（有机化学专业论文）杯4芳烃衍生物的合成研究及44—联苯二酚的合成研究.pdf

t l 习o n g 胯j i 一表i 学t y 摘要 皇曼曼! ! ! 皇i iii ii ii i l 曼曼! ! ! ! ! 曼! ! ! ! 曼! ! ! ! ! 曼曼 第一部分杯 4 芳烃衍生物的合成研究 摘要 杯芳烃( c a l i x a r e n e ) 是由取代苯酚与甲醛在受控条件下缩合而成的低聚物。它具有 一个由苯环围起来的杯状疏水空腔，可以接纳各种不同的底物，组成超分子化合物。其 杯状空腔大小可通过改变合成条件加以控制，同时杯的上下沿可以进行化学修饰，引入 新的基团或连接新的分子，组成复杂的衍生物。如果用吡咯、呋喃等杂环代替杯芳烃 中的苯酚，则可以得到各种由杂环组成的、类似于杯芳烃的杯杂芳烃。杯芳烃、杯杂 芳烃及其衍生物是一类新型的优良受体( 主体) 分子，可与各种金属离子或小分子底物 形成超分子化合物，并显示出对底物的识别作用，对金属离子的传输作用，超分子催化 作用及分子自组装作用等典型的超分子化学特性。因而，受到各国化学家的青睐，与穴 醚等一起被誉为继环糊精和冠醚之后的第三代大环化合物的代表。正是由于杯芳烃具 有以上特性，所以作为受体它才表现出更大的灵活性、适应性和选择性，明显优于其它 主体大分子如环糊精和冠醚。 由于杯芳烃：( 1 ) 易于进一步合成，且原料便宜易得；( 2 ) 形成的一系列环状低聚物， 其空腔的大小可按照不同客体的要求来改变；( 3 ) 易于化学改性，利用母体杯芳烃( p a r e n t c a l i x a r e n e ) 可以制备大量具有独特性能的杯芳烃衍生物；( 4 ) 具有熔点高，热稳定性和化 学稳定性好的特点，在绝大多数溶剂中溶解度低、毒性低、揉性好等一系列特殊性质。 所以近年来国际上关于杯芳烃的应用研究异常活跃。有关杯芳烃的反应分为两大类： 一类为酚羟基反应，通过取代酚羟基中的氢使其转化为醚、酯、酰胺等官能团，这一类 物质在常用有机溶剂中能很好地溶解，因而对其应用的报道也很多；另一类反应是首先 使杯芳烃经过三氯化铝处理脱叔丁基，再以此产物为前体进行亲电、c l a i s e n 重排、氯 甲基化及季铵盐化等反应引入各种官能团，这类化合物有较好的活性，能进一步得到其 它有实用价值的衍生物，可见对杯芳烃衍生的合成研究很有必要。 我们一直在研究第二类反应，本课题是在实验室合成杯( 4 】芳烃，以此为母体 依次进行脱叔丁基、氯甲基化，然后与巯基、氨基等发生系列亲核取代反应，意在合 成出选择性、络合性、灵活性更好的杯芳烃衍生物，为其在生命科学、仿生医学、康 【申请l 司济大学理学硕士论文】 t 冈o n g 衿y lu n i v 云e r s i 学t y 摘要 复医学、仿生催化、排除有毒元素、分离提纯及环境保护等方面的应用打下基础。 关键词：杯( 4 ) 芳烃超分子受体分子脱叔丁基氯甲基化 巯基氨基亲核取代反应 【申请同济大学理学硕士论文】4 a b s t r a c t a b s t r a c t c a l i x a r e n ei sak i n do fm a c r o c y c l i cc o m p o u n dm a d eu po f p h e n o iu n i t si i n l ( sv i a m e t h y l e n eb r i d g e s ，a n di sn a m e df o ri t sb a s k e t l i k es h a p e i nr e c e n ty e a r s ，t h es y n t h e s i so f c a l i x a r e n e sa n dt h e i rd e r i v a t i v e sh a sc a p t u r e dt h ea t t e n t i o no fn 眦l e r o u sc h e m i s t sb e c a u s e t h e yc o n t a i nc a v i t i e so fm o l e c u l e - s i z e dd i m e n s i o n sa n dc a nf o r mi n c l u s i o nc o m p l e x e s t 1 1 e c a l i x a r e n e s ，a l o n gw i t ht h ec y c l o d e t r i n s ，c r o w ne t h e r s ，a n do t h e rm a c r o c y c l i cc o m p o 瑚1 d s ， p r o v i d ea ne n t r yi n t ot h ef i e l do f c a v i t yc h e m i s t r y ” c a l i x a r e n e sa n dt h e i rd e r i v a t i v e sa r eu n u s u a li n t h a t t h e yc o n t a i nb o t hh y d r o p h o b i c a n dh y d r o p h i l i cr