（有机化学专业论文）几种典型杯芳烃衍生物的合成及其对客体分子的键合行为.pdf

中文摘要 摘要 超分子化学是当代化学领域的前沿学科，作为第三代主体分子的杯芳烃是 超分子化学的一个重要研究方向。为了进一步揭示杯芳烃及其衍生物的分子识 别机理和组装规律，本论文合成了一系列的杯芳烃衍生物，并研究了它们对荧 光客体分子的键合行为；同时，利用杯芳烃对特定客体分子的包结络合作用制 备了8 个磺化杯芳烃主一客体包合物，系统讨论分析了客体分子对杯芳烃主体构 型及组织结构的影响。论文的具体研究内容如下： ( 1 ) 简要介绍了超分子化学的概况，并对以杯芳烃为受体的分子识别和分子 组装研究所取得的重要成果和最新进展进行了论述。 ( 2 ) 合成了磺化杯【4 ，5 ，6 芳烃和磺化硫桥杯 4 】芳烃等水溶性杯芳烃，以及 下缘双取代或四取代的，含苯并噻唑、萘和二硫代磷酸酯基的硫桥杯 4 芳烃等 非水溶性的杯芳烃衍生物主体分子以及一些模型客体分子。 ( 3 ) 系统的研究了磺化杯 6 6 芳烃( c 6 a s ) 与邻菲咯啉、邻菲咯啉衍生物 p p q “、喹啉和8 一羟基喹啉客体分子通过主一客体弱相互作用所形成的包合物的 结构。其中c 6 a s 和p p q 2 + 客体分子相互作用，呈现新颖的非对称式的“上一下 双部分锥式构象；而在与其它三种客体分子相互作用时均呈传统的对称式“上一 下双部分锥式构象。主体与客体分子均按1 ：2 的化学计量比包结络合。除与 p p q “客体分子形成的包合物扩展结构呈现蜂窝状排列外，其它三种包合物的扩 展结构均呈现“多聚胶囊 结构。 ( 4 ) 研究了磺化硫桥杯 4 】芳烃( t c a s ) 与2 , 2 一联吡啶衍生物d p e q 2 + 客体分 子以及磺化硫桥杯 4 芳烃( t c a s ) 和磺化杯 4 】芳烃( c 4 a s ) 与1 ，4 一二氮杂双环 2 2 2 】辛烷( d a b c o ) 类客体分子的包合物结构。主客体均按1 ：1 的模式包结络合， 并呈现传统的双层堆积结构。 ( 5 ) 采用荧光光谱研究了三种磺化杯芳烃( c 4 a s ，c 5 a s 和t c a s ) 与光泽精 和1 一甲基喹啉正离子的键合行为。主客体之间均按1 ：1 的化学计量比键合。其 键合常数受溶液p h 条件影响较大。p h = 7 2 条件下主体对客体的键合能力要明 显大于p h = 2 0 条件下主体对客体的键合能力。 关键词：超分子，杯芳烃衍生物，包合物结构，键合行为 a b s t r a c t 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 sa l li m p o r t a n tr e s e a r c hf i e l di nc u r r e n tc h e m i s t r y c a l i x a r e n e sa st h et h i r ds u p r a m o l e c u l a rh o s t sh a v eb e c o m eo n eo ft h em a i nf o c u s e so f s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y t of u r t h e rr e v e a lt h em e c h a n i s m so fm o l e c u l a rr e c o g n i t i o n a n da s s e m b l yb a s e do nc 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 s ，as e r i e so fc a l i x a r e n e d e r i v a t i v e sw e r es y n t h e s i z e da n dt h e i rb i n d i n gb e h a v i o r st ot h ef l u o r e s c e n tg u e s t s w e r ea l s o i n v e s t i g a t e d o n t h eo t h e rh a n d ，8 h o s t g u e s tc o m p l e x e s o f s u l f o n a t o c a l i x a r e n e sw i t hv a r i o u sm o d e l g u e s tm o l e c u l e sw e r ep r e p a r e d i nt h e s i n g l e c r y s t a lf o r m ，a n dt h es o l i d - s t a t ec o n f o r m a t i o na n da g g r e g a t i o nb e h a v i o ro f s u l f o n a t o c a l i x a r e n e sh a v eb e e ns y s t e m i c a l l yd i s c u s s e d t h em a jo rc o n t e n t so ft h i s t h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 。