（有机化学专业论文）新型光学活性笼状环芳分子的设计与合成.pdf

硕十学位论文 摘要 具有单一手性的光学活性的环芳分子，诸如拓扑有趣的螺旋和笼状环芳分子 是一类非常引人注目的分子母体，这不仅仅是因为其分子结构优美和在合成上富 有挑战性，更重要的是它们独特的结构特征( 如7 c 共扼和螺旋手性等) 预示出这类化 合物作为新型功能材料的应用潜力。本论文在大量的文献调研和本实验室过去研 究结果的基础上，设计并且合成了从( 尺) 和( 研2 ，2 二乙炔基1 ，1 联萘模板出发了 含6 个联萘单元的笼状化合物( 尺，尼足足冠尺) 和( s s s s s 研2 3 。 在论文的第二章，主要讨论了具有单一手性 ( r ) 构型或( 回构型】的2 ，2 二乙炔 基1 ，l 联萘模板的合成。从光学活性的2 ，2 二羟基1 ，l 联萘出发，经过酯化， k u m a d a 偶联，溴化，水解和w i t t i g 消除反应五个步骤，成功地获得了具有单一 手性的的2 ，2 二乙炔基1 ，l 联萘。 第三章主要讨论了新型手征性笼状化合物的设计与合成。从( r ) 和( 研2 ，2 二 乙炔基1 ，l 联萘模板出发，通过保护基的控制导入，偶联反应，保护基脱去以及 分子间偶合成环等步骤成功地合成了光学活性分子方( 尺，尺，尺，足尺，尺) 2 3 和 ( s s s s s 回2 3 。也就是以间位亚苯基为连接桥，通过c u 催化的e g l i n t o n 反应和 c u 、p d 共催化的s o n o g a s h i r a 反应，设计合成了具有6 个联萘单元的笼状化合物 ( 灭，r ，尺，尺，尺，尺) 一和( s s $ - 2 3 。 本文还测定这些化合物的c d 、比旋光度、紫外等性能，异构体的c d 谱呈现 出良好的镜像对称关系，这表明了异构体为对映异构体。通过c h e m 3 d 的计算， 本文给出了化合物结构的填充模型图，并且计算了目标化合物的空穴大小。目标 化合物2 3 的分子空腔中，间位苯环与相对的二炔单元之间的平均距离1 3n m ， 空腔尺度大约相当于1 8 个c 6 0 的直径。对目标化合物的空穴尺度的大小的研究， 对主客体化学有着重要的意义。 综上所述，本论文以光学活性的2 ，2 二乙炔基1 ，l 联萘为模板，通过炔键的 连接成功的合成了此类具有有趣拓扑结构的环芳分子，并对其性质进行了初步的 研究。本文当中中间体和目标化合物都经过m s 、i r 、1 hn m r 、1 3 cn m r 和d e p t 组合测定得到确认。并通过计算化学的方法对目标分子结构进行了模拟。 关键词：联萘模板；手征性；环芳化合物；合成 新型光学活性笼状分了的设计j 合成 a bs t r a c t o p t i c a l l ya c t i v ec y c l o p h a n e s ，s u c ha sh e l i c a lm o l e c u l e sa n dt h r e e d i m e n s i o n a l ， c a g e l i k ec y c l o p h a n e sh a v e b e e nt h es u b j e c to fe x t e n s i v ei n v e s t i g a t i o nf r o mt h e s t a n d p o i n t so fs t r u c t u r a lc h e m i s t r ya n dm a t e r i 。a ls c i e n c e t h ef u n d a m e n t a ls o u r c e so f t h ei n t e r e s ti nc y c l o p h a n e si n c l u d et h ec o n c e p t i o no f n o v e l ，a e s t h e t i c a l l yp l e a s i n ga n d i n t e r e s t i n gs t r u c t u r e s ，t h ec h a l l e n g eo fs y n t h e s i z i n gt h e m ，a n dt h es t u d yo ft h e i r p r o p e r t i e so n c et h e yh a db e e np r e p a r e d t h e i ru n i q u es t r u c t u r a lf e a t u r e s ( 7 【一c o n ju g a t e d ， h e l i c i t y ) i n d i c a t et h e i rp o t e n t i a la p p l i c a t i o n si no p t i c sa n de l e c t r o n i c s i nt h i st h e s i s ， b a s e do nt h ep r e c e d i