e g i o n sw h i c hp l a ya l l i m p o r t a n tr o l ei nc o m p l e x a t i o np r o c e s s e s t h e p r o c e s s e si n v o l v et h es e l e c t i v eb i n d i n go ft h eh y d r o p h i l i cc a v i t yf o rac a t i o n a 1 1 dt h e h y d r o p h o b i cg r o u pf o rn e u t r a lm o l e c u l e m e t h o d sh a v eb e e nd e v e l o p e df o rt h ei n t r o d u c t i o no ff u n c t i o n a l g r o u p so n t ot h e c 砒l x a r e n ef r a m e w o r k ，e i t h e ra tt h ep - p o s i t i o n so ft h e a r o m a t i cr i n g so rt h eo x y g e n so ft h e p h e n o l i cg r o u p s t h u s ， av a r i e t yo fc a v i t y 。c o n t a i n i n gc a l i x a r e n e sw i t hv a r i o u s r i n g s i z e s ，s u b s t i t u e n t s ，a n dc o n f o r m a t i o n sa r en o wa v a i l a b l ef o rs t u d y i nt h i st h e s i s ，w ef o c u so nt h ei n t r o d u c t i o no ff u n c t i o n a lg r o u p so n t ot h e c a l i x a 】e n e f r a m e w o r ka tt h ep - p o s i t i o no ft h ea r o m a t i cr i n g s t h ea i m o ft h i sp r o j e c ti st os v n t h e s i z ea s e n e so ff u n c t i o n a lc a l i x a r e n e s ，w h o s ec o m p l e x i n ga b i l i t i e sc a l l b ec o n t r o l l e dt oah i g h l e v e la n da l l o wf o rs u b s e q u e n tf i n e c o n t r o lo fm o l e c u l a rr e c o g n i z a t i o n a sap a r e n t c o m p o u i l d ，5 , 1 1 ，1 7 ，2 3 - t e r t - b u t y l - 2 5 ，2 6 ，2 7 ，2 8 一t e t r a h y d r o x y c a l i x 4 i ss y n t h e s i z ef i r s t t h e n t h r o u 曲d e - t e n - b u t y l a t i o np r o d u c e2 5 ，2 6 ，2 7 ，2 8 - t e t r a h y d r o x y c a l i x 4 ，w h i c hs h o w s9 0 0 d a c t l v l t yw h e ni n t r o d u c i n gf u n c t i o n a lg r o u p ss u c ha s c h l o r o m e t h y l ，n i t r o 。g r o u p , s u l f o n i c 黟o u p 5 , 1i ，17 ，2 3 t e t r a c h l o r o m e t h y l 一2 5 ，2 6 ，2 7 ，2 8 一t e t r a h y d r o x y c a l i x 4 a r e n e i sp r o d u c e d t h r o u 曲c h l o r o m e t h y l a t i o n ，a n dt h e nt h r o u g h n u c l e o p h i l i cs u b s t i t u t i o n ，a m i n o 一，s u l f l a y d r y l 撇i n t r o d u c e dt op r o d u c es e r i e s o f b i d g e r i n gc a l i x 4 】d e r i v a t i v e sw i t h h i g h l v s e l e c t l