( 1 ) t h eg e n e r a la s p e c to fs u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r yw a sd e s c r i b e di nb r i e f t h e n e wp r o g r e s sa n d i m p o r t a n ta c h i e v e m e n t s o nm o l e c u l a r r e c o g n i t i o n a n d s e l f - a s s e m b l yo fc a l i x a r e n e sw e r er e v i e w e d ( 2 ) t h es y n t h e s e s o fw a t e rs o l u b l e c a l i x a r e n e s ( s u l f o n a t o c a l i x 4 a r e n e ， s u l f o n a t o t h i a c a l i x 4 a r e n e ，s u l f o n a t o c a l i x 5 a r e n ea n ds u l f o n a t o c a l i x 6 a r e n ee t c ) ， w a t e ri n s o l u b l ec a l i x a r e n e s ( d e r i v a t i v e so ft e r t - b u t y l t h i a c a l i x 4 a r e n ew h i c hp o s s e s s e b e n z o t h i a z o l y l ，n a p h t h y lo rp h o s p h o r o d i t h i o a t e ) a n ds o m em o d e lg u e s tm o l e c u l e s ( 3 ) f o u ri n c l u s i o nc o m p l e x e sw e r ep r e p a r e dt h r o u g ht h eh o s t - g u e s tw e a k i n t e r a c t i o n sb e t w e e ns u l f o n a t o c a l i x 6 a r e n ea n d1 ，10 - p h e n a n t h r o l i n e ，d e r i v a t i v eo f 1 ，10 一p h e n a n t h r o l i n e ，q u i n o l i n ea n d8 - h y d r o x y q u i n o l i n e a n dt h e i rs t r u c t u r e sw e r e s y s t e m i c a l l yi n v e s t i g a t e d a l lo ft h e ml e a dt oa 1 ：1 h o s t g u e s ti n c l u s i o ns t o i c h i o m e t r y i tr e v e a l st h a ts u l f o n a t o c a l i x 6 a r e n ea s s u m e san o v e lu n s y m m e t r i c u p - d o w n d o u b l e p a r t i a lc o n ec o n f o r m a t i o ni n d u c e db yp p q z + w h i l em a i n t a i n st h ec o n v e n t i o n a l c e n t r o s y m m e t r i c u p - d o w n d o u b l ep a r t i a l c o n ec o n f o r m a t i o ni no t h e rt h r e e c o m p l e x e s f u r t h e r m o r e ，s u l f o n a t o c a l i x 6 a r e n ea g g r e g a t e st ot h eo v e r a l ls t r u c t u r eo f h o n e y c o m b - t y p ep a c k i n gs t r u c t u r ei nt h ep r e s e n c eo fp p q 计g u e s t ，a n