n gr e s e a r c ho fo u rl a b o r a t o r y ，an e w t y p eo fc a g e l i k ec y c l o p h a n e s ， i nw h i c hl ，l b i n a p h t h y lu n i t ，t h es o u r c eo fc h i r a l i t yc o n n e c t e db y e t h y n y lw a s d e s i g n e da n ds y n t h e s i z e ds u c c e s s f u l l ya n dt h e i ro p t i c a lp r o p e r t i e sw e r ep r e l i m i n a r i l y r e s e a r c h e d i nt h es e c o n d c h a p t e r , ar a t i o n a ls y n t h e t i c r o u t ef o r e n a n t i o p u r e2 , 2 d i e t h y n y l - 1 ，1 b i n a p h t h y l w a se s t a b l i s h e d f r o m t h e o p t i c a l l y a c t i v e2 2 - d i h y d r o x y - 1 ，1 b i n a p h t h y l ，t h r o u g he s t e r i f i c a t i o n ，k u m a d ac o u p l i n g ，b r o m i z a t i o n ， h y d r o l i z a t i o na n dw i t t i ge l i m i n a t i o nr e a c t i o n ，2 , 2 - d i e t h y n y l 1 ，1 b i n a p h t h y lw a s o b t a i n e d i nt h et h i r dc h a p t e r ，t h ed e s i g na n ds y n t h e s i so fe n a n t i o p u r ec o m p o u n d sw i t h c a g es t r u c t u r ew e r ed e s c r i b e d e n a n t i o p u r em o l e c u l es q u a r e 一( r ，r ，r ，r ，r ，r ) a n d ( ss sss 劝- 2 3w e r es y n t h e s i z e df r o m ( r ) 一a n d ( 研- 2 ，2 一d i e t h y n y l 一1 ，1 一b i n a p h t h y l t e m p l a t e sb y s e v e r a l s t e p si n c l u d i n gt h ei n t r o d u c t i o no fp r o t e c t i n gg r o u p ， i n t e r m o l e c u l a rc o u p l i n gr e a c t i o n ，r e m o v a lo fp r o t e c t i n gg r o u p ，a n di n t e r m o l e c u l a r c r o s s 。c o u p l i n gc y c l i z a t i o n i na d d i t i o n ，v f at h el i n k i n go fm p h e n y l e n e ，c o m p o u n d s ( r ，r ，r ，r ，r ，r ) - a n d ( r ，r ，r ，r ，r ，r ) 一， w i t h c a g e s t r u c t u r ew e r e d e s i g n e da n d s y n t h e s i z e df r o m ( r ) - a n d ( s ) 一2 ，2 - d i e t h y n y l - 1 ，1 b i n a p h t h y lt e m p l a t e s t h e s e c o m p o u n d sh a v et h es a m eb u i l d i n gb l o c ka n di n v o l v es i xu n i t so fb i n a p h t h y l i nt h e s y n t h e s i so fc o m p o u n d s ( r ，r ，r ，r ，r ，尺) 2 3a n d ( sssss 趵2 3 ，t h ed e c o m p o s i t i o no f t m sg