v l t i e s ，e x c e l l e n tc o m p l e x i n ga b i l i t i e s d u r i n gt h e s es y n t h e s i s ，t l cm e t h o d i sa p p l i e d o od e t e n i l l n ew h e t h e rt h er a wm a t e r i a l sr e a c t c o m p l e t e l y a l lt h eo b j e c tc o m p o u n d s 采 c h a r a c t e r i z e db y 1h n m r , i r ，e s io re l e m e n ta n a l v s i s 嗲孵 六墩捻母赇 a b s t r a c t k e y w o r d s ：c a l i x 4 a r e n es u p r a m o l e c u l a rr e c e p t o rd e - t e r t - b u t y l a t i o n c h l o r o m e t h y l a t i o n a m i n o - s u l f h y d r y l - n u c l e o p h i l i cs u b s t i t u t i o n 等 大衿母 姒鬈艄前言 第一章前言 酶专一性的催化性能使化学家感到神秘，近三十年来，化学家一直在寻找模拟酶 催化行为的简单化学体系。杯芳烃( c a l i x a r e n e s ) 即是一类起源于十九世纪，但直 至近几十年才发现的具有酶模拟性能的化合物。杯芳烃是由对位取代的苯酚或其衍生 物与甲醛反应，通过亚甲基或类似的基团联结起来形成的一种寡聚大环化合物化1 ，是 由多个苯环构成的芳香族分子，因其结构与希腊圣杯相似而得名( 如图1 一l ，杯芳烃 p - - t e r t - - b u t y l - - c a l i x n a r e n e ) ( 图l 1 ) 这类化合物的历史可以追溯到1 8 7 2 年b a e y e r 以及1 9 4 2 年z i n k e 的工作。1 8 7 2 年，德国化学家a d o l p h v o nb a e y e r 。发现苯酚与甲醛水溶液经加热可得到一种坚硬、 树脂状物质，但由于受当时实验条件的限制，产物结构没有鉴定。三十年代后，比利 时化学家l e ob a c k l a n d 哺又重新对苯酚和甲醛水溶液反应进行详尽的研究，合成了 酚醛树脂，从此开始了有机合成塑料的新纪元。1 9 4 2 年，澳大利亚化学家z i n k e r 【5 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 的树脂变为线性的树脂。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。产物不是他预期的线型酚醛树脂，而是个高沸点、不溶的晶体化合物，经鉴定 为环状的四聚体结构。此后k a m m e r e r 和h a p p e 使用h u n t e r 报道的多步法合成了一 些具有4 7 个苯环结构单元的类似物，但这类化合物的潜在用途并没有引起人们的重 视。 杯芳烃研究突破性的进展是从7 0 年代末g u t s c h e 和m u t h u k r i s h n a n 对这类化合物 新的合成方法开始的。七十年代末，美国华盛顿大学的c d a v i dg u t s c h e 嗡1 设想，由 于这类化合物具有大小可以调节的空腔，应该是一类更具广泛适应性的模拟酶。至此 【申请同济丈学理学硕士论文】 吼孛旦 鼠臆盎鬟 第一章前言 该类化合物的合成及性能研究才引起化学家的极大关注。由于这类化合物的结构像个 酒杯，g u t s c h e 命名为杯芳烃( c a l i x a r e n e s ) 。 杯芳烃的合成分为一步法和多步法。一步法指酚类化合物与甲醛水溶液( 或其它 醛) 在酸、碱的催化下合成杯芳烃。1 9 8 6 年，g u t s c h e 改进了z i n k e 的方法，使产率有 较大提高7 1 。值得提出的是，通过改变溶剂、酸、碱的浓度等反应条件，可以控制形 成环的大小( 酚结构单元数) ，目前杯芳烃的合成大多采用一步法。多步法常用于合 成桥状( 图1 2 ) 噶，杂原子( 图1 3 ) 悖的杯芳烃。由于采用g u t s c h e 方法得到较高 产率的p - - t e r t - - b u t y l c a l i x a r e n e ( 图1 1 ) ，到目前为止，有关c a l i x a r e n e 的反应及官 能团的引入绝大多数均以图1 1 为合成子。 0 h 1 0 l l c h 加 +2 1 0 l t i c h ( 图1 2 ) ( 图1 3 ) r 有关杯芳烃的反应分为二大类：一类为酚羟基反应，通过取代酚羟基中的氢使其 ! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼! ! ! 曼苎! 