dp r e s e n t st h e p o l y m e r i cc a p s u l e sp a c k i n gs t r u c t u r eu p o nc o m p l e x a t i o nw i t ho t h e rt h r e eg u e s t i i i a b s t r a c t m o l e c u l e s ( 4 ) as e r i e so fi n c l u s i o nc o m p l e x e so fs u l f o n a t o c a l i x 4 a r e n e ( c 4 a s ) a n d s u l f o n a t o t h i a c a l i x 4 a r e n e ( t c a s ) w i t h2 , 2 - d i p y d i d i n i u m ( d p e q z 十) a n d l ，4 一d i a z a b i c y c l o 2 2 2 o c t a n e ( d a b c o ) g u e s t sw e r ep r e p a r e di nc r y s t a l l i n ef o r m a l l o ft h e ml e a dt oa1 ：1 h o s t - g u e s ti n c l u s i o ns t o i c h i o m e t r y a n dt h e i ra g g r e g a t e s t r u c t u r e sr e t a i nc o n v e n t i o n a lb i l a y e ra r r a n g e m e n t ( 5 ) t h ei n c l u s i o nc o m p l e x a t i o nb e h a v i o r so fs u l f o a n t o c a l i x a r e n e s ( c 4 a s ，c 5 a s a n dt c a s ) 、 ，i t hl u c i g e n i na n d1 - m e t h y l q u i n o l i n ec a t i o nw e r ei n v e s t i g a t e db ym e a n s o ff l u o r e s c e n ts p e c t r a t h ec o m p l e x a t i o no ft h e ml e a dt oa1 ：1h o s t - g u e s ti n c l u s i o n s t o i c h i o m e t r y t h ep hv a l u eo fs o l u t i o ne x e c se x t r a o r d i n a r yi n f l u e n c eo v e rt h e b i n d i n ga b i l i t y a sc o m p a r i s o n w i t ht h a ti nt h ec o n d i t i o no f p h2 0 ， s u l f o n a t o c a l i x a r e n e sp r e s e n ts t r o n g e rb i n d i n ga b i l i t yt ot h e s et w og u e s tm o l e c u l e si n t h ec o n d i t i o no fp h7 2 k e yw o r d s ：s u p r a m o l e c u l e ，c a l i x a r e n ed e r i v a t i v e s ，c o m p l e xs t r u c t u r e ，b i n d i n g b e h a v i o r i v 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：孪强 加占年r 月；d 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 李弓虽 2 ，o 。占年，月5 d 日 第一章前言 第一章前言弟一早月i ji 第一节超分子化学概述 超分子化学是近三十年才发展起来的一门新兴交叉学科，其研究范围涉及 化学科学、生物科学、材料科学、信息科学以及环境科学等领域，具有广阔的 发展空间和诱人的应用前景【l 】。超分子化学的研究起源可以追溯到1 9 6 7 年c j p e d e r s o n 对冠醚与金属离子配位行为的研究 2 1 。随后，d j c r a m 根据冠醚可以 作为主体选择性的键合伯胺盐客体的现象，第一次提出了“主一客体化学 的概 剑3 1 。与此同时j m l e h n 在此领域也进行了大量的研究工作，并终于在1 9 7 8 年首次提出了“超分子化学的概念【4 】。