕃研究领域的一个方向是对环蕃的骨架结构实施改变，包括用某些杂 环化合物例如吡啶、咪唑、苯并咪唑、三嗪、噻吩等代替苯环而形成的杂环环蕃，或用 杂原子s 、n 、o 或含杂原子的基团代替桥联亚甲基而形成的杂原子桥连环蕃，杂原子的 引入改变了环蕃的主体结构和键合性能，以适合不同的底物分子。 论文对三嗪环蕃和吡啶环蕃的合成进行了研究，在第一部分对超分子化学以及环蕃 化学进行了介绍，列举了各类杂环环蕃一吡啶环蕃、咪唑环着、吲哚环蕃、四硫富瓦烯 环蕃、三嗪环蕃、苯并三唑环蕃等的研究现状，并且介绍了环蕃的发展情况以及研究前 景；第二部分报道了几种杂原子三嗪环蕃的合成方法以及表征数据，利用“片段偶联合 成法 ，以简单易得的价廉原料、在温和的条件下高效和高产率地合成了几种杂原子桥 连的三嗪环蕃化合物；第三部分报道了一种含吡啶环的环蕃的合成方法，以间二甲苯为 原料合成了间二苯甲酸，间二苯甲酰氯，再与乙酰乙酸乙酯钠盐反应合成间苯二甲酰二 乙酰基乙酸乙酯，间苯二甲酰二乙酸乙酯，最后通过汉栖( h a n t z s c h ) 合成法合成了两种 新的吡啶环蕃。 关键词：超分子化学，三嗪环蕃，吡啶环蕃，合成，表征 a b s t r a c t s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r yi sac r o s ss u b j e c ti nc h e m i s t r y , w h i c hi sc o n t a c tw i t hm a t e r i a l s c i e n c e sa n di n f o r m a t i o ns c i e n c e s ，l i f es c i e n c e s i ti sa tt h ef o r e f r o n to fc o n t e m p o r a r y c h e m i s t r 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 ed e s i g n ，s y n t h e s i sa n d a p p l i c a t i o no fa r t i f i c i a lm a c r o c y c l i cc o m p o u n dw i t hn o v e ls h a p e sa n dg e o m e t r i e sh a v eb e e n c o n t i n u e dt ob eo fi n t e r e s t t h eb a s i cf e a t u r eo fs u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r yc o m e si n t ob e i n g t h eh o s t g u e s tc o m p l e xi nt h eb a s i so fm o l e c u l a rr e c o g n i t i o n a st h em o s tr e p r e s e n t a t i v e o b j e c t so fh o s tc o m p o u n d s ，c 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 sh a v e a c h i e v e dr e m a r k a b l er e s u l t si nt h em a i nb o d yo f b a s i cr e s e a r c ha n d m a n y a r e a s a sas o r to f i m p o r t a n tm a c r o c y c l i cc o m p o u n d ，t h ep r o p e r t i e so fc y c l o p h a n eh a v eb e e n r e s e a r c h e db yc h e m i s t se x t e n s i v e l y i ti sak i n do fc i r c u l a rc o m p o u n dc o n n e c t e d b ym e t h y l e n e b r i d g e da n da r o m a t i cr i n g t h e r ei sah o l ei nt h em o l e c u l ea n di nw h i c ht h ea r o m a t i cr i n gi s p l a c e ds i d e w a y , s ot h em o l e c u l ei sh y d r o p h o b i c a sa na r t i f i c i a l l ys i m u l a t e