鼍寰苎苎穹鼍曼_ 篡一一i 一_ n nn i ；。! ! 曼! ! ! 皇! ! ! ! ! ! ! 【申请i 司济大学理学坝士论文】8 嫩鬈 第一章前言 ! i i 一一一 二 _ i 蔓曼! 蔓曼! 曼! 曼! 曼曼! 蔓詈! ! ! 曼! 曼! ! ! ! 转化为醚、酯、酰胺等官能团。另一类反应是首先使杯芳烃1 i 经过三氯化铝处理脱 叔丁基转化为图1 - 4 的产物，再以此产物为前体进行亲电n 们、c l a i s e n 重排u 、氯甲 基化1 2 及季铵盐化n 3 等反应引入各种官能团。 ( 图1 4 ) 日本学者s h i n k a i 以1 1 为原料合成了一系列水溶性的杯芳烃u 钔，开创了杯芳烃 化学的新领域。从八十年代开始，d j g r a m 以间苯二酚与醛通过多步反应合成了他 命名为c a r c e r a n d 的化合物那，引起了国际学术界的极大关注。 作为主体大环分子中重要的一类，杯芳烃具有和其他大环分子相同的主要特性。 主体分子可追溯到6 0 年代末至7 0 年代初合成大环配体( 如冠醚及有关化合物) 的问 世，开辟了超分子化学( s u p r a m o l e c u l a r c h e m i s t r y ) 这一崭新的研究领域。佩特森( c p e t e r s o n ) 、莱恩( j m l e h n ) 和克拉姆( d c r a m ) 因为在大环 配合物化学方面的杰出工作，共同获得了1 9 8 7 年诺贝尔化学奖。与此同时，莱恩提 出了超分子化合物和超分子化学的概念们，用来说明在生物体中广泛存在，并在生 命过程中起重要作用的，主要由独立存在的普通分子或离子靠非共价键力结合的一类 新物质及其特性与变化规律。由此，大量的大环化合物已被合成，其中杯芳烃 ( c a l i x a r e n e s ) 在近年来已引起化学家、生物化学家的极大关注。随着现代生命科学、 材料科学的迅速发展，超分子化学已发展成为当代化学科学中的个前沿领域，倍受 青睐。 如图l - l 所示，在杯芳烃p - - t e r t - - b u t y l c a l i x n a r e n e 的杯状结构底部紧密而有规 律地排列着n 个酚羟基，而杯状结构的上部具有疏水的空腔。前者能螯合和输送阳离 子，后者则能与中性分子形成配合物。正因为它具有一个由苯环围起来的杯状疏水空 腔，所以可以容纳不同的客体分子，组成超分子化合物。其杯状空腔大小可通过适当 的合成方法加以调节控制使其在容纳不同客体分子时表现出更大的灵活性、适应性和 【申请埘济大学理学颂士论文】9 咝鬟 第一章前言 选择性，明显优于其它主体大环分子，如冠醚和环糊精。环糊精形成配合物的客体为 非离子型分子，冠醚形成配合物的客体大多数为离子型化合物。而杯芳烃由于这种特 殊的结构，离子型和中性分子均可作为其形成配合物的客体。 同时杯芳烃的上下沿可进行化学修饰，引入新的基团或联结新的分子，组成复杂 的衍生物。若用吡咯、呋哺等杂环代替杯芳烃中的苯酚，则可得到由杂环组成的杯杂 芳烃。r p e r r i n 7 等利用对异丙基杯( 4 ) 芳烃的复杂识别功能，从三种二甲苯异构 体的混合物中把对二甲苯选择性萃取出来，效果特别好。h a r r i sn 鄹等报道，经修饰 的杯芳烃作为相转移剂，可作为复合催化剂的重要组分，对一些有机反应或高聚反应 起有效的催化作用。 正是由于杯芳烃容易进行化学修饰，以及它本身具有紧密相邻的多个羟基和一个 靠体系洞穴，使杯芳烃及其衍生物几乎能与所有的金属形成配合物。杯芳烃比冠醚和 环糊精更容易进行化学修饰，能派生出成千上万性能各异的杯芳烃衍生物，由此引起 了国内外众多化学工作者极大的兴趣。 ! 苎! ! ! ! ! ! ! 曼苎! ! 鼍苎! ! 曼曼苎! 鼍曼! ! ! ! 苎苎! 曼! ! 鼍i i i - - i ! ! ! ! 曼! 皇! ! ! 【申请婀济大学理学硕士论文】i o 国t 舟o n g 胯$ i u n i v 云e r s i 詈t y 第二章杯芳烃研究的应用状况、发展前景及本课题意义 第二章杯芳烃研究的应用状况、发展前景及本课题意义 由于杯芳烃的以下特点：( 1 ) 易于进一步合成，且原材料便宜易得；( 2 ) 形成 一系列环状低聚体，其空腔的大小可以按照不同客体的要求来改变；( 3 ) 易于化学改 性，利用母体杯芳烃( p a r e n tc a l i x a r e n e s ) 可以制备大量具有独特性能的杯芳烃衍生 物；( 4 ) 具有熔点高，热稳定和化学稳定性好，在绝大多数溶剂中溶解度低、毒性低、 柔性好等一系列特殊的性质。所以近年来国际上有关杯芳烃的应用研究异常活跃，专 利骤然增多。有关文献资料表明，近十年来已有4 0 多项专利报道杯芳烃在铀和铯的 提取、镧系元素的金属离子的选择性萃取、中性有机分子的分离、水污染控制，相转 移试剂、酶模型催化反应、l b 膜、离子选择电极和场效应晶体管、粘合剂、涂料以 及瓷器制造等领域中的应用，从而展示了广阔的应用前景。人们正尝试将杯芳烃的研 究逐步与实际应用相连接起来： 1 从核废料中回收铯 i a t t 等人9 利用杯芳烃与碱金属离子的键合能力，从核废料的水溶液中提取金 属铯。 