由此开始，超分子化学得到了迅速的发 展并逐渐成为当代化学工作者关注的焦点之一。超分子化学所研究的分子间弱 相互作用力对于理解和揭示高级特异性生物过程，如酶或受体与底物的结合、 蛋白质配合物的形成、核酸的嵌合物、基因密码的破译、神经传递过程和细胞 识别等现象有着非常重要的意义。正因为如此，对超分子化学发展具有巨大推 动作用的三位科学家j m l e h n ，d j c r a m 和c j p e d e r s o n 分享了1 9 8 7 年的诺 贝尔化学奖【5 】。近年来，学术刊物( ( s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y ) ) 的创刊发表和以 超分子化学大全) ) ( 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 ) 为代表的几本有影 响力的学术专著的问世【6 】，标志着化学科学的发展( 从分子化学到超分子化学， 即从共价键结合化学到分子间非共价键结合化学) 进入了一个新的历史时期。 顾名思义，超分子化学就是“超越分子概念的化学( t h ec h e m i s t r yb e y o n dt h e m o l e c u l e ) 7 1 ，研究对象是多个物种以非共价键弱相互作用形成的复杂有序且具 有特定功能的分子聚集体，是对共价键分子化学的一次质变和升华。在此之前 人们所熟知的化学主要是研究以共价键相结合的分子的合成、结构、性质和变 换规律，而超分子体系则是由两个或更多的分子物种( s p e c i e s ) 在分子识别 ( m o l e c u l a rr e c o g n i t i o n ) 的基础上通过分子间力( 包括静电、范德华力、疏水、氢键、 俨堆积和电荷转移等非共价键相互作用和协同作用) 维持在一起构成高度复杂的 有组织的统一体，即通过建立于特定作用方式之上的分子识别过程，实现在分 第一章前言 子及超分子水平上的信息存储( s t o r a g e ) 、恢复( r e t r i e v a l ) 、转移( t r a n s f e r ) 和处理 ( p r o c e s s i n g ) 。从这个角度来说，超分子化学的核心概念是分子识别和分子组装。 分子识别是高级结构组装的基础和必要途径，而分子组装则是超分子化学的目 标之一。运用超分子方法构筑超分子体系并展示其特异的功能，对于模拟和解 释某些生命现象具有重要的现实意义。总结起来，超分子化学对化学家至少有 两点重要的启示：( 1 ) 分子间的弱相互作用力在一定条件下可以叠加和协同转化 为强结合能；( 2 ) 通过分子组装形成的超分子体系可以具有完全不同于原组成分 子的全新性能。 自超分子化学的概念提出以来，这一领域的研究经历了从低级结构到高级 结构，从相对简单的主一客体包结配合物到复杂有序的组装结构的过程。传统意 义上的超分子主体，如冠醚、环糊精、杯芳烃等的尺寸相对较小( 约l n m 以下) ， 这极大地限制了它们在功能材料等领域的应用。因此，通过模板效应、自组装 或自组织等方法将相对独立的超分子单元连接为有序的分子组装体就成为改善 超分子物种功能的有效途径。事实上，合成受体的分子组装正日益成为超分子 化学的研究主线。近年来，研究发现当物质颗粒尺寸达到1 1 0 0 0 纳米范围时， 其性质往往会发生显著的变化，特别是在电、光、磁、力学以至生物性能等方 面体现得尤为明显，并由此产生了一门新兴的交叉学科纳米化学。鉴于此， 当今分子组装研究的热点逐步集中到采用适当的调控手段将组装体的规模控制 在纳米尺度。这一类新型物种的优势在于它既兼具了组装体中各个结构单元的 优点，但又不是各单元性能的简单叠加，使得科学家能够在较高的分子水平或 单分子水平上开发功能材料和分子器件，从而促进信息、能源、材料、环境、 医疗卫生、生物和农业等领域的技术革命。 目前国内外已有大量来自于化学、生物学、物理学、材料科学和微电子技 术等领域的科学工作者广泛致力于通过自组装的方式得到分子纳米结构并研究 其作为纳米材料和分子机器的应用，已经取得了相当大的进展【6 ，8 j 。随着这些领 域的飞速发展，超分子化学已经由研究合成受体的分子识别和组装到纳米尺度 功能聚集体的构筑和调控，这也是主一客体化学向纳米超分子科学发展的必由之 路。大量的研究表明，纳米超分子的构筑主要是将尺寸相对较小的超分子结构 单元通过金属配位软连接或主一客体间的非共价弱相互作用形成有规则的二维、 三维的纳米结构，而纳米超分子材料的功能则存在于这种组装之中。 2 第一章前言 冠醚椭杯芳烃 卟啉 n n 酞菁 几种典型的合成受体 继冠醚和环糊精之后，杯芳烃【9 】被称为第三代主体超分子。杯芳烃及其衍生 物不仅可以包结各种客体分子形成超分子络合物，而且可以作为构筑纳米材料 的基本建筑块，在功能材料科学领域扮演着重要的角色。本论文的研究工作主 要着眼于新型杯芳烃衍生物的合成、分子识别和分子组装。因此，在下一节中 将重点介绍以杯芳烃为受体的超分子化学最新研究进展。 