r o u pi nc o m m o ne g l i n t o nr e a c t i o nw a s s u c c e s s f u l l y a v o i d e d b y t h e h o m o c o u p l i n go fa l k y n eu n d e rs o n o g a s h i r ar e a c t i o nc o n d i t i o n t h ec i r c u l a rd i c h r o i s m ( c d ) s p e c t r a ，s p e c i f i cr o t a t i o n s ( 仅】d 2 5 ) a n du v s p e c t r ao f t h e s ec o m p o u n d sw e r ec h a r a c t e r i z e d t h e i rc ds p e c t r a sr e p r e s e n t e de x a c t l ym i r r o r i m a g e so fe a c ho t h e r , w h i c hr e f l e c t e du n a m b i g u o u s l ye n a n t i o m e r i cr e l a t i o nb e t w e e n i i i t w f o1 i s o m e r s t h e s p a c em o d e l s o ft h e s ec o m p o u n d s w e r e t o h b e t a c i a _ n v e i d t y a n s d i z t e h e 。f c a t v h i e t y t s a i r z g e e s t “m e s e ：o 州m p o 殳u n n d m sw w e h r m ec a 撒l c u l a t e d 。；m u e s i s n 。g f c m h e e m m 3 d m e 。：置嚣s 盖：n t h ec = t y c ? 州叭8 n m ，w m 曲撒眦8 0 n n m ? 豇叭? 鼍“一 。 s i z e s a o ft h e s “e ，；c 。o m t h p p o 。；u 。n d a s i so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t o h o s t - g u e s v t v c i t n h e m n 。1 s v t e r l y ，a e s t h e t i c a l l y n e wt y p eo fc a g e l i k ec y c l o p l a a n e s s ( ，i i lt h i s1 l h e s i s ，a c t l l 一i n 。1 k 1 e l r s l l “w e 。r l e c o n n e c t e dt o p 1 e a s i n ga i n d l ，i n t e r e s t i n gs t r u ac t u r l e ，s , i nw h h i t c h h a l t e h n r e e ed i t - t e r e n t w t i i n t h k e e r t h sy w n c y l l , w a sd e s i g n e d t h e2 a n d2 p o s i t i o n so f a1 ，1 - b i n a p h t h a l e n et e m p l a t ew u 1 川一。p 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：畅名t日期：l 罗年1 月7 日 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 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 桶笼 导师签名：箬阢匕 x i io 一一 日期：乙矿年- f 月7 日 日期：0 ，o 可年- i 月7 日 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 芳炔体系大环合成研究 近年来，具有刚性结构并含有不饱和碳氢主链的芳炔类环( 图1 1 ) 受到了人们 的广泛关注，这种关注来自于它们所具有的独特性质和潜在应用价值。这类大环 由芳环和乙炔撑单元有序构成，具有固定形状。这种结构的优势在于产生尽量小 的环应力和较大的直径厚度比，从而拥有较大的内环体积，并且其范围在纳米尺 度。 图1 1 芳炔类大环化合物结构示意图 固定环芳化合物的主链结构，对其侧链进行修饰，引入不同功能性的基团都 可能产生某些独特而有趣的性质。