2 从海水中提取铀 到目前为止，至少有6 个日本专利报道利用杯芳烃衍生物从水溶液中提取铀。其 主要研究结果为，在改性的杯芳烃中，h e x a c i dc a l i x 6 a r e n e 是铀的最有效的萃取剂。 3 镧系元素和金属离子的选择性萃取 在碱性条件( 三乙胺+ d m f ) 下，铕或其它镧系金属均能与p - t e r t b u t y l - c a l i x 8 a r e n e 形成稳定的配合物。进一步的研究指出，作为一种方便而有效的试剂，杯芳烃 p - t e r t b u t y l c a l i x 8 a r e n e 可把所有的镧系元素转化为易溶于有机溶剂的配合物眨们，从 而展示杯芳烃在镧系元素的纯化、溶剂萃取以及极性溶剂中镧系离子的催化反应等方 面的应用前景。此外，硫醚杯芳烃已证明对银和金离子有特殊的萃取能力，这些化合 物对从海水( 或淡水) 中提取金和银有重要的意义t 2 0 ) 。 4 中性有机分子的分离 杯芳烃p - t e r t - b u t y l - c a l i x 8 a r e n e 被首次吸附在硅烷化的红色硅藻土色谱载体上 【申请h 济大学理学硕士论文】1 卜 国t 母o n g 胯i ii j n i v 云k r s i 学t y 第二章杯芳烃研究的应用状况、发展前景及本课题意义 ( 约1 0 ) 用作气固色谱的固定相，成功地实现了醇、氯化烃和芳香烃化合物的分 离2 。 5 水污染控制 自1 9 0 8 年以来，为了改进饮用水及某些工业用水中微生物的质量，常用的方法 是将这些水预以氯化。但1 9 7 4 年有关研究发现，在氯化过的水中，氯与天然产生的 腐质酸、灰黄霉酸发生副反应而生成三氯甲烷。因此，某些具有致癌或癌诱变性能的 化合物如氯仿、二氯溴烷、氯二溴烷等成为饮用水中的污染物。w a i n r i g h t 发现晓， t e r t - b u t y l c a l i x 6 a r e n e 具有非常显著的螯合三卤甲烷分子的能力，且螯合反应速度很 快，生成非常稳定的包合物。同时，还可以将该杯芳烃附着在固体载体上，以得到更 好的反应效果。这一发现为排除上述水中污染物提供了一种崭新的方法。类似的技术 已应用于毒性工业废水中卤代烃的选择性排除。 6 有机反应的相转移催化剂 对于正丁基丙烯酸盐在烷基乙酯中的聚合反应，其催化剂为过硫酸的金属盐，无 机碱金属盐为引发剂。但引发剂完全不溶于反应介质，故在8 0 ，加料2 4 h 后仍没 有聚合反应发生。h a r r i s 等发现，t e r t b u t y l e a l i x 4 a r e n e 的四乙基酯衍生物的存在 能实现过硫酸钠盐的相转移，从而引发自由基的聚合反应。与此类似，若使用过硫酸 钾而不是过硫酸钠作为催化剂，t e r t b u t y l c a l i x 6 a r e n e 的六乙基酯衍生物同样可作为 上述聚合反应的相转移催化剂。 此外，t e r t b u t y l - e a l i x 4 a r e n e 的四乙基酯衍生物能戏剧性地提高乙腈溶液中乙酸 盐或叠氮化物对苯甲酰甲基溴中溴的亲核取代反应的产率。 7 酶模拟催化反应 1 一苄基一1 , 4 二氢烟酰胺是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸( n a d ) 的模型化合物，在 酸性条件下其加水生成1 苄基一6 羟基1 ，4 ，5 ，6 ，四氢烟酰胺的反应，能被甘油醛3 磷酸 酯脱氢酶所催化。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 n k a i 等2 3 发现，h e x a s u l f o n a t e dc a l i x 6 a r e n e 的下列衍生物均能有效催化上 述反应，催化反应的速率常数是这些杯芳烃的非环形类似物作为催化剂时的4 2 6 1 2 2 0 倍。 【申请时挤大学理学坝士论文】1 2 啦鬈 第二章杯芳烃研究规发展一本课题意义 ( 图2 1 ) i r = h i i r = c h 2 c o o h u n g a r o 等眨4 研究发现杯芳单冠醚1 4 ( 1 a ，n = 2 ，r = h ) 的b a 2 + 络合物可作为转 乙酰酶模型，它可将对硝基苯基醋酸酯的甲醇解反应( 在碱性条件) 加快1 0 倍左右， 而且符合乒乓运动学。他们所推测的反应历程的中间体一单冠醚1 4 的单醋酸酯己被 分离鉴定出来。进二步研究发现，这种中间体的甲醇解反应( 碱性条件下) 可被b a 或s p 提高一百万倍以上。尽管如此循环的周转数只有5 5 1 0 。m i n 【i i 】，但有助于 进一步寻找高效率的人工转乙酰酶。 8 l b 膜 近年来，化学家们已利用杯芳烃成功地研制了l a n g m u i r 膜。例如，b o h m e r 眨5 及s h i n k a i 等1 先后利用p - o c t a d e c y l c a l i x 4 a r e n e 或改性的杯芳烃脂制得稳定的单层 膜。r e g a n 等呓 首次报道了由c a l i x 6 a r e n e 和汞化杯芳烃分别准备超薄单层膜和“多 孔 单层膜的实验技术。