第二节以杯芳烃为受体的超分子体系 杯芳烃是由苯酚单元通过亚甲基在酚羟基邻位连接而组成的一类环状低聚 物，它的历史可以追溯到1 8 7 2 年德国化学家b a e y e r 1 0 】对苯酚与甲醛水溶液加热 反应的研究。在该反应中他得到一种难以纯化的树脂状物质，但当时受到实验 手段的限制，产物结构没有最终确定。三十年后，比利时化学家b a c k e l a n d t l l 】重 新对苯酚和甲醛水溶液反应进行详细的研究，制备了酚醛树脂，并将其产品化 取得专利，这种树脂塑料被取名为b a k e l i t e ，从此开创了高分子合成的新纪元。 由于酚醛树脂固化之后是不溶和不熔性的高分子，对它的结构和固化过程的研 3 ) 丸o o o 小o o l 、_ 一， o 冬 呲d y n 洲l d d r 洲 环一x p o ? j 州 岛冷洲 第一章前言 究均很困难。二十世纪4 0 年代，奥地利化学家z i n k e 【1 4 在前人工作的基础上， 设想如果用对位取代的酚代替苯酚与甲醛反应，则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，在此过程中分离得到一种高熔点的晶状化舍物，经鉴定为环状的四聚体结 构。这就是杯芳烃发现的渊源。 在此后的数十年中，对这类化合物虽有一些研究如k 萏t r t m e r e r 和h a p p e l i l m 采用片段合成法制各了一系列具有扯7 个苯环单元的环状类似物，但这类化合 物的潜在用途并没有引起广泛的兴趣。直到二十世纪7 0 年代末，随着冠醚、环 糊精等大环化合物研究工作的深入，特别是作为模拟酶的可能性，这类新型的 大环化台物吸引了美国化学家g u t s e h e 的极大兴趣，在其合成与性能研究方面开 展了系统且深入的工作，至此才使这类大环化合物得到化学家们的广泛关注。 由于其环四聚体的c p k 分子模型在形状上与称作c a l i xc r a t e r 的希腊式酒杯相似 ( 图11 ) ，因此g u t s c h e 将这类化合物命名为“杯芳烃”( c a l i x a r e n e ) 。 锣警 图l1 杯芳烃的c p k 模型与希腊式酒杯 在杯芳烃的命名中，为了方便表示母体苯酚单元的数目，在c a l i x 和a r e n e 之间插入一个方括号，里面注明个数”。比如，四聚体即为c a l i x 4 a r e n e ( 杯 4 1 芳烃) 。关于命名细则，详见文献4 1 。图1 2 给出三种常见杯芳烃的分子结构。 第一章前言 图1 2 对叔丁基杯【4 】芳烃、杯【5 】芳烃和杯 6 芳烃的结构 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 ) 通过调整不同的反应条件及引入适当的基团，可控制所需要的构象； ( 3 ) 杯芳烃的衍生化反应，不仅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，这不仅能弥补杯芳烃自身水 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性；( 4 ) 杯芳烃的热 稳定性及化学稳定性好，溶解性虽较差，但通过一定的化学修饰后，其衍生物 具有很好的溶解性；( 5 ) 杯芳烃与离子和中性分子均能形成主一客体包结物，这 点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。 基于杯芳烃上述的一些特点，近二十年来，杯芳烃化学得到迅猛的发展， 到现在已有多本专著和多篇综述性文章【9 ，1 5 】报道杯芳烃在液膜传输、络合萃取、 分子探针、分子器件、传感器、液晶、非线性光学等领域的应用潜力。本章将 主要从杯芳烃的分子设计及构象、分子识别和超分子组装三个方面介绍杯芳烃 的超分子化学。 5 第一章前言 1 2 1 杯芳烃的合成及构象 z i n k e 1 2 】开创了杯芳烃的一步合成法，他率先利用对叔丁基苯酚和甲醛在碱 性条件下直接缩合制备了对叔丁基杯 4 】芳烃。之后，g u t s c h e 1 6 l 对z i n k e 的方法 进行了改进，分别选择性的一步制备了对叔丁基杯【4 】芳烃( c a l i x 4 a r e n e ) 、对叔 丁基杯 5 】芳烃( c a l i x 5 a r e n e ) 、对叔丁基杯 6 】芳烃( c a l i x 6 a r e n e ) 和对叔丁基杯 8 】 芳烃( c a l i x 8 a r e n e ) ( 图1 3 ) 。表1 1 中列出各种杯芳烃的合成条件和产率。杯芳 烃的这种合成方法是非常令人吃惊的，因为在反应中分别有8 、1 2 或1 6 个新的 化学键以严格定义的方式生成。这种多个反应底物作为起始原料，在特定条件 下生成单一的产物的反应，在其它高分子的制备中是很少见的。事实上，这类 环状化合物比它们的线性异构体更容易得到。尽管一步法制备对叔丁基杯 n 】芳 烃( n = 4 ，6 ，8 ) 的反应条件已经相对很清楚，但是对于其反应机理还存在许多没有 弄清楚的问题。