芳炔类大环具有平面或接近平面的构型，使得 这类大环容易发生非共价驱动自缔合形成超分子结构，从而引发一系列关于三维 纳米结构、液晶、管状通道、主客体化合物和多孔有机固体的研究。 在设计合成分子时，尺寸和形状是最重要的两方面。例如不同的内环尺寸将 导致不同的离子通道，同时形状不同会带来超分子结构中层层自组装的差异性。 芳环和炔键的数目主要用来决定大环的尺寸；而芳环和炔键的相对位置决定了大 环的形状。利用芳环的邻、间或对位连接炔键，可以形成6 0 0 、1 2 0 。或1 8 0 0 的结构， 从而实现环芳化合物的不同形状。 1 1 1 三种不同的成环方式 人们不断总结和研究不同的关环方式，归纳起来主要有以下三种方法：( i ) 一步 法关环方式，( i i ) 分子内关环方式，( i i i ) 分子间关环方式( 图1 2 ) 。一步关环法的缺点 是显而易见的，它不可避免地会导致产率低下，产物复杂难于分离，以及难以控 制大环的结构。通过精确的结构控制，同时采用分子内成环，合成出苯炔体系大 环的方法已常见于文献报道。m o o r e 等【l 】用下列方法合成了一系列大环分子。这种 分子内关环的优点在于，它大幅度地提高了关环产率，可以达n 7 0 8 0 。但这 新型光学活性笼状分子的设计与合成 种方法也有其缺点：关环涉及到保护、偶联和去保护三个重复过程，导致合成十 分繁琐和费时。基于以上两种方法，一种折衷的关环方法被开发和应用，分子间 关环方式被用来合成环芳化合物。这种关环方式既可以对侧链进行修饰，又不需 要太多重复而繁琐的过程，因而被广泛采用。例如，t o u r 等1 2 j 报道了分子间关环合 成了一些芳炔类大环。保持适当链长和合适活性端基进行分子间关环，产率较高 ( 5 0 ) 。 d 二c c u h b t b s o c r p d ( d b a ) 2 ，p p h 3 ，c u i t r i e t h y l a m i n e ，7 0 c 7 5 c u c l 2 c u c i t b s o - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - p y r i d i n e rr 一般的合成方法是，在共价键模板上先通过反复增加合成半环，然后通过炔- 炔偶合反应关环，并在特定条件下消去模板。模板合成的优点在于：( i ) 前体的合 成不像分子内关环繁琐和费时；( i i ) 相对于分子间关环，模板合成使得分子间的关 环更有利，具有相当高的产率：( i i i ) 利用片断的长度和数目，通过附着、环化和去 附着反应可以方便地控制环的大小。h o g e r 等t3 】利用共价键附着在模板上，合成了 一系列芳炔类大环( 图1 3 ) 。 2 图1 3典型的模板法环化 1 1 3 热力学可逆环化 文献【4 1 报道利用大环主链的可逆反应进行环化。高浓度条件下，含羰基和含氨 基的两个低聚物在甲醇中通过亚胺缩合关环形成大环( 图1 4 ) 。尽管亚胺缩合具有 可逆性，并且没有将副产物分离出体系，但该反应转化率很高。 r rr l r r o h c r rr 4 - h 2 0 r 图1 4 热力学可逆关环 1 1 4 相似结构的芳烯大环脱氢法 对于较高张力的芳炔大环，一般采用相似结构的芳烯大环然后脱氢得到。例 3 新型光学活性笼状分子的设计0 合成 如o d a 等【5 1 采用多种二甲酰基1 ，2 ( z ) 苯基乙烯偶联得到中间体，经溴化、脱h b r 得到三元环。 h o 图1 5 相似结构脱氢法 1 1 5 沉淀驱使的炔交换法 利用炔交换催化形成大环同样受到广泛关注，对反应条件和催化剂的摸索和 改进使得该方法具有越来越显著的优势。m o o r e 等【6 】报道了用一种钼的炔化物， 以对硝基苯酚为溶剂，利用沉淀生成的副产物带动反应平衡向生成大环的方向移 动，产率较高( 图1 6 ) 。 r e t c 三m o 【n a r ( 伯u ) 1 3 + p n i t r o p h e n o l r 。 w 叫d 内 r = t e t r a d e c y l 图1 6 沉淀驱1 吏的炔交换法( p r e c i p t i t a t i o n - d r i v e na l k y n em e t a t h e s i s ) 此外，固相合成作为一种有效的合成手段已被广泛地应用于有机合成中。但 一般来说，使用固相合成法将活性端固定在聚合物支撑体上，通常使用一些树脂， 依靠支撑体的刚性和大体积，最大程度地减少分子间反应的几率，更有利于分子 内关环。 基于芳环作用、功能性官能团、介质、溶液性质等多方面因素，研究各种芳 炔体系大环的自组装性能以及超分子结构成为近年来的热点。芳炔体系大环刚性 骨架中的苯环容易发生兀兀堆积( 兀s t a c k i n g ) 作用，导致芳香环堆积的因素主要有范 德华力、憎溶剂效应和静电效应。苯炔体系大环的刚性无折叠骨架和自身的自组 装能力，使得它们易于面面堆积，形成圆柱状聚集体，环内的空穴组成离子通道。 