de n z y m e ， c y c l o p h a n ec a nc a p t u r ed i f f e r e n to r g a n i cm o l e c u l e st of o r mh o s t g u e s ti n c l u s i v ec o m p l e x a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n c e so ft h er i n gs h a p e ，s i z ea n de l e c t r o s t a t i ce f f e c t c u r r e n t l y , o n e d i r e c t i o no fc y c l o p h a n er e s e a r c ha r e a si s c h a n g i n gt h er i n gs k e l e t o no ft h ec y c l o p h a n e s t r u c t u r e ，i n c l u d i n gt h eu s eo fc e r t a i nh e t e r o c y c l i cc o m p o u n d ss u c ha sp y n d i n e ，i m i d a z o l e ， b e n z i m i d a z o l e ，t r i a z i n e ，t h i o p h e n ei n s t e a do fb e n z e n er i n ga n dw i t hh e t e r o a t o m ss ，n ，o i n s t e a do fm e t h y l e n e b r i d g e dt of o r mh e t e r o c y c l o p h a n e s t h ei n t r o d u c t i o no fh e t e r o a t o m c h a n g e dt h es t r u c t u r ea n dt h eb o n d i n gp e r f o r m a n c eo ft h ec y c l o p h a n e ，w h i c hc a nf i td i f f e r e n t s u b s t r a t em o l e c u l e s t h i st h e s i sd i dr e s e a r c ho nt h es y n t h e s i so ft r i a z i n e - b a s e dc y c l o p h a n ea n d p y r i d i n o p h a n e i np a r t 1 ，ab r i e fi n t r o d u c t i o no fs u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r ya n dc y c l o p h a n ec h e m i s t r y , t h e d e v e l o p m e n to fp y r i d i n o p h a n e ，m i d a z o l o p h a n e ，i n d o l o p h a n e ，t e t r a t h i a f u l v a l e n ec y c l o p h a n e ， b e n z o t r i a z o l o p h a n ea n dt r i a z i n e - b a s e dc y c l o p h a n eh a v eb e e n p r o v i d e da sw e l la sa p r e s e n t a t i o no fa c t u a l i t ya n dt h ef o r e g r o u n do ft h ec y c l o p h a n er e s e a r c h ；i np a r t2 ，s y n t h e t i c m e t h o d sa n dt h ec h a r a c t e r i z a t i o n so fs e v e r a ln o v e lt r i a z i n e - b a s e dc y c l o p h a n e sw e r e p r e s e n t e d b yaf r a g m e n tc o u p l i n ga p p r o a c h ，an u m b e ro fh e t e r oa t o m s - b r i d g e dt r i a z i n e - b a s e d c y c l o p h a n e sh a v