此外，1 9 9 7 年m i y a n o r 7 】将对叔丁基苯酚和硫粉在碱性条件下 ( n a o h ) 直接缩合，得到硫桥对叔丁基杯芳烃，也使之成为杯芳烃家族中崭新的 一员。 +nh 2 c ：o 旦 图1 3 几种常见杯芳烃的一步合成方法 - i - n h 2 0 表1 1对叔丁基杯 4 】、【5 】、【6 】、【8 】芳烃的制备条件和产率 6 第一章前言 除上面所说的一步合成法之外，还有可以合成特定单元数目和对位有不同 取代基的杯芳烃的多步合成法和片段缩合法【1 9 j 。在g u s t c h e 的专著9 a l 中将二 者分别称为非收敛性( n o n c o n v e r g e n t ) 多步合成法和收敛性( c o n v e r g e n t ) 多步合 成法。片段合成法与多步合成法最大的区别在于，前者为分子间关环反应，而 后者为分子内关环反应。这两种方法在杯芳烃的合成中应用不是很广，本文不 再赘述，具体的内容可以参考相应文献。 杯芳烃原料制备的简单化和大量化使其进一步衍生化研究成为可能，为杯 芳烃化学的发展打下了坚实的基础。杯芳烃拥有特殊的结构，且易于衍生化， 因而成为理想的分子平台用于构造具有各种官能团和特殊结构的主体分子，以 赋予杯芳烃新的功能和特性。目前新型杯芳烃的分子设计主要通过下缘酚羟基 修饰、上缘对位修饰和亚甲基桥取代三种途径，如图1 4 所示。 1 0 h 图1 4 杯芳烃衍生化示意图 首先，杯芳烃的酚羟基自身就是一个官能化基团，它可以与多种试剂反应 制备各种杯芳烃的衍生物。其中最易进行的包括醚化、酯化等反应，这类下缘 衍生物已经有了大量的实验报道【2 们。其中对杯芳烃下缘羟基的选择性修饰是一 个颇有挑战性的课题。同样，在杯芳烃上缘进行亲电反应，如磺化、硝化、c l a i s e n 重排、m a n n i c h 反应、氯基化、f r i e d e l c r a r s 反应等，也受到了相当的关注【2 0 1 。 上缘修饰不仅可以在杯芳烃的框架上引入各种功能基团，而且能够扩大和加深 杯芳烃的空腔。需要注意的是，杯芳烃的衍生反应并不像上述的那样简单，因 为杯芳烃是一个多反应位点的化合物，面临着全修饰或者部分修饰，以及区域 选择性等诸多问题。一些典型的具体实例将在下文中结合识别性质和组装功能 加以详述。此外，基于杯芳烃分子平台的特殊衍生化，如：杯芳冠醚【2 1 ，2 2 1 、多 7 如 第一章前言 杯芳烃口3 1 、树枝状大分子t 2 4 1 以及金属有机杯芳烃【2 5 1 等等，赋予了杯芳烃新的意 义，进一步强调了杯芳烃操作平台的价值。亚甲基桥的修饰【2 6 】以及一些改变杯 芳烃骨架的衍生( 如置换羟基成氨基f 2 刀和氧化酚成醌等1 2 8 1 ) 虽然研究较少，但是近 几年来也得到了一定的发展。 杯芳烃是一种构象不稳定的体系，不论在溶液中还是在固态条件下往往都是 多种构象的混合物。同一杯芳烃或其衍生物的包结配位性能与构象有很大的关 系，因此如何测定杯芳烃的构象，以及在杯芳烃的合成和衍生化反应中如何获 得具有特定并稳定的构象，对杯芳烃的化学性能及反应来说都具有非常重要的 意义。 锥式 t , 3 一交替式 1 , 2 一交替式 图1 5 对叔丁基杯【4 】芳烃的四种常见构象 x 一射线晶体结构分析的结果表明，对叔丁基杯 4 】芳烃在固态时，以杯子的 形状存在，它的四个羟基处于同一平面，呈现出所谓的“锥式( c o n e ) ”构象， 而在溶液状态，杯【4 】芳烃的苯酚单元可以通过芳香基团围绕与亚甲基桥相连的 碳原子翻转，表现出杯【4 】芳烃的其它三种构象：“半锥式( p a r t i a lc o n e ) 、“1 ，3 一 交替式( 1 ，3 - a l t e m a t e ) ”和“1 ，2 一交替式( 1 ，2 一a l t e r n a t e ) ”( 图1 5 ) 。杯【6 芳烃和杯【8 】 8 第一章前言 芳烃由于苯酚单元的增加，体系柔性显著提高，构象更是复杂多变，分别有8 种和1 6 种主要构象。另外，还有多种多样的苯环发生部分扭曲的构象。也正因 为此，有关杯 6 芳烃和杯 8 】芳烃构象的研究相对较少。 在初步了解杯芳烃的基本构象之后，当我们修饰杯芳烃时首要面对的问题 是如何控制其构象。由于杯芳烃构象的变换是由于下缘酚羟基穿过环内旋转而 发生的，因此可以通过化学修饰，在酚羟基上引入较大的基团来固定杯芳烃的 构象【3 。对于对叔丁基杯 4 】芳烃来说，这方面最早的工作是由u n g a r o 掣3 1 】进行 的，他们将酚羟基乙酰化后，得到了稳定的“半锥式 构象。具体到实际的合 成过程中，常以丙氧基取代羟基固定其构剩3 2 j 。此外，如图1 6 所示，在杯芳烃 的上缘或下缘引入各种类型的桥链也可以固定杯芳烃的构象【3 3 1 。在此基础上， 人们已经设计合成了各种各样的具有不同构象的杯芳烃衍生物。 图1 6 几种构象固定的桥链修饰的对叔丁基杯 4 】芳烃 除了通过化学修饰外，杯芳烃的构象还可以通过分子间的非共价键相互作 用来控制。