当芳炔体系大环中的苯环被吡啶环取代，利用吡啶中氮原子的配位效应，通 过观测1 hn m r 、紫外吸收、荧光发射光谱的变化可以检测不同种类的金属离子， 而且这种检测手段具有很高的灵敏度。 4 一 硕 学位论文 1 2 以联萘为模板合成手性化合物 早在1 9 6 3 年，c o o k e 和h a r r i s 就研究了光学活性的1 1 联萘 ( r ) 或( 回- l 】外 消旋作用的动力学机制7 1 。他们发现在5 0 时，1 的外消旋作用半衰期是1 4 5m i n ， g “= 2 3 5k c a l m o l 。1 9 7 1 年，p i n c o c k 发现，当从熔融态结晶时，1 自发地产生 了光学活性的r 或s 对映异构体。p i n c o c k 做了两百次结晶实验，发现产生优势 的r 或s 异构体的几率是相等的【8 】。 - 1 ( 月) 1 图1 71 的消旋化动力学机制 当l 的2 ，2 位被引入官能团时，1 ，1 联萘的手性构型变得非常稳定。例如： 在d m f 中，( 研2 即便在1 7 5 下也不发生外消旋化【9 】。y a m a d a 等则通过对( r ) 3 进行x 射线衍射分析，并与其它联萘分子的相互关系进行比较确定了它的绝对构 型【1 0 1 。在( r ) 3 中，两个萘环所夹的二面角约为7 7 。 。2(固-3 图1 8 构型稳定的联萘衍生物 由于2 ，2 二取代1 ，1 联萘衍生物在手性构型上的高度稳定性，它们已经被广 泛应用于控制许多不对称过程，并在有机化学中显示出许多显著的手性特征。 第一，联萘化合物在手性催化上有广泛的用途。一种常用的手性还原剂是 b i n a l h ( 女f l 方程式所示) ，由等物质的量的光学纯联萘酚、乙醇和氢化铝锂生成， 这种还原剂尤其使用于还原无位阻的芳烷基酮和无环共轭烯酮。 + x 1 0 岛h 1 一x 咯o 寸h 1 1 ( 尺) b i n a l h x 2 io rs n b u 3 理想的不对称相转移催化剂，其结构应具有较强的刚性，分子结构中应具有 5 新型光学活r 丰笼状分子的设汁与合成 足够多的有利于催化剂与底物相结合的功能基团。具有c 2 对称轴的联萘衍生物分 子具有一定的刚性和韧性，对其结构进行改造，可望使其成为很好的手性源，在 不对称诱导合成上获得应用。苯并环声酮酸酯与甲基乙烯基酮在冠醚衍生的手性 相转移催化剂4 的催化作用下( 图1 9 所示) ，发生不对称加成反应，引入一个手性中 心，该反应在较低的温度下对映选择性很高。 o c 0 2 m e + 吼刊善0m e 等啡= 舯m e r o o o l o o 岱) 。4 图1 9 手性的相转移催化剂 第二，联萘化合物在手性识别上有潜在的用途。基于分子荧光的传感器有很 大的应用价值，因为它们可以作为实时分析的工具应用在手性化验中。这为大规 模筛选手性催化剂提供了方便。p u 等【1 1 1 合成了对应异构体( $ 5 和( 尺) 5 ，在有手性 氨基酸存在时它们的荧光信号大大增强，从而使得它们可以应用在荧光传感器中。 p hp h p hp h ( r ) - 5 图i 1 0 具有手性识别功能的联萘衍生物 第三，联萘化合物有独特的分子自组装功能。p u 等【l2 j 合成了一对化合物( 研6 和其对应异构体( r ) 6 。将化合物6 用乙醇溶解，用硫酸处理。把用激光束制成的二 氧化硅纳米井至于溶液中，化合物6 在纳米井中自组装。通过测试其电学性质，可 以得到不同于参比化合物7 的结果。非平面的联萘结构是造成这种差异的主要原 因。不同比例( 尺) 和( 研6 混合物的电导率明显低于纯净物，这可能是由于异构体不 能在纳米井中很好的堆积，因而影响其导电性能。 6 硕十学位论文 a c s a c s o e t o e t 脑 卜g 滓s a c 图1 1 l 具有自组装功能的联萘衍生物 从上面的叙述可以看出，联萘类化合物可以作为一个很好的模板( t e m p l a t e ) ， 在合成中经常被用作构筑光学活性化合物的起始原料。近年来，文献中报道的以 联萘为模板化合物主要包括：以联萘酚为模板合成手性冠醚，螺旋状分子，以联 萘为核心树枝状手性分子等等。下面将一一予以讨论。 m 1 2 1 以联萘酚为模板合成手性冠醚 h e g e s o n 等合成了具有分子内空腔的萘酚衍生物( 足尺) 8 【1 3 】，( r ，r ) 8 的手性识 别能力已经得到了研究【1 4 , 1 5 1 。在区分手性胺盐、手性的氨基酸和手性的氨基酯时， 发现( 尺，尺) 8 和( s 回8 是极好的手性主体【l6 1 。当它们被用来萃取胺盐时( 氯仿或氯仿 乙氰溶液) ，氨基酸或氨基酯的d 型异构体比三型异构体更易与( 尺，r ) 8 发生络合。 这种很高的手性识别能力源于主体与客体之间的互补性络合。在形成的络合物9 中，主体和客体两者间通过3 个o h n 氢键的作用而形成络合物。 o艮r)-8(r,rf9 图1 1 2 手性冠醚及其络合物 轴向手性的联萘被引入分子可以改变分子的螺旋张力。