eb e e ns y n t h e s i z e dt h r o u g hc h e a pl a wm a t e r i a l s ，a nu n u s u a l l yh i g hy i e l d i n g a n de f f i c i e n c yi ng e n t l ec o n d i t i o n ；i np a r t3 ，t h es y n t h e t i cm e t h o do fp y f i d i n o p h a n ew a s r e p o r t e d ，t h ei s o p h t h a l i ca c i da n di s o p h t h a l y lc h l o r i d ew e r es y n t h e s i z e dt a k i n gm x y l e n ea s t h el a wm a t e r i a l w i t hi s o p h t h a l y lc h l o r i d ea n dt h en as a l to fa c e t o a c e t a t ee s t e r ，t h e i s o p h t h a l o y l d i a c e t i ce s t e rw a ss y n t h e s i z e d ，f i n a l l yt w on o v e lp y r i d i n o p h a n ew e r eo b t a i n e d b yh a n t z s c hs y n t h e t i cm e t h o 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 ，p y r i d i n o p h a n e ，s y n t h e s i s ， c h a r a c t e z a t i o n 1 1 1 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： 芝1 丝垄l 一指导教师签名：丞遮盘 川年月，p 日 渺严占月。日 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：纠徒矶 1 t ，7 年6 月p 日 两北大学硕士学位论文 1 超分子化学 第一部分绪论 法国科学家j m l e h n 等在1 9 7 8 年超越主客体化学的研究范畴，第一次提出了“超 分子化学”的概念，他们指出：“分子化学领域基于共价键存在着，超分子化学基于分 子组装体和分子间键而存在着 。超分子化学是基于分子间的非共价键相互作用而形成 的分子聚集体的化学，它主要研究分子之间的非共价键的弱相互作用即超分子作用，如 范德华力、静电引力、氢键力、 相互作用，亲水疏水相互作用及它们之间的协同作 用而产生的分子聚集体的组装、结构与功能。分子识别是类似“锁和钥匙 的分子间专 一性结合，可以理解为主体( 或受体) 对客体( 或底物) 选择性结合并产生某种特定功能的 过程，是形成超分子结构的基础。超分子作用对于某些化学反应过程如催化等具有重要 的意义，特别是在生物体系，相当多的生物化学过程离不开这种作用，如底物与蛋白质 的作用、酶催化过程、遗传密码的复制、翻译、转录等以及抗体与抗原的作用等【l 卅。 超分子化学是近三十年来发展起来的一门处于近代化学、材料科学和生命科学交汇 点的前沿科学，是具有广阔应用前景的一个年轻的化学领域。它在材料科学和信息科学 甚至生命科学中都具有重要的理论意义和潜在广阔的应用前景。1 9 8 7 年两位美国化学家 c j p e d e s m e ，d j c r m a 和一位法国化学家j m l e h n 分享了当年的诺贝尔化学奖，标 志着化学的发展进入了一个崭新的时代，从此主一客体化学和超分子化学成为世人关注 的化学前沿领域。 1 1 超分子化学中作为主体的大环化合物 具有分子识别能力的人工有机大环化合物的设计、合成与应用是有机化学和超分子 化学的研究热点之一，在分子识别基础上形成主一客体配合物是超分子体系的基本特征， 冠醚、环糊精、杯芳烃作为主一客体化学最具代表性的主体化合物在基础研究和许多领 域都取得了令人瞩目的成果。 1 1 1 冠醚 冠醚是最早研究的一类人工合成受体，由于合成的可行性和它们对阳离子有很强的 键合能力，冠醚成为研究离子识别的最主要的主体化合物。冠醚一般是具有( c h 2 c h 2 x ) n 重复结构单元的大环化合物，其中x 代表杂原子，既具有疏水的外部骨架，又具有亲 水的可以和金属离子成键的内腔，与通常的配体相比，冠醚具有较多的给体原子。冠醚 第一部分绪论 环中的杂原子可以部分甚至全部地参加配位。冠醚化合物都具有确定的大环结构，不象 一般非环配体那样，只是在形成金属配合物时才形成环。由于这种大环效应，冠醚和金 属离子可以形成较稳定的配合物。