一是通过杯芳烃与金属离子的配位作用诱导杯芳烃的构象固定化。 g 6 m e z k a i f e r 等【3 4 】研究了二醌杯 4 】芳烃在溶液中的构象，结果表明其主要构象 为“部分锥式 。然而，在钠离子的存在下，其构象发生缓慢翻转，成为对称 的“锥式构象，如图1 7 所示。由此可见，可以通过杯芳烃与金属离子的配位 作用诱导出杯芳烃的不同构象。 9 第一章前言 图17 金属离子诱导的杯芳烃构象变化 二是通过分子间的氢键作用来实现杯芳烃的构象固定化。r e i n h o u d t 等m 1 设 计了1 , 3 一位上缘拥有两个脲基的杯 4 芳烃衍生物( 图18 ) ，它们在氘代氯仿中采 取受挤压的锥式 ( p i n c h e d c o n e ) 构象，这种构象在氘代四氯乙烯中至少在1 2 0 0 c 还保持稳定。其中前者以单体形式存在，通过分子内的氢键稳固构象：而后者 则以分子间氢键作用形成二聚体来保持“受挤压的锥式”构象。这一结果表明， 由于分于内或分子间氢键作用的存在，周定化了杯芳烃的骨架。 图l8 通过分子内氢键或分子问氢键固定杯芳烃构象 22 杯芳烃的分子识别 杯芳烃实质上是一种特殊的的环番( m e t a c y c l o p h 8 n 0 ，从上面可以看到这类 大环化合物具有结构灵活多变( 尤其是构象变化) ，易于修饰的特点。在环的上缘 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、阳离子吨作用、呕堆积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位、催化和能量转换等特殊功能。在杯芳烃上下缘 磁 第一章前言 引入各种基团的功能化杯芳烃，可以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，能与不同大小、不同性质的客体分子相匹配，如与阳离子、 阴离子以及有机分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 楔合能力【3 酬。 识别金属离子：杯芳烃本身具有紧密相邻的多个羟基和一个兀体系洞穴，使 杯芳烃及其衍生物几乎能与所有的金属形成配合物，并展示独特的性能，因此 杯芳烃类主体化合物被广泛用于对主族金属、镧系、锕系以及过渡金属元素的 识别研究。 i z a t t 掣3 7 】基于液膜迁移实验最早报道了对叔丁基杯【n 】芳烃( n = 4 ，6 ，8 ) 对 l i + 、n 矿、k + 、r b + 、c s + 和a a ：+ 等金属离子的络合行为。他们发现，在中性溶液 中杯芳烃不具有离子载体能力，而在强碱性溶液中则对金属离子展现出显著的 迁移效率。有趣的是，尽管这些杯芳烃对碱金属离子有识别作用，但对碱土金 属不能有效的键合。另外，他们通过控制实验检测了对叔丁基苯酚与这些离子 的迁移行为，发现这一单体对离子无络合作用，因此杯芳烃的环状结构对于键 合金属离子具有重要贡献。杯【4 】芳烃单阴离子的环状结构直径约为1 o a ，杯 6 】 芳烃为2 4 a ，杯 8 芳烃为4 8 a 。因此在与金属离子配位时，杯【4 】芳烃的尺寸比 l i + 还小的多，不能有效键合。然而对c s + 的特殊迁移效率，被b 6 h m e r 等【3 8 】归结 为杯芳烃与c s + 形成内式配合物。通过混合离子迁移实验，i z a t t 掣”】还发现杯芳 烃能够选择性的迁移c s + ，其中对叔丁基杯【4 芳烃给出最高的c s + 选择性；另一 方面，在c s + 离子存在时，n 矿离子的流量比n a + 离子单独存在时的流量增加， 表明体系存在协同效应。 表1 2 杯芳烃对碱性溶液中的阳离子的迁移( m o l s d m 2 x 1 0 8 ) 对叔丁基杯芳烃对叔戊基杯芳烃 塑塑塞兰童型叁【兰】【g【墨】【垒】圄 l i o h1 5 2 1 02 一一 n a o h2 0 4 22 2 93 1 0 k o h 2 7 6 对磺酸基杯【4 】芳烃，这一结果与吖啶 红拥有较大分子尺寸相对应。更引人注意的是主一客体配位的荧光行为，其中三 种对磺酸基杯芳烃对吖啶红的荧光有淬灭作用，而下缘酚羟基被丁烷化的对磺 酸基杯【6 芳烃对吖啶红的荧光有增强作用这一结果被归结为静电相互作用、 氢键和疏水相互作用的综合效应。有趣的是，环糊精作为疏水性主体参照物， 它会显著增强吖啶红客体的荧光，其中争环糊精给出最高的配位稳定性。最近， 刘育等还采用等温微量热滴定法测定了磺化杯1 4 ，5 芳烃和磺化硫桥杯【4 】芳烃在 p h 一2 0 条件下对毗啶及其衍生物阳离子的配位稳定常数，并通过核磁和单晶 x - 射线衍射推断其识别机理和键合模式1 6 1 ；同样通过量热和核磁的方法研究丁 不同p h 条件下磺化杯【4 ，5 】芳烃和甲基紫精的键合行为( 图i1 4 ) 嘲。 鲁 圈11 4 磺化杯【屯5 】芳烃与甲基紫精的键合模式 除磺化杯芳烃之外，r a e h o n 等1 6 7 还成功合成了上缘磷酸基修饰杯【4 芳烃， 并通过核磁波谱研究了该水溶性主体对氨基醇客体分子的键合行为，结果显示 磷酸修饰杯芳烃能够包结麻黄碱、降麻黄碱以及去甲肾上腺素等生物分子盐酸 盐。 