a k a g i 等【1 7 1 合成了大小 不等的手性冠醚，发现将这些冠醚引入液晶中，可以优化液晶的力学性质。 7 新型光学活性笼状分子的设计与合成 p c h 5 0 1 p c h 5 0 1 舭或s , s n21 ，2 ，3 r j ? 或鼬 p c h 5 0 m ：c 5 h 1 1 9 0 0 ) 配置，萘平面之间的 两面角在1 1 0 0 1 1 3 0 之间。分子空腔中，对边的两个二炔单元之间的平均距离2 3 n m ，相对的两个苯环平面中心的平均距离2 1n m 。2 2 的空腔尺度大约相当于3 个 c 6 0 的直径( c 6 0 按0 7n m 计) 之和。 图1 2 4 八联萘单元的笼状分子 应用m s ，i r ，u v v i s ，1 hn m r 和1 3 cn m r 以及元素分析方法对中间体和目 标化合物进行了表征，并通过对比旋光度和圆二色性质的比较确立了两个目标分 子的对映异构关系。由于2 2 中的联萘单元能够如同“铰链”一样张合，可以预期， 1 4 硕十学位论文 这种具有空腔变形潜能的共轭环状分子在研究主客体兀兀弱相互作用的包合物超 分子中将有特殊的应用前景。 本实验室利用手性构型高度稳定的联萘模板，设计并合成了一些构造有趣的 光学活性环芳化合物2 l ，2 2 。本文在过去研究工作的基础上选择具有两面角张合 效果的联萘作为“铰链”砌块，以空间定向性较好的间苯为连接桥，设计了含有6 个手征联萘单元扩展的笼状环芳化合物( r ，足尼尺，尺，尺) 和( s s s s s 回2 3 。 t & & & & r ) - 2 2 岱。s ，s 。s s s s s ) - 2 2 ( 尺皿肚冠尺) - 2 3任ss s ) - 2 3 图1 2 5 笼状目标化合物的结构图 1 5 新型光学活性笼状分了的设计j 合成 1 4 本课题组的工作意义 新型有机物质尤其是新型功能有机物质的发现、创造和利用是有机化学和材 料科学的重要组成部分，也是支持我国经济建设不断发展的技术基础和保证。这 一领域研究水平的高低，可以从一个侧面反映出一个国家的科技发展水平乃至国 力的强弱。 上个世纪7 0 年代以来，使用不对称催化剂选择性的合成光学活性物质的研究 不仅在实验室取得了激动人心的进展，一些工业化过程也展示了令人惊异的成果。 n o y o r i 正是在不对称催化剂的创新和应用领域的研究中取得了开创性的重大成就 荣获2 0 0 1 年诺贝尔化学奖。近年来，以手性构型高度稳定的前提为模板构筑光学 活性分子的研究引起了结构化学家和合成化学家的极大兴趣，这个概念的思想基 于：由于保持构型的模板能够在所涉及的反应中百分之百地控制不对称过程的发 生，因而可以理想地获得单一手性目标分子。 光学活性的环芳分子是非常引人注目的分子母体，这不仅仅是因为其分子结 构优美和合成上富有挑战性，更重要的是它们独特的结构特征预示出这类化合物 作为新型功能材料的应用潜力。然而，它们至今还是合成上的难题。虽然从1 9 8 0 年代末以来，光学活性的双螺旋分子和笼状环芳分子就已经是国外几个有影响的 实验室感兴趣的研究目标，并逐渐成为他们在合成方法和结构理论研究中的焦点， 但从总体上看，目前在实验室合成这种特殊的分子以及有关它们的性能研究的原 创性工作还非常有限。 本课题组利用单一手性的联萘衍生物为模板，合成了一些笼状化合物。目的 在于探索如何通过模板合成出结构形态多样的环芳分子，以及研究这些具有独特 结构特征物质的理化性质。本课题组的研究主要围绕两个方面开展研究：第一， 研究光学活性的环芳化合物的模板控制合成并探讨以这些手性结构单元构筑结构 形态可调分子的可行方法；第二，揭示这类特殊分子旋光性质与结构的关系。这 些工作不仅能丰富合成化学和结构化学的内容，为新合成方法、有机结构理论提 供新的重要概念；而且对于改善我国新功能物质研究开发研究基础薄弱的现状， 为我国新型功能材料的研究赶超世界先进水平提供技术支持有着重要意义。 1 6 硕十学位论文 第2 章2 ，2 二炔基1 ，1 联萘的合成 本章主要讨论具有单一手性r 构型的2 ，2 二乙炔基- 1 ，1 联萘1 9 的合成。光学 纯的( r ) 一2 0 可以方便的购买，是一个理想的起始原料。并且由于2 ，2 取代的l ，l 联萘的构型的稳定性，可以保证在各步反应中不发生立体构型的变化。我们通过 以下5 个步骤来合成光学纯的2 ，2 二炔基1 ，1 联萘。 i ：i ：! ! ： 【：。hi ：! ! ) i ：。s 。：c f 。【：! ! ) i ：c h 。【：! ! i ：c h b 眨 【i ：二。h 【i i ：j 。s 。2 c f 3 【i i | ：二c h 3 ( i i ：i c h b k 瞻h 洲。 一h 2 7 ( 固一侈 图2 12 , 2 二乙炔1 ，1 - 联萘的合成路线 2 1 合成2 ，2 一二乙炔1 ，1 联萘各步反应的分析 本节中，我们将对由( 只) 2 0 到( 只) 1 9 的各步反应进行具体的分析，以探讨反 应机理以及优化反应的条件。 