根据环的空腔大小不同以及环上取代基的不同，可选 择性地络合不同大小的金属离子【7 1 。 1 1 2 环糊精 环糊精( c y c l o d e x t r i n , c d ) 是由环糊葡萄糖基转移酶( c g t ) 作用于淀粉所产生的一 组环状低聚糖，是通过1 ，4 一糖苷键相连的筒状化合物，1 8 9 1 年首先由v i l l i e r s 发现。其内 腔疏水而外腔亲水，可以依据范德华力、疏水相互作用、主一客体分子间的匹配等与许 多有机或无机分子形成包合物，完成彼此间的识别过程。环糊精的独特结构使之成为分 子识别的极佳主体，环糊精及其衍生物也是主客体化学的重要研究对象，近年来受到越 来越多的科学工作者的重视和研列8 吲。 1 1 3 杯芳烃 杯芳烃是对位取代的苯酚与甲醛反应得到的环状缩合物。最有代表性的是2 0 世纪4 0 年代z i n k e 等用对叔丁基苯酚和甲醛在氢氧化钠存在下加热得到的由对叔丁基苯酚结构 单元和亚甲基交替连接的四聚体1 ，该化合物的分子模型表明它的形状像一个杯子或花 瓶，故称之为杯芳烃。在杯芳烃分子中，下缘紧密而有规律地排列着的羟基，能够螯合 和输送阳离子；苯环组成的富7 c 电子憎水空腔，能够包结配合中性分子。杯芳烃独特的 结构使离子型和中性分子均可作为其形成配合物的客体分子，比冠醚和环糊精都具有明 显的优越性。同时，杯芳烃的空穴大小可以调节，其上缘苯环的对位和下缘的酚羟基， 以及桥连的亚甲基均能进行各种选择性官能化，且通过控制不同的反应条件，引入合适 的取代基可以得到不同构象，由此得到多种具有高度选择性的主体分子，使之不愧为“第 三代超分子 【1 0 13 1 。 ( h 3 c ) 3 c c ( c h 3 ) 3 l 2 c ( c h 3 ) 3 西北大学硕士学位论文 近年来，具有独特空腔结构的大环环蕃在超分子化学研究方面受到广泛重视，成为 发展迅速的前沿领域。 2 环蕃化学 2 1 环蕃的研究概况 环蕃( c y c l o h a n e ) 是超分子化学体系能够充当主体分子的一类化合物。自1 9 5 1 年c r a m 创立“c y c l o p h a n e ”这一名称以来【1 4 】，环蕃化合物很快引起化学家的重视成为发展迅速， 极富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，双键及三键活性中间体的也有报道。桥的数目可以是2 个，或者是3 6 个， 桥联的苯环可以是两个，或者是3 - 6 个。随着此领域的研究发展，该类化合物除桥联苯 环外，还有用某些杂环化合物取代苯环而形成的杂环环蕃，以及用杂原子s 、n 、o 或含 杂原子的基团取代桥联亚甲基而形成的杂环蕃。由于各种新型环蕃的不断出现，环蕃的 内涵和外延发生很大的变化【1 5 1 7 1 。目前所研究的环着化合物一般具有以下特点：( 1 ) 至 少有一个独立的芳香环体系；( 2 ) 芳香环体系通过桥联形成环状结构。所以将环蕃定义 为一个或多个独立的芳香体系被桥联形成的环状化合物，也许更准确。 环蕃结构丰富多彩，通常根据分子内空腔的大小，分为小环环蕃和大环环蕃。小环 环蕃张力较大，导致环蕃中的芳香环变形，使得其物理、化学性质都不同于一般的芳烃， 表现出许多的特异性，如跨环电子效应，即苯环和苯环之间的电子云互相重叠交盖而形 成一个延伸至整个分子的p 电子体系，此类化合物发展成为新型的有机导体的可能性很 大。大环环蕃化合物分子中有相当大的分子内空腔，这一结构特征给予大环环蕃一个显 著而重要的性质，即一个外来分子能够进入大环环蕃的分子内空腔而形成包结络合物， 从而使大环环蕃具有酶的某些性质；同时，还可以根据需要对大环环蕃分子进行化学修 饰，如：改变环的形状、大小，或引入活性基团，有可能高选择性的识别客体分子。环 蕃不仅兼备环糊精、冠( 穴) 醚和多齿配体的一些特点，还具有合成方法与结构修饰的灵 活多样性，能更好发挥氢键、疏水作用、静电作用、兀一兀、阳离子一兀的协同效应，可望 发展为更优越的仿酶体系。环蕃化合物作为主体分子包结客体分子形成的络合物在药物 合成、催化剂、化学分析、色谱及材料科学领域都有很广阔的用途，因此，环蕃化学引 起有机化学家广泛的重视和研究，成为发展迅速的领域之一【1 8 2 0 。 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 2 ，2 对环蕃【2 1 】是具有革命性的突破意 义的。环合对于环蕃化合物的合成是具有决定性的一步2 2 3 5 1 ，各种试剂和反应条件已经 3 第一部分绪论 开发出来用于这一目的，许多试剂包括过渡金属都被用在成环的关键步骤中来合成环 蕃。钐催化的分子内频哪醇偶联用于平面和手性对环蕃的合成3 6 1 ，二炔在有钴参与下 2 + 2 + 2 环合得到大环吡啶环蕃3 7 1 ，联芳类环蕃通过s u z u k i 偶联得到【3 8 】，酯取代的三( 四 硫富瓦烯) 一十二氢 18 环烯通过三个4 ，5 二乙炔基- t t f 在钯催化下三聚环合合成出来 【3 9 1 。