（有机化学专业论文）新型生色冠醚的研究及苯并咪唑衍生物的合成.pdf

中文摘要 本论文分为两个部分。 第一部分首先以邻苯二酚、2 氯乙醇、一缩二乙二醇、苊醌、4 溴1 ，8 萘苷 为原料合成了两种新型生色冠醚。这类化合物不仅有明显的颜色，而且可以络合 金属离子。生色冠醚的两种性质虽然是两种结构的反映，但常常不是彼此无关。 如果冠醚环络合金属离子时发生的分子内电子密度的变化影响到生色基，或者生 色基参与了冠醚对金属离子的作用，便会在络合离子的同时发生颜色变化。我们 通过核磁共振氢谱分析表征了化合物的结构。并针对其中一个化合物，用荧光光 谱的方法初步研究了新型生色冠醚化合物对金属离子的配位及识别性能。 第二部分是关于苯并咪唑衍生物的新型合成方法。苯并咪唑家族在药物化学 方面有着广泛的应用，同时也表现出多样的生物活性和药物活性，比如抗肿瘤抗 溃疡，抗真菌和抗感染。还有它结构的优越性和其他优良特性，鉴于此，苯并咪 唑衍生物的合成一直倍受关注。我们找到一种简单易操作，绿色无污染的合成方 法。我们选用了市售的邻苯二胺和醛，采用温和的实验条件，既不使用金属氧化 剂也不使用有机氧化剂。我们使用紫外光来进行这类反应，使之可以很好的在室 温条件下进行，最重要的一点，我们开发出一个绿色无污染的制备流程。我们尝 试了多种溶剂，最后选用乙醇，得到较高的产率。 关键词：生色冠醚离子识别荧光光谱苯并眯唑 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sd i v i d e di n t ot w o p a r t s f i r s t ，t h e r a wm a t e r i a l so f c a t e c h o l , 2 一c h l o r o e t h a n o l ，d i e t h y l e n eg l y c o l ， a c e n a p h t h e n eq u i n o n e ，4 - b r o m o - 1 ，8 - n a p h t h a l e n ew e r eu s e dt os y n t h e s i z et w on o v e l c h r o m o g e n i cc r o w ne t h e r s s u c hc o m p o u n d sc a nn o to n l yc o m p l e xm e t a li o n s a l s o c o l o r e dm a t e r i a l t h e s ep r o p e r t i e sa r ear e f l e c t i o no ft w ok i n d so fs t r u c t u r e s ，b u to f t e n i ti sn o tu n r e l a t e dt oe a c ho t h e r w h e nt h ec h a n g eo ft h ei n t e r m o l e c u l a re l e c t r o n d e n s i t yc a u s e db yt h ec o m p l e x a t i o no fc r o w ne t h e r sa n dm e t a li o n sa f f e c t st h e c h r o m o g e n i cg r o u p s ，o rt h ec h r o m o g e n i cg r o u p sp a r t i c i p a t ei nt h ec o m p l e x a t i o n ， c o l o ro ft h ec o m p l e xc h a n g e s t h e i rs t r u c t u r e sw e r ea n a l y z e dt h r o u g h1 hn m r f l u o r e s c e n c es p e c t r aw e r eu s e dt os t u d yt h e i o nc o o r d i n a t i o na n dr e c o g n i t i o n p e r f o r m a n c e so fo n eo f t h et w on o v e lc h r o m o g e n i cc r o w ne t h e rc o m p o u n d s t h es e c o n dp a r ti so nt h en o v e ls y n t h e t i cm e t h o df o rb e n z i m i d a z o l ed e r i v a t i v e s b e n z i m i d a z o l em o i e t i e sa l ee x t e n s i v e l yf o u n di nc o m p o u n d st h a tu s e di nm e d i c i n a l c h e m i s t r y b e n z i m i d a z o l e d e r i v a t i v e sh a v es h o w nd i v e r s e b i o l o g i c a l a n d p h a r m a c e u t i c a la c t i v i t i e ss u c ha sa n t i n e o p l a s t i ca n da n t i u l c e ra c t i v i t i e s ，a n t i f u n g a la n d a n t i p r o t o z o a li n f e c t i o n w eh a v ed e v e l o p e daf a c i l eo n e - p o ts y n t h e s i s6 f2 - s u b s t i t u t e d b e n z i m i d a z o l e s s e v e r a la d v a n t a g e sa r ec o n t a i n e d ：( i ) n e i t h e rm e t a lo x i d e sn o r o r g a n i co x i d i z i n ga g e n t sa t eu s e d , o n l ya i r ( o ro x y g e n ) i su t i l i z e d ( 2 ) u vl i g h tw a s e m p l o y e da sa na l t e r n a t i v eo fg e n e r a lh e a t i n gs ot h a tt h er e a c t i o nc a nb ec a r r i e do u t u n d e rm i l dc o n d i t i o n so fr t 。