2 1 1三氟磺酸酯的形成 化合物2 4 中的三氟甲磺酸酯基是一个特别好的离去基团，能使不活波的反应 物发生亲核取代反应，使得后面的偶联反应可以顺利进行。并且三氟甲基磺酸酐 反应活性较高，上述反应一般收率都比较高。 ( 尺) - 2 0 ( c f 3 s 0 2 ) 2 0 c h 2 c 1 2 1 7 o s 0 2 c f 3 o s 0 2 c f 3 新型光学活性笼状分子的设计j 合成 我们使用过量的三氟甲基磺酸酐( t f 2 0 ) 与( 尺) 2 ，2 二羟基1 ，l - 联萘( 尺) 2 0 发 生酯化反应，反应以二氯甲烷为溶剂，用吡啶吸收反应过程中产生的酸，室温反 应1 0h ，几乎定量生成2 4 。 2 1 2甲基取代衍生物的形成 s n i e c k u s 等3 2 】报道了2 4 到2 5 的合成。在n i 试剂的催化下，三氟甲基磺酸 酚酯与格利雅试剂发生偶联反应形成新的碳碳键，此反应属于k u m a d a 反应1 3 3 。 图2 2 表示了k u m a d a 反应的机理。 o s 0 2 c f 3 o s 0 2 c f 3 2r m g x n i c l 2 ( d p p p ) m e m g b r r m g x r t x r r m g x x r n i 、。 k r x c h 3 c h 3 图2 2k u m a d a 反应的反应机理图中l 2 = p h 2 p ( c h 2 ) 3 p p h 2 ( d p p p ) 通常的反应条件是l e q2 4 与6c qm e m g b r 以5 m o ln i c l 2 ( d p p p ) 作为催化剂， 以乙醚为溶剂在室温下反应，收率为8 8 。我们催化剂用量改为1 0 ，在0 c 先 反应3 h ，再在室温下反应1 0h ，收率为9 3 。二价镍催化剂前体先与两摩尔格氏 试剂发生金属转移化反应，生成二烷基镍络合物，此络合物与r x 发生反应生成 一芳基镍络合物，再与一摩尔格氏试剂反应，得到一芳基一烷基镍络合物，最后 与r x 反应得到偶联产物，同时再催化重生了活性物种，从而完成整个催化循环。 即此反应只需要催化量的镍催化剂，即可完成反应。 文献【3 4 3 5 1 报道了从化合物2 0 到化合物2 5 的过程。单步反应的产率都在9 6 以上。类似地，我们使用n i c l 2 ( d p p p ) 为催化剂，将化合物2 4 与过量的m e m g b r ( 6 e q ) 反应，能够高收率地得到化合物2 5 。2 5 的结构通过核磁共振分析得到确认。 在2 5 的1 hn m r 中，在6 h2 0 1p p m 的低场处出现了甲基信号，这清楚地表明了 2 5 的形成。 1 8 x x 是 k 艮 硕士学位论文 2 1 3 苄基型二溴化物的形成 烯丙位和苄位氢原子比较活泼，在较高温度或存在自由基引发剂( 如光照、过 氧化物) 的条件下，可用卤素、n 卤代酰胺、次卤酸酯、卤化铜等卤化剂在非极性 溶剂中进行卤代反应。在这些卤化剂中，以n 卤代酰胺效果较好，选择性高，应 用广泛。 c n b s b p o o h 3 c c l 4 r e f l u x c h b r 2 c h b r 2 一胁+ n - + = 一x x + 萌一a r c h x b r + 睁o 向低场移动，化学位移值由6 h2 0p p m 左右增加到t s h6 2p p m 左右。 2 1 4 联萘二醛的形成 以乙酸为介质，过量的a c o k ( 1 2e q ) - 与2 6 加热回流1 6h ，然后加入2 n 的盐 1 9 新型光学活性笼状分子的设计与合成 c h b r 2 l 、k o a c h o a c c h b r 2 2 ) h c l c h o c h o 2 6 2 7 比较2 6 与2 7 的氢谱，我们发现6 h6 2 0p p m 处甲基氢单峰完全消失，而在6 h 9 6 3p p m 处出现了7 个新的单峰( 醛基质子的信号) ，这表明了化合物2 7 的形成。 可能机理如下： 洲刚土啡8 h c h ( o h ) 2 了i 掣 2 6 图2 4 偕二卤化合物水解制醛机理 文献【3 6 】中化合物2 8 、2 9 的合成也是采用了此类反应： q 竺 b r z h c h 2 s 0 4 ，h 2 0 h 2 s 0 4 ，h 2 0 q ： 2 8 o h c c h o c h o z 9 2 1 5 2 ，2 二炔基1 ，1 联萘的形成 通过链增长由醛制备相应的炔在有机合成中是很有价值的一种方法。k u r o d a 等人报道了应用w i t t i g 反应来制备炔的方法【37 1 。此方法的思想是通过醛与一种特 殊的叶立德反应，制成相应的卤代烯烃，此卤代烯烃在碱作用下脱去卤化氢，生 成炔。