近来，钌催化的金属复分解闭环被认为是合成丙二烯环蕃的一种比较直接的方法【加1 。 微波技术已经被用于带正电荷的环蕃的合成中，吲哚环蕃和柱形吲哚环蕃在氢化钠作 为强碱的情况下通过同时烷基化的方法获得；b r a n o w s k ad 等通过金属复分解闭环反应 已经成功的合成出一类对称的和不对称的吡啶环蕃【4 2 1 。 2 2 杂环蕃的研究进展 目前环蕃研究领域的一个方向是对环蕃的骨架结构实施改变，包括用杂原子s 、n 、 o 或含杂原子的基团代替桥联亚甲基而形成的杂原子桥连环蕃，或用某些杂环化合物例 如吡啶、咪唑、苯并咪唑、三嗪、噻吩等代替苯环而形成的杂环环蕃，杂原子的引入改 变了环蕃的主体结构和键合性能，以适合不同的底物分子。 杂原子桥连的环蕃是环蕃家族中的重要一员，根据所含杂原子不同可以分为氮杂环 蕃、硫杂环蕃、氧杂环蕃、硒杂环蕃等，同时根据桥连基团的不同可以分为酰胺环蕃、 尿素环蕃，二茂铁环蕃，二苯砜环蕃等。 史真教授课题组合成了四氮杂环蕃c p 。n ，并对其进行了多种修饰如下，提供了四氮 杂环蕃比较成功的合成方法【4 3 州】。 rr 2 k 零o r = h , t s , 参3 一，c h 2 c o o c ：h s 本课题组梁书峰用间苯二甲酰氯和二胺以3 + 3 片段缩合法得到大环酰胺环蕃4 【4 5 】。 4 q多并 一 一 一 一 阳g 西北大学硕士学位论文 窜 。u x 盯 杨秉勤课题组合成出两类新的二茂铁内酯环蕃5 、6 ，并采用电化学方法研究了其对 部分化合物的识别性能【4 6 。7 1 。 o 蚕。 o n = 2 ，4 5 罢：弋 、 ( c h 2 ) 。 金岳彳。 n = 2 ，4 6 该课题组还合成了氮杂二苯砜环蕃7 、8 ，并将具有生物活性的二茂铁引入了该类环 蓍的结构中【4 8 1 。 o = t s 飞 n = 4 ，6 ，8 7 o = 5 r 、 一( c h 2 ) 4 一 r ，n 一 ( c h 2 ) r 4 一n 、r 贮h ，t s ，夺3 一 需o 8 = o i ：迨 2 必 2 h h h l l u n 一 第一部分绪论 d a v ep r 和d o y l eg 早在1 9 9 5 年就合成了含有尿素片段的大环化合物9 、1 0 ，且 使用x 射线单晶衍射对其结构进行了研究【4 9 】。 r l 、 9 1 0 近来，随着对主体分子空腔尺寸的精确性的要求越来越高，杂原子桥连的环蕃的研 究日益受到人们的重视，不但可通过控制引入的杂原子的数目与位置对环蕃空腔的大小 和形状进行精细调节以合成具有特定空腔的主体分子；而且杂原子桥连的环蕃结构的复 杂性和多变性，也给化学家提供了挑战和广阔用武之地。 用某些杂环化合物代替苯环而形成的杂环环蕃，根据所含杂环的不同可分别成为吡 啶环蕃、咪唑环蕃、三嗪环蕃等等，这类分子中杂环带有的杂原子赋予了该类大环物质 特殊的功能，它可以通过多个杂环中的杂原子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( 女1 3 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。 2 2 1 多桥连的环蕃 近几年环蕃化学的一个发展方向就是在环蕃分子内或分子间进行桥联，从而获得含 有两个以上空腔且有识别客体分子能力的大环化合物。 o h 1 2 6 1 3 西北大学硕士学位论文 v i n o dt k 和h a r th 在1 9 9 1 年报道合成了一类含有多空腔的硫杂大环环蕃1 l 、1 2 和1 3 t 5 0 1 。 o o 1 4 h d r a j a k u m a rp 在2 0 0 4 年通过合适的溴化物和硫醇四中心偶联反应一步合成出一类 四硫杂环蕃化合物1 4 、1 5 和1 6 ，其结构上含有多个空腔【5 l 】。 r a j a k u m a rp 在2 0 0 6 年报道了两类分别具有两个互补环的二环环蕃1 7 、1 8 的合成与 结构分析【5 2 巧3 1 。 r l r 1 1 7 r 3 o 1 8 r a j a k u m a rp 在2 0 0 7 年介绍了一类二环环蕃的合成，化合物1 9 通过m c m u r r y 偶联合 成，化合物2 0 通过w i t t i g 反应得到，并且研究了它们与t c n q ( 四氰基对醌二甲烷) 和 t c n e ( 四氰基乙烯) 的络合能力【5 4 1 。 。 7 第一部分绪论 1 9 2 0 由于这些多环化合物对客体分子的识别能力比一般环蕃要强得多，并且有的具有生 理活性或催化功能，受到化学家的注意。该类多环环蕃的特点是：( 1 ) 引入多个空腔， 且这些空腔可人为地导入o 、s 、n 等易提供配键或结合成键的杂原子，构成环体积可调 节的化合物，扩展了对物质识别的可能性( 特别是对金属离子) ；( 2 ) 由于桥联限制了杂 环单元的转动，可获得构型稳定的化合物。