最近，n a o k o 眨钔利用改性m e t h y l c a l i x n a r e n e ( n = 4 - - - 6 ) 研n 热坚硬膜获得成功。 上述研究成果为分子水平上制备具有均匀、定向及微空可调的复合膜奠定了基 础。 9 离子选择性电极和场效应晶体管 离子选择性电极基于主体对某种离子的选择性响应，对n a + 、k + 、c s + 等具有很 高选择性的杯芳烃都有可能制成相应的离子选择性电极。 杯芳烃或经适当改性的杯芳烃衍生物在离子选择场效应晶体管( i s f e t ) 的研究 中也有重要的应用。场效应晶体管是由半导体和离子选择膜结合而成的一种电位传感 器。场效应晶体管的作用是测量膜电位差。这种装置可望作为活体中金属离子体外检 测的工具。 1 0 有机材料的稳定剂 由于其热稳定性的非挥发性，杯芳烃的衍生物已成功地用作有机材料( 塑料、橡 【申请h 济大学理学颂士论文】 黜躲臻 瓣杯芳烃研究蝴飙发展前景及本一义 胶等) 的抗氧化剂、抗腐蚀剂、热，光稳定剂等。 1 1 粘合剂的固化加速剂 至少有1 2 个专利声称p - t e r t b u t y l c a l i x 4 a r e n e 的脂或酮类衍生物、聚7 - - 醇衍 生物、混合官能团的衍生物以及o x a c a l i x a r e n e 的脂或酮类衍生物已被用于腈基丙烯酸 酯粘合剂的添加剂，以减少其在粘结过程中的固化时间。这些添加剂的作用是使粘合 剂具有更强的键合多空底物( 如纸、皮革、纤维、和木材等) 的能力。其可能的作用 机理是杯芳烃络合了体系中的阳离子，从而产生了对聚合反应具有引发作用的赤裸的 阴离子。 l2 光纤维传感器 1 3 色谱分离 杯芳冠醚聚有机硅氧烷1 2 和1 3 将杯芳冠醚的环腔结构和聚有机硅氧烷的柔顺性 和易成膜性结合在一起，较好地克服了杯芳醚化合物作为g c 固定相使用时熔点高、 成膜性差等缺点，为杯芳冠醚在毛细管g c 中的应用开辟了道路( 6 , 9 , 2 6 ) 。试验结果 表明上述两种杯芳冠醚聚合物作为固定相的毛细管g c 柱具有较好的使用性能。对 醇、卤代烃、芳烃、烷烃等极性或非极性物质以及多种取代苯的位置异构体均具有良 好的分离能力，且使用温度范围宽。可见杯芳冠醚聚硅氧烷是一类极具发展前景的新 型g c 固定相。 1 4 硅氢加成催化反应 另外，杯芳烃在其它方面还具有重要的应用，如作为电子设备用离子消除剂t 2 0 1 、除 臭剂t 2 9 ) 静电印刷着色剂。们、偶氮甲烷型液晶t 3 1j 、细胞融合试剂门、卤化银摄影 材料的添加剂1 以及用于c 6 0 和c 7 0 的纯化3 4 等。还可望在非线性光学材料和医学 等领域有应用前景。 从该领域发展状况不难看出，当今杯芳烃环形研究的主流仍集中于杯芳烃及其衍 生物的合成、化学修饰、金属离子的分离等方面，而对杯芳烃作为新型主体化合物的 超分子化学行为特征、规律方面的基础研究，以及杯芳烃在仿生、催化、分离、环保 等方面的应用基础研究相对而言要少得多。在国内，这方面的研究成果尚不多见。所 以，研究杯芳烃的超分子特性及作用规律，不仅可充实、丰富超分子化学的内容，而 且有助于进一步弄清生物体内细胞膜两边的传质过程的规律及控制因素，以及某些酶 【申请蚓济大学理学坝士论义】 黜躲臻 第二章杯芳烃研究一粝发展前景及本课题意义 催化过程的机制。在生命科学、仿生医学、仿生催化分离提纯及环境保护等领域的应 用，提供一定的理论基础。本课题正是基于这一发展方向而不断努力，在合成中置j i a 巯基、氨基及后面所做的合成工作，目前在国内外文献资料中鲜见报道。 【申请同济大学理学硕上论文】 嗽鬟 瓣杯揪一分删懒一衍生。 第三章杯芳烃的超分子化学和分子识别原理以及其衍 生物对中性分子的识别 第一节杯芳烃的超分子化学 超分子化学是- - i 7 新兴的学科，它是基于冠醚与穴状配体等大环配体的发展以及 分子自组装的研究和有机半导体、导体的研究进展而迅速发展起来的。l e h nb 5 给超 分子化学这样一个定义“超分子化学是超出单个分子以外的化学，它是有关超分子体 系结构与功能的学科。超分子体系是由两个或两个以上的分子通过分子间超分子作用 联结起来的实体”。超分子作用是一种具有分子识别能力的分子间相互作用，是空间 效应影响下的范德华力、静电吸引力、氢键力和相互作用，疏水相互作用等。分子 识别是类似“锁和钥匙”的分子专一性结合，可以理解为底物与给定受体间选择性键 合，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 意义，特别是在生物体系，相当多的生物化学过程中离不开这种作用，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。 运用在特定的结构区域内的非共价键，多种分子间相互作用( 静电力、氢键力、 范德华力等) 的能量和立体化学等方面特性的知识能设计出人工受体分子，它们可以 通过形成超分子结构，即具有明确结构和功能“超分子 ，与底物较强而又有选择性 的结合。随着大环化学的发展，在冠醚和环糊精之后，出现了“第三代超分子 一杯 芳烃。 杯芳烃是对位取代的苯酚与甲醛反应得到的环缩合物。