反应示意如下： 2 7 o0 c h o p h 3 p c h 2 b r - b r c h o 2 0 1 9 硕十学位论文 o0 t - b u o k p h 3 p c h 2 x x i p h 3 p _ c h x r c h o+ p h 3 p 8 c h x w i t t i gr e a c t i o n r h c ；c h x竺竺竺r c 壹c h= c 一耋g h h x 图2 5 通过链增长的方法由醛制炔的示意图 我们首先制备了特殊的季鳞盐3 0 ( 见图2 6 ) 作为发生w i t t i g 试剂的前体。具 体方法是：过量的c h 2 b r 2 ( 2 2e q ) 与三苯基磷在无水甲苯中回流反应2 4h ，反应冷 却过滤得到固体粗产物。经甲苯和乙醚多次洗涤后可得到高纯度的3 0 ，收率为 5 6 。 联萘二醛2 7 与季鳞盐3 0 的w i t t i g 反应可在过量碱存在下一步完成。首先3 0 与f b u o k 反应生成w i t t i g 试剂，再加入联萘二醛生成溴代烯烃，然后溴代烯烃 在碱的作用下脱去一分子的h b r ，生成联萘二炔1 9 。下图为可能的反应机理。 oo p h 3 p c h 2 b r b r 3 0 f b u o k h c l p h a p - - c h b r - 6 a ，且h 一 l h c h b r i | a r c h f - b u o k h c l 00 p h 3 p c h b r c h b r p h 3 p 一- o + 一堪一h 图2 6 一锅反应制联桑二炔的机理 温度在此反应中是个重要的因素，我们用低温冷却液循环泵把温度控制在一7 8 下进行反应。反应若在室温下进行的话，生成的叶立德马上就被淬灭掉了，不 利于后面的反应。 2 2 实验部分 2 2 1 仪器和试剂 1 hn m r 和1 3 cn m r 用b r u k e ra m 5 0 0 型或b r u k e ra m 3 0 0 型高分辨仪测定， t m s 为内标，c d c l 3 为测定溶剂。m s 用s h i m a d z uq p 5 0 0 型仪测定。元素分析 由日本冈山理科大学分析中心测定。吡啶、甲苯、二异丙胺和四氢呋喃使用前经 蒸馏处理。 2 2 2 化合物2 4 的合成 室温，氮气保护下，将化合物( r ) 2 0 ( 1 0 5 6g ，3 6 9m m 0 1 ) 置于反应瓶中，依 次加入c h 2 c 1 2 ( 8 0m l ) ，毗啶( 1 0m l ) 和t f 2 0 ( 2 5 0 0g ，8 8 6m i n o l ，1 4 9m l ) 。反 2 1 b 叫 叫 ，h。!)i争l 一 一p l o 一 3 hp 新型光学活性笼状分子的设计j 合成 应在室温下进行1 0h 。过滤除去不溶物质，滤液被注入饱和氯化铵溶液并用乙酸 乙酯萃取。有机相依次用饱和n a h c 0 3 溶液和饱和n a c l 溶液洗涤，无水n a 2 s 0 4 干燥。过滤后减压蒸去溶剂，残余物通过硅胶柱层析【v ( c h 2 c 1 2 ) ：坎石油醚) = l ：6 】 分离，得到2 0 0 2g 化合物2 4 ，收率9 8 5 。 化合物2 4 ：无色固体；1 hn m r ( 3 0 0m h z ，c d c l 3 ) 6 ：7 2 5 ( 2 h ，d ，j = 8 2 0h z ) ， 7 4 1 ( 2 h ，d t ，j = 7 4 & 1 4h z ) ，7 5 9 ( 2 h ，t ，j = 8 2h z ) ，7 6 2 ( 2 h ，d ，j = 9 1 5h z ) ，8 0 1 ( 2 h ，d ，j = 8 2 0h z ) ，8 1 5 ( 2 h ，d ，j = 9 1 5h z ) ；cn m r ( 7 5m h z ，c d c l 3 ) 6 ：1 1 9 - 3 l ( c h ) ，1 2 3 4 1 ( c ) ，1 2 6 7 3 ( c h ) ，1 2 7 3 1 ( c h ) ，1 2 7 9 6 ( c h ) ，1 2 8 3 4 ( c h ) ，1 3 2 0 0 ( c h ) ， 1 3 2 3 0 ( c ) ，1 3 3 0 8 ( c ) ，1 4 5 3 4 ( c f 3 ) 2 2 3化合物2 5 的合成 将化合物2 4 ( 2 0 0 0g ，3 6 3 3m m 0 1 ) 、n i c l 2 ( d p p p ) ( 1 9 7g ，3 6 3 3m m 0 1 ) 和e t 2 0 ( 1 0 0m e ) ，加入反应瓶中。在o 。c 下，慢慢加入m e m g b r 的乙醚溶液7 3m l ( 3 m ) 。 反应先在o 下反应3h ，再在室温下反应1 0h 。过滤除去不溶物，滤液在0 下 被注入饱和氯化铵溶液中并用乙酸乙酯萃取。有机相用饱和n a c l 溶液洗涤，无 水m g s 0 4 干燥，过滤后减压蒸干溶剂，残余物通过硅胶柱层析【坎乙酸乙酯) ：坎石 油醚) = l ：1 2 分离，得到9 5 9g 化合物2 5 ，收率9 3 。 化合物2 7 ：无色泡状物；1 hn m r ( 5 0 0m h z ，c d c l 3 ) 6 ：2 0 3 ( 6 h ，s ，2 c