这类环蕃化合物开拓了多功能主体分子的合 成思路，对于进行多点识别具有十分重要的意义。 2 2 2 含吡啶环的杂环环蕃 吡啶环作为重要的配位单元常被引入到大环分子中，吡啶环上的氮原子可作为配位 基团参与对金属离子或有机铵离子的配位，从而改善大环化合物的络合性能。一些吡啶 环蕃化合物已经被合成出来，并且在某些重要的生物化学反应中用作研究对映与非对映 选择性的模拟系统，例如在n a d h ( 还原酶) 模型中氢负离子转移及不对称羰基还原以 及在维生素b 6 模型中醛缩酶的选择。 2 1 8 2 2 西北大学硕士学位论文 图l 化合物2 1 、2 2 的单晶衍射图 f i g u r e1 c r y s t a ls t r u c t u r eo fc o m p o u n d21 、2 2 t a k e m u r ah 等研究了以吡啶环为基础的环蕃化合物2 1 和2 2 的络合性能【5 5 】。大环环 蕃2 1 和2 2 是同分异构体，分别含有六个吡啶环以不同的方式连接在四个氮原子上，笼状 分子环蕃2 1 倾向于络合球型阳离子以及与小的过渡金属离子进行加质子反应，而其同分 异构体环蕃2 2 却有很广泛的客体选择，例如：胍盐、尿素、水分子、碱金属阳离子、过 渡金属阳离子以及地球上稀有的金属离子等。上图分别为环蕃2 l 与n h 4 + 络合和环蕃2 2 与a 矿络合的单晶结构图。对客体选择的很大不同主要取决于它们的分子中吡啶环的空 间排列和分子的空腔形状，以及分子的刚性程度( 环蕃2 1 是刚性的，环蕃2 2 是柔性的) 。 v i n o dt k ，r a j a k u m a r p 和h a r th 在1 9 9 5 年报道用二溴化合物与二硫醇合成了一种 带有刚性空腔，不可折叠的吡啶环蕃2 3 t 5 6 1 。 2 3 h n 2 4 n o l a nc ，g u n n l a u g s s o nt 在2 0 0 8 年高产率高纯度的合成出吡啶环蕃2 4 ，改进了 k 印t e i n 和m i y a h a r a 的合成方法，提高了产率，简化了步骤【5 7 1 。 9 第一部分绪论 o ho h b r 2 5 n e w k o m eg r 和r o b i n s o nj m 在1 9 7 3 年用2 ，6 二羟甲基吡啶和1 ，2 二溴甲基苯 反应合成吡啶环蕃2 5 及其衍生物【5 8 5 9 】。 c l + 2 6 v 6 9 t l e 等用吡啶二酰氯与二胺在高度稀释条件下合成一系列氮杂酰胺吡啶环蕃 2 6 1 6 0 - - 6 2 。 2 2 3 含咪唑环的杂环环蕃 咪唑存在于许多天然酶的活性中心，具有很好的配位一识别性能，在其五元环的l ，3 位各有一个n 原子，便于衍生和修饰。因此，自上二十世纪九十年代中期，将咪唑引入 环蕃主链得到第一个咪唑籀环蕃以来，人们通过不断努力，设计了一系列结构精巧的咪 唑筠环蕃主体分子，并不断改进合成策略，有效的推动了这一领域的发展。经过十几年 的发展，咪唑翁环蕃家族不断有新成员加入。从只包含两个咪唑绘离子的小环蕃到包含 三个咪唑箱离子的三维洞状环蕃，再到包含四个咪唑箱离子的大环蕃，其结构上日益复 杂精巧。关于咪唑绘环蕃及其衍生物的设计合成日渐成为一个研究热点。 p i l a rc 等合成了环蕃2 7 、2 8 和2 9 ，并分别研究了它们在液态与固态下的结构f 6 3 】。 1 0 西北大学硕士学位论文 尚 吲 2 b r - 2 72 8 2 9 r a j a k u m a r 小组改变官能基团，合成了一系列咪唑蚜和苯并咪唑翁环番3 0 、3 l 和3 2 ， 拓展了咪唑环蕃体系【硎。 ( 9 0 ) n 0 2 ( 5 8 ) o c h 3 ( 6 8 、 3 0 3 1 3 2 r a j a k u m a rp 在1 9 9 7 年分别用含有间三联苯的二溴化物以及四溴化物和苯并咪唑 偶联合成了咪唑嗡环蕃3 3 和3 4 ，并对其结构进行了分析【6 5 】。 3 3 3 4 谢如刚课题组利用咪唑自身便于修饰的特点，用它来构筑了一些新型三维洞状咪唑 翁环蕃3 5 、3 6 和3 7 。这类由苯环与带正电荷的咪唑翁环构筑的三维环蕃，可以对一些大 第一部分绪论 小适宜的阴离子有很好的包结作用。在其空腔之外，各个咪唑筠环之间形成的窝穴，也 可以选择性的对一些阴离子或中性分子进行包纠6 6 1 。 3 5 3 6 3 7 r a j a k u m a rp 在2 0 0 8 年报道合成出含有咔唑环的咪唑及苯并咪唑嗡环蕃化合物3 8 和 3 9 ，并且研究了该类环着对五种人体致病细菌( 普通变形杆菌、奇异变形杆菌、假单胞 菌、伤寒沙门氏菌和金黄色葡萄球菌) 的抗菌活性6 7 1 。 