在杯芳烃分子中，下缘的 羟基紧密而有规律地排列着，能够螯合输送阳离子；由苯环组成的富兀电子憎水空腔， 能与中性分子形成包结配合物。这种独特的结构使离子型和中性分子均可作为杯芳烃 形成配合物的客体分子，与冠醚和环糊精相比具有明显的优越性。同时，杯芳烃的空 穴大小可调，其上缘苯环的对位和下缘的酚羟基，以及苯酚单元的亚甲基，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b 鳓。 【申请同济大学理学硕士论文】 1 6 t 冈o l q g 胁j i l l l q l v 农i ；r s i 学t y 第三章杯芳烃的超分子化学和分子识别原理以及其衍生物对中性分子的识别 1 杯芳烃的分子自组装( s e l f - a s s e m b l i n g ) 分子自组装是指分子通过氢键、范德华力相互作用、静电相互作用、给体与受体 效应等进行分子识别而自发构筑成结构和功能确定的超分子体系过程。分子晶体、液 晶、胶束、l b 膜等都可以通过自组装合成制备。分子自组装遵循一些原则，如分子 形状要互补、满足范德华接触、接触面积尽可能大、形成多重或多种非共价键，通过 正的协同效应达到较强的结合，使结构稳定并克服熵效应。 对分子自组装来说，预组织的官能团单元很重要。毗啶基、羧基、酯基、脲等基 团具有强烈的氢键( 给予或接受) 相互作用，由它们取代的杯芳烃在非极性溶剂中可 以自组装成具有“分子内笼的二聚体( 同核或异核) 。h a m a n n 等0 7 的研究表明， 化合物l 在对二甲苯中形成二聚体，该二聚体能够与氟苯，对二氟苯，吡嗪等形成 l ：l 的包结配合物。向形成配合物的溶液中加入脲( i 冰h c o n h a r ) 后，由于脲与杯 ( 4 ) 发生氢键作用( 竞争) 使二聚体破坏，客体分子被释放出来，这种可逆地包结 客体分子的性质可用于分离和掩蔽分析。 r 审 n h o ( r = h ，f ) ( 图3 1 ) 从 f h ( 图3 2 )( 图3 - 3 ) a t w o o d 等嘲研究超分子配合物形成过程中的作用力时发现并论述了分子自组 装中的“二次配位作用”，即二毗啶酮与对磺酸基杯( 4 ) 通过c u 0 配位和杯( 4 ) 吡啶的包结作用组装成二聚体的形式，而吡啶阳离子与对磺酸基杯( 4 ) 则通过氢键 和包结作用组装成二聚体杯。 i i i_ 【申请刚济人学理学坝士论文】，1 7 嗽鬈 瓣杯一分粥懒衍生槲删 将杯( 4 ) ( 杯式构型) 的下缘通过共价作用或配位作用方式连接起来可以得到具 有多个空穴方向的中空分子建造块( k o i l a n d ) ，再与具有一定结构的连接块分子 ( c o n n e c t o r ) 作用，可以自组装成结构与性能特殊的超分子。如图3 - 4 ，f i s h e r 等门9 1 将两个杯( 4 ) 通过s i 原子相连得到空穴方向相反的线装中空分子，与己二炔这样的 实心连接块分子通过包结作用组装成线装超分子，从而可以得到具有塑柔性的分子材 料。 ( 链状分子自组装示意图3 - 4 ) 利用杯( 4 ) 易于通过脂一芳相互作用包结芳香杯和过渡金属衍生物化能够调节 杯( 4 ) 空腔的形状和大小这两个性质，g e r o s a 1 等得到了自组装成柱状结构的金属 杯芳烃，在液相这种杯芳烃分子头一尾相连，互相包结产生液晶态。 2 杯芳烃的分子平台特性 杯芳烃的特殊结构，且易于衍生化，因而成为理想的分子平台用于构造具有很多 种官能团和特殊选择性的主体分子。 1 ) 杯芳冠醚和杯芳穴醚 2 ) 多杯芳烃 3 ) 树枝状大分子 4 ) 有机金属一杯芳烃 5 ) 三维的荧光二硼酸 此外，如果将杯芳烃与环糊精连接起来可以得到具有特殊协同效应的受体分子， 而本课题则是在杯芳烃上引入巯基以连接成桥，以达到对不同客体分子的特殊选择 性。 3 杯芳烃的包结现象 杯芳烃分子中由富电子的苯环而围成的空腔具有憎水性，能够包结一些中性的 有机分子。x 光衍射晶体结构表明，杯芳烃能够与氯仿、二氯甲烷、甲醇、乙腈、苯、 曼! ! ! ! 皇苎! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 。一一i l lii 一鬲i 二i ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 【申请剐济大学理学硕士论义】1 8 1 冈d n g 胁j i u n i v 云e 鹳r 学r y第弱杯芳烃子化学和分删焖以及其衍生物对中性分子。 甲苯、苯甲醚、吡啶、氧化吡啶等许多溶剂分子形成稳定的包结配合物。 在下缘氧上烷基取代的杯芳烃，经常发生自包现象，即客体就是该杯芳烃分子取 代烷基的一部分。 总之，杯芳烃的包结作用对于中性分子的分离及纯化极为有用。 4 杯芳烃的螯合作用 杯芳烃的下缘紧密而有规律地排列着酚羟基，能与金属离子和有机阳离子螯合。 在下缘对杯芳烃进行酯化、磺化、酰胺化，成醚等衍生化后增加配位点，能使杯芳烃 与绝大多数金属阳离子螯合，由此产生了许多选择性的萃取剂，离子选择性电极的载 体，液膜分离的流动载体等用于分析和分离。 第二节杯芳烃的分子识别原理 作为超分子化学的一个重要部分，分子识别是很多超分子性能的基础。