识别阴离子：杯芳烃对阴离子的识别不同于阳离子：首先，阴离子的半径 都很太，即使单原子的阴离子如f - ( 1 3 6a ) 、c i 一( 18 ia ) 、b r ( 1 9 5a ) 和r ( 21 6 a ) 也是如此，因此它们的电子云密度较低：其次，它们具有不同的几何构象， 包括球型( 如r 、c i 一、b r - 和n 、直线型( 如n 3 一、c n - 和s c n 、平面型( 如n 0 3 - 、 c 0 3 一和r c 0 2 ) 以及四面体型( 如p o ，一、s 0 4 2 - 和c 1 0 4 ；此外。它们有很强的 溶剂化趋势，并且受酸度的影响很大，大多数阴离子只能存在于一定的d h 值范 围内。故在设计配体时，必须考虑全部的影响因素。 第一章前言 b e e r 等还报道了在杯芳烃下缘【6 8 】和上缘【6 9 】引入钌联吡啶配合物基团( 图 1 1 5 ) ，得到了一类新型的阴离子载体h 1 和h 2 。由于它们具有氧化还原性和光 学活性，因此具有便于检测的优点。x 一射线晶体结构研究表明，化合物h l a 的 下缘空腔中包含有一个h 2 p 0 4 - 离子，它依靠与两个酰胺和一个酚羟基所形成的 氢键而稳定存在于杯芳烃的空穴之中。循环和方波伏安研究表明，在1 0 倍量的 h s 0 4 - 和c l 一离子存在下，化合物h l a 仍然能够选择性感应h 2 p 0 4 - 离子。钌联吡 啶基团在对位上的化合物1 t 2 表现出与化合物h 1 相似的选择性，与h 2 p 0 4 - 离子 的结合常数为4 4 0 0d m 3 m o l ，而与c 1 - 离子的结合常数仅为8 0d m 3 m o l - 1 。 n ( h 2 c 己j c h 2 ) n h l a ：n = 0 h 1 b ：n = 1 h 2 a ：r = h r - t s h 2 b ：r = t s r = h 图1 1 5 钌吡啶配位基团修饰的杯【4 】芳烃衍生物 a t w o o d 等【7 0 】设计合成了一系列金属有机杯芳烃，在这一类分子中，杯芳烃 提供苯环与金属形成夹心式金属吨配合物，使得杯芳烃空腔由富电子变为缺电 子，酚羟基的酸性增强，从而能够选择性的包结富电子的阴离子客体。 由于阴离子容易与各种带有活泼氢的基团如脲、硫脲等形成氢键，因此利 用氢键来识别阴离子是设计阴离子受体的一个重要策略。r e i n h o u d t 7 l 】和j o e n 等 u 2 】分别合成了许多上缘下缘脲基或硫脲基修饰杯芳烃衍生物，显示出对阴离子 高的识别能力和选择性。黄志镗和陈传峰等 7 3 j 设计合成了一系列拥有荧光基团 的氢键阴离子识别受体，荧光光谱和核磁研究表明，它们分别选择性地识别 a c o 一、h 2 p 0 4 - 和r 离子。k i m 掣7 4 j 合成了含有芘基团的杯 4 芳烃，可以选择性 1 8 第一章前言 的键合f 离子后，并反映到紫外信息的变化 圈i1 7 同时具有阳离于和阴离子键台能力的杯芳烃双重识别系统 识别中性分子：许多杯芳烃都可以识别各种各样的有机小分子- 形成固态 第一章前言 配合物。对叔丁基杯 4 】芳烃能包结氯仿吲、苯唧、甲苯1 8 0 1 、二甲苯”啪茴香醚 等：对叔丁基杯 5 】芳烃可以与异丙醇洲和丙酮【”1 形成包结配合物；对叔丁基 杯【6 芳烃可以与氯仿、甲酵p ”和甲苯瞰1 键合；对叔丁基杯 8 】芳烃能与氯仿删 形成包结配合物。然而这些固态配合物的稳定性有较大差别，对叔丁基杯【4 】芳 烃和对叔丁基杯 6 芳烃可以紧密的结合客体分子，其晶体中的溶剂分子在高温 和真空条件下仍可稳定存在，而对叔丁基杯 8 芳烃与氯仿的配合物则在常温下 很快分解。 晶体结构表明，杯芳烃可与客体分子形成内式( e n a o ) 和外式( e x o ) 两种类型的 配合物。例如对叔丁基杯 4 】芳烃与苯例、对叔丁基杯【4 芳烃甲酰乙酯与乙腈【8 3 l 形成内式配合物，客体分子位于杯芳烃空腔的中心。与此相反，对( 1 ，l ，3 ，3 一四甲 基丁基) 杯 4 】芳烃与甲苯形成外式配合物，甲苯位于杯芳烃分子之间。这是由 于此杯芳烃对位取代基具有较高柔性而部分自包结进入自身空腔从而阻碍杯 芳烃进一步容纳客体分子。 r j p m e e s t e r 等”通过晶体结构详细研究了对叔丁基杯 4 】芳烃与多种氟取代 苯的络合行为，结果表明主客体络合物的结构可以由客体分子控制调节，或者 包结客体进入空腔或者杯芳烃自包结而客体位于空腔外围。此外，水溶性的 磺化杯 4 】芳烃能够通过特殊的h 呵相互作用包结h 2 0 进入其疏水空腔忡1 。 a t w o o d 等”1 研究发现c 出、h 2 等气体分子可以通过范德华相互作用有效地吸附 于杯【4 】芳烃晶格中，因而这种有机晶体具有应用为气体储存器的潜力( 圈l1 8 ) 。 图11 8 照片显示了气体分子从辑【4 】芳烃晶体中逸出的情景 第一章前言 g u