e t i l e t 3 8 l e t 3 9 r a j a k u m a rp 在2 0 0 9 年报道利用1 ，3 ，4 氧杂二唑的引入合成出一系列新的苯并咪唑 嗡环著化合物4 0 和4 1 ，并研究了它们的光学以及电气化学的性质，该类环蕃由于既含有 富电子基团又含有缺电子基团故表现出一定的自身互补性，可以显示出强烈的电荷转变 并且既能键和富电子客体又能键和缺电子客体6 8 “9 1 。 1 2 西北大学硕士学位论文 4 0 刁旺 4 1 白银娟课题组以对氨基苯乙酸和对氨基苯甲酸为原料，经过氨基保护、硝化、水解、 硝基还原和成环等5 步反应合成了一类苯并咪唑环蕃。并且将n = n 引入苯并咪唑环蕃 体系作为桥联基团形成的新型苯并咪唑环蕃4 2 和4 3 ，具有某些偶氮化合物的特性【7 0 】。 x = 1 ，2 ，3 4 2 4 3 咪唑翁环蕃除了具有灵活、易于修饰的环状结构外，还有咪唑铃提供的正电荷， 可以更好的适应客体的结构与电学特性，从而成为一种优越的主体分子引起了越来越多 的关注。 2 2 4 含四硫富瓦烯环的杂环环蕃 四硫富瓦烯( t t f ) 及其衍生物作为优良的电子给体3 0 多年来一直是有机化学和材料 化学的一个研究热点。从过去t t f 在大环和超分子化学中的应用说明t t f 在材料化学中 是非常有价值的。在过去的几十年间，已经有很多有效的合成精密分子的方法被发展， t t f 已经被纳入到许多大环和超分子体系中，例如大环、笼状分子、索烃、旋环烃、树 状大分子和聚合物等，而近年来环蕃又是另一个重要的研究领域，并已应用于大环和超 分子化学及主客体化学等方面且发展很快，将具有氧化还原活性t t f 单元作为电活性的 客体嵌入环蕃可以达到双重目的，一方面可以增强与互补的电活性客体的主客体相互作 1 3 第一部分绪论 用，同时可以对络合进行标志，使得这类分子成为传感器化学中很吸引力的组成部分。 煳：c h 2 c s s 页工： c h 2 c 1 + 伊 r 时s i s i f o 邺工i 土滓是h ：奇邺土疋 1 4 西北大学硕士学位论文 作用下消除一个保护基团生成四硫富瓦烯单钠盐，与l ，4 一二氯甲基苯反应，形成“单 桥 一双( 四硫富瓦烯) 衍生物，生成的“单桥 一双( 四硫富瓦烯) 衍生物再次在甲醇钠的 作用下消除剩下的保护基团，形成“单桥一双( 四硫富瓦烯) 衍生物二钠盐，最后与二 溴代烷反应形成下述一种新型四四硫富瓦烯环蕃4 5 ，并通过循环伏安法和化学氧化法分 别对其氧化还原性质和紫外光谱进行了研究。 2 2 5 吲哚环蕃 环蕃分子是一个或多个芳香环的核心单位被多基团桥连成的大环，该核心单位必须 构成大环的骨架。一系列新的核心环被引入到环蕃分子的构成中，它们包括苯型的、非 苯型的、多核的、非芳香的、反芳香的、同芳香的和杂芳香的等。在这一类别中，许多 不同的杂环模块以各种各样的方式嵌入到环蕃分子的结构中。在自然界中广泛存在的吲 哚环也被多次纳入环蕃的合成中。下列吲哚环蕃被先后合成出来，环蕃4 6 以1 2 的产率 从3 一( 2 一溴丙酰基) 吲哚的f a v o r s k i i 重排反应得到，吲哚环蕃4 7 和4 8 用吲哚溴化镁分别与 草酰氯和光气反应成功的合成出来，产率分别为5 3 和2 1 ，吲哚环蕃4 9 是3 - n j i 哚酰氯 的烯酮式四聚物，环蕃4 8 和4 9 是同分异构体【7 5 7 6 1 。 4 6 o o 4 8 4 7 o o 4 9 r a j a k u m a rp 先后使用分之间与分子内的m c m u r r y 偶联反应合成出含有烯键结构 1 5 第一部分绪论 的吲哚环蕃5 0 和二环吲哚环着5 1 r 7 7 7 9 】。 l r _ j 5 05 1 近来，圆柱状大环环蕃分子已经用于在分子层面上研究同位素效应，柱状环蕃以冠 醚和环蕃为基本组分构成，其疏水空腔已经被用于分子识别。r a j a k u m a rp 已经用吲哚 在氢化钠存在下同时c 一烷基化和n 一烷基化成功合成出下述吲哚环蕃s 2 $ n 柱状吲哚环蕃 5 3 8 0 1 。 x = c h ；n x = c h 3 ；h 5 2 5 3 2 2 6 苯并三唑环蕃 以苯并三唑为基础合成的环蕃为苯并三唑环蕃，r a j a k u m a rp 等合成了下述两类三 唑环蕃5 4 和5 5 ，引入了苯并三唑环，拓展了杂环环蕃的类型【8 1 8 2 1 。由于更多氮杂原子的 引入，苯并三唑环蕃有比咪唑环蕃更好的配位能力、螯合能力和溶解度。 1 6 西北火学硕士学位论文 n 忒 h b r 。r 。b r n a o h ，c h 3 c n 4 8 h c h 3 c n ，r e f l u x 5 d a y s 驭釜r 蔓d f - r 釜r 茎d 5 4 b r b r c h 3 c n ，r e f l u x 5 d a y s 2 2 7 含三嗪环的杂环环蕃 5 5 三嗪环在分子识别和自组装中是一种非常有利用价值的化合物，因为含有三嗪环的 化合物包括三聚氰胺及其衍生物在通过氢键作用于碳水化合物、三聚氰酸和尿嘧啶及其 衍生物等客体分子时都既能充当氢键的提供者又能充当氢键接受者。