分子识别 ( m o l e c u l a rr e c o g n i z a t i o n ) 是生物体实现其特殊功能的基本过程，并在生命过程中起 中心作用。生物酶高效专一地催化生化反应，抗体与抗原的强结合等都是生物领域内 分子识别的精巧实例( 4 1 ) 0 利用合成的人工受体与适当底物之间的分子识别以建立仿 生模型的研究，己成为生物有机化学前沿富于挑战性的领域之一。特别是杯芳烃，其 空腔显示出的优良识别配合性能，作为多功能的主体而倍受关注。杯芳烃实质上是一 种特殊的环番( 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 的特点。在杯环上引入适当基团所得到的受体，能借助于氢键、静电作用、范德华力、 疏水作用及s t a c k i n g 作用等非共价键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1 4 2 1 。 功能化杯芳烃受体的分子识别作用。理想的人工类似物与生物受体一样，其识别 过程在于其与底物之间的精巧互补。其上沿或下沿引入各种基团的修饰杯芳烃，构成 以杯环为骨架的带有亲脂性、亲水性和离子载体的受体( 4 3 3 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 导适应能力。 生物体系中重要的酶催化反应过程，关键一步就是酶对底物的专一性识别。分子 【申请问济大学理学硕士论文】 啦鬈 瓣杯芳翱一臁二以及翰生物对子。 识别是指底物( 即客体) 被给定的受体分子( 即主体) 束缚，此过程反映了能量和过 程的选择性存储，或是特殊功能的蕴涵，因此分子识别含有分子信息的( 分子) 储存 和( 超分子) 读取之意。 3 2 1 分子识别的基本原则 如何获得好的分子识别效果，两位n o b e l 奖获得者( 克拉姆和莱恩) 总结了众多 研究成果，归纳出了一些基本原则。 克拉姆提出了络合物化学的两个基本原理：互补性( c o m p l e m e n t s ) 和预组织 ( p r e o r g a n i z e ) 。互补性是指络合时，主体应具有与客体的束缚位置相匹配的接触和 吸引的束缚点，而不产生强的非键排斥力( 4 4 ) 0 预组织是指主体和客体在络合之前如 果具有越高效的组织结构以利于束缚和低的溶剂化作用，其络合物就越稳定旧引。 莱思认为一个主体分子要具有很好的分子识别功能必须具有下列条件： 主体和客体分子之间的立体( 性质和大小) 互补性，例如在主体和客体分子的合 适位置上存在匹配的凸与凹区域； 相互作用的互补性，例如，互补的位置( 静电方面如正负电荷，电荷偶极，偶 极偶极，氢键给体侮键受体等) 适当地分布于主体与客体分子上，以达到互补的电 子和原子核分布( 静电力、氢键和分子间力) ； 主体和客体分子具有大的接触面积； 强的全方位束缚，尽管高的稳定性不一定代表高的选择性，但大多数情况下是这 样，实际上，当束缚强时束缚自由能的差值有可能很大。束缚有效性( 即自由的底物 被稳定的束缚) 的提高需要强的相互作用，因而，为达到有效识别( 即高的稳定性和 高的选择性) ，底物被受体强有力的束缚是必要的。 此外，介质效应通过溶剂分子与主客体分子之间的相互作用发挥其重要性，所以 主客体分子应呈现几何上匹配的疏水疏水和亲水亲水( 更广义地说，为疏溶剂和亲 溶剂) 区域。 按上述原理设计并合成各种类型的杯芳烃主体化合物，研究它们的分子识别性能 已经成为杯芳烃化学研究的主要内容，所获得的一些结果是令人鼓舞的( 在模拟酶催 化性能方面已屡有报道) ，显示了杯芳烃作为一类特殊的主体化合物的优越性。 【申请蚓济人学理学硕士论文】 嫩鬟瓣杯芳烃子懈分删懒衍生性删 3 2 2 杯芳烃及其衍生物对中性分子的识别 杯芳烃及其衍生物对阳离子和阴离子的识别研究已经日渐深入，并且其在工业上 的应用也已经初具规模。但是，中性分子的识别一直是超分子化学的难点，因为，即 使是最简单的中性分子如气体分子，也基本是由两个以上原子组成，更不用说自然界 众多的天然化合物了。由于它们结构的复杂性和多样性，要设计出对某一种分子有特 殊选择性的主体化合物是相当困难的。另外，识别中性分子主要靠氢键，这比主体化 合物与阳离子和阴离子的静电作用力要弱得多。识别中性分子对于模拟酶的研究是最 基本的内容，尤其在高效、选择性地催化有机反应方面具有特别重要的意义。主体化 合物与中性底物之间的作用力有氢键、疏水作用、范德华力等。杯芳烃由于具有疏水 的空腔，曾被广泛地研究过对一些小分子的识别情况，后来发现由于空穴不够大以及 构象的流动性，识别包合能力有限，所以现在主要是以之为骨架，引入基团扩大其空 腔，限制构象转动和增加与底物的作用位置。 1 固态的包合 早在杯芳烃的合成初期就发现杯芳烃结晶时很容易包合溶剂分子，而且包合 强度还比较大，需要在较高的温度和真空度下，才能除去这些溶剂分子，通过 x - 衍射方法分析晶体结构，发现杯芳烃与底物分子的包合主要有下面几种方式。 ( 1 ) 分子内包合( e n d o c o m p l e x ) 杯芳烃可利用自身的疏水空腔包合很多有机小分子，例如，对叔丁基杯( 4 ) 芳 烃对甲苯分子的