近来，二价铜离子 与三嗪的络合物的理论计算及其单晶结构表明三嗪环作为一种缺电子的共轭芳香环，能 很好的与阳离子作用。三嗪环已经作为骨架结构被引入大环化合物的合成中，a n e l l ip l 等用2 ，4 ，6 三氯均三嗪作为起始物合成出两桥连和三桥连的两类三嗪环蕃5 6 和5 7 t 8 3 埘】， 在z 桥上引入烷基于和杂原子可以改变三嗪环蕃的溶解性，使其在大部分有机溶剂中都 能有很好的溶解能力，同时r - h 的二桥连和三桥连环蕃都可以用作相转移催化剂。 1 7 第一部分绪论 c 。 妄z 二。r n 5 6 5 7 n r n 矿n nn 么nn 父n r ：人n 人n 少n 几r s 警卜。弋誓 r 文r 乒培 卜。“辜u 1 8 n 艾 二 n k k 西北大学硕士学位论文 和6 1 【8 7 1 ，带有硫桥键的化合物6 0f h 含有两个硫醇基的6 0 氧化得到，同时6 1 还原可以得到 6 0 ，他们还讨论研究了两类三嗪大环对z l ( t ) 、a g ( i ) 和h g ( i i ) 不同的络合性质。 6 1 王梅祥等人以简单易得的价廉原料、在温和的条件下高效和高产率地合成了氮和 ( 或) 氧原子桥联三嗪大环化合物6 2 和6 3 t 8 8 曲3 1 。这些新一代大环化合物形成了独特的结 构：与桥连杂原子共轭的三嗪平面和苯环平面以1 ，3 一交替( 1 ，3 - a l l e m a t e ) 排列形式构成空 腔；桥连氮原子和氧原子通过电子效应、共扼性能和立体位阻等性质共同作用，精细调 节着空腔的大小。他们所合成的杂原子桥连大环化合物还可以很方便地进行进一步功能 化衍生和修饰，构筑结构更为多样的各类功能性主体分子。 x x = y = o x = o y = n h x = y = n h x = y = n m e 6 2 a r h ， n p c l n 6 3 本课题组戈蔓9 4 1 、梁书掣9 5 1 等人以三聚氰氯为原料，用分步成环的方法合成了几种 以三嗪环为基础的环蕃化合物6 4 、6 5 、6 6 矛d 6 7 ，扩展了三嗪环蕃体系。 1 9 n户y o ， n弋n 第一部分绪论 c ，h n 一汕 洲。n 洲n x - ( 7 m 一卜 洲触 凹删 x = o c h 2 6 6 6 7 n ) - - c 1 n 超分子化学是当今世界化学发展的热点，环蕃作为新一类的超分子主体化合物已经 引起越来越多的化学家的重视。杂环环蕃成为环蕃化学的一个重要课题，其目的就是想 得到特定空穴结构或特定性能的主体分子。从元素角度看主要是向着导入含有氧、氮、 硫等杂原子的方向发展；从结构上看主要是引入不同种类的杂环以适应不同的需要。进 一步合成更多类型且性能更加优异的环蕃化合物，无疑会对超分子化学的发展与应用产 生十分重要的意义。 2 0 a n卜n h 声警 弋泰 n弋n c c n 泸n k。n n 弋 n 弋n c 西北大学硕士学位论文 参考 【1 【2 】 【3 】 4 】 5 】 6 7 8 】 9 1 0 11 】 1 2 1 3 】 1 4 【1 5 【1 6 【17 】 文献 沈家骢超分子层状结构一组装与功能 m 】北京：科学出版社，2 0 0 4 l e h nj m s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r yc o n c e p ta n d p e r s p e c t i v e s ，g e r m a n y ：w i l e y - v c h 1 9 9 5 ，1 - 9 d e c h e rgf u z z yn a n o a s s e m b l i e s ：t o w a r d l a y e r e dp o l y l n e f i cm u l t i e o m p o s i t e s 【j 】 s c i e n c e ：19 9 7 ，2 7 7 ：12 3 2 12 3 7 a t w o o dj l c o m p r e h e n s i v es u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y m n e wy o r k ：p e r g a m o n p r e s s ，1 9 9 6 ，v o l1 - 2 ，6 p e t e rj c r a g g ap r a c t i c a lg u i d et os u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y m c h i c h e s t e r ：j o h n w i l e y & s o n s ，2 0 0 5 s t e