( 3 ) n o n t o x i cs o l v ，e n te t h a n o li su s e da n dl i t t l ep o l l u t i o n w a s p r o d u c e d ，w h i c hp r o v i d e sa g r e e ns y n t h e t i cr o u t i n e k e yw o r d s ：c h r o m o g e n i ce r o w l le t h e r ，i o n - r e c o g n i t i o n , f l u o r e s c e n c e s p e c t r o s c o p y ，b e n z i m i d a z o l e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人存导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他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了谢意。 学位论文作者签名：j 孚涡霞 签字日期： 2 。7 年6 月，岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扣描等复制于段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 辱褐。霞 导师签名： 签字日期： 埘年 6 月i5 日 签字日期谰7 年f 月夕日 天津大学硕士学位论文 第一章前言 第一部分生色冠醚的合成及其对阳离子的识别研究 第一章前言 1 9 6 7 年，c j p e d e r s e n 1 】首次发表关于冠醚的合成及其对碱金属、碱土金属 离子的特殊的选择性络合作用的研究报告，之后，冠醚作为一类人工合成受体开 始成为人们关注的热点之一。1 9 6 9 年l e h n 等【2 】相继报道了由双环或三环构成的 三维大环化合物，即穴醚的合成和配位性能，发现这种具有三维结构的穴醚对金 属离子具有更高的配位能力和配位选择性。随后，d j c r a m 改进了冠醚的合成 方法，并于1 9 7 3 年报道了一系列具有光学活性的冠醚h 】，根据这些化合物可以 作为主体选择性结合伯胺盐( 客体) 形成配合物的现象，进而提出了“主客体化学” 的概念【4 】。1 9 7 8 年l e h n 教授在深入研究各种穴醚化合物的络合作用时，发展了 “主客体化学”的概念，提出了“超分子和“超分子化学”的概引。 1 9 8 7 年，n o b e l 化学奖授予c j p e d e r s o n ，d j cr a m 和j m l e h n ，标志 着化学的发展进入了一个新的时代，这发韧于p e d e r s o n 对冠醚的开创性发现和 由c r a m 和l e h n 发展起来的主客体化学、超分子化学。1 9 9 2 年，专门的国际性 学术刊物一超分子化学( s u g r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y ) g j j 刊，可见超分子化学在化学 中的重要性，也为冠醚化学的发展注入了新的活力。1 9 9 6 年，l e h n 教授组织世 界各国化学家共同编写的鸿篇巨著一i i 卷本的超分子化学大全) ) ( c o m p r e h e n s i v e s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y 卢】出版面世。此书对冠醚类化合物的分子识别、自组装， 固态超分子，晶体工程，配位聚合物等研究领域进行了较为详尽的介绍。 冠醚是一类杂环化合物，最简单的冠醚是二氧六环的环状低聚物。它的基本 重复单元是亚乙氧基( c h 2 c h 2 0 ) ，例如重复两次为二氧六环，重复六次为1 8 冠6 ，以此类推。冠醚的研究从诞生到现在的三十多年里己经被广泛开展和普及， 并且由最初的简单冠醚发展到穴醚川、臂式冠醚【8 1 、双冠醚【9 1 、杂原子冠醚10 1 、 以及开链冠醚【l l 】等等。目前已经合成的冠醚达一万多种。它们在离子识别、分子 开关、超分子组装、催化、离子输送、对映体拆分等诸多领域均具有广阔的应用 前景。 冠醚的独特的环状结构和对金属离子的较强的络合能力，使它成为第一代超 分子主体化合物。它不仅在化学理论的发展上具有重要意义，而且在相转移催化， 物质分离等方面也有很大的应用价值。自此冠醚化学及其应用研究迅速发展，目 天津大学硕士学位论文第一章前言 前已渗透到化学的很多分支学科，例如有机合成、高分子合成、配位化学、分析 化学、萃取化学、金属及同位素分离、光学异构体的识别和拆分，其在酶模拟、 分子催化、生物化学、生物物理，医药及农业等各方面也得到了广泛应用。 1 1 冠醚的类型和命名 1 1 1 冠醚化合物的分类 1 9 7 8 年小田良平等【1 2 。1 3 1 将冠醚化合物分为两类：( a ) 单环冠醚化合物；( b ) 多 环冠醚化合物。更详细的分类可以通过表1 1 看到。 1 1 2 冠醚化合物的命名 对于冠醚化合物的命名，按照p e d c r s c n 的冠醚命名法，冠状化合物1 ( 见图 1 1 ) 的名称就是1 8 冠6 ，这里“1 8 ”表示冠醚的尺寸，即成环原子数，“冠”表 示冠醚，“6 ”表示冠醚环上的杂原子个数。这样，化合物2 ( 见图1 1 ) 就是二苯并 1 8 冠6 ，但是像一些复杂的穴醚就很难这样命名了。为此j 按照国际纯粹化学 和应用化学联合会( i u p a c ) 公布的有机化学命名法的原则命名，冠状化合物 1 和2 ( 见图1 1 ) 的准确命名分别是1 , 4 ，7 ，1 0 ，1 3 ，1 6 六氧杂一环十八烷，2 ，5 ，8 ，1 5 ，1 8 , 2 1 六氧杂一- - 环 2 0 4 0 0 吼1 4 二十六烷- 1 ( 2 2 ) ，9 ( 1 4 ) ，1 0 ，1 2 ，2 3 ，2 5 六烯。相比之下，前一 种命名的优越性一目了然，不过，对于结构复杂的冠状化合物，p e d e r s e n 的冠醚 命名法有时就不能适用。 p 1m 图1 1 冠醚的命名 2 天津大学硕士学位论文 第一章前言 表1 1 冠醚化合物分类 ( a ) 单环冠醚化合物 1 单一供电子原子冠醚化合物 环状聚醚( 狭义冠醚) o 供电子原子 1 1 a 脂肪族冠醚 1 1 b 芳香族冠醚 1 1 c 脂环族冠醚 1 1 d 杂环族冠醚 1 1 e 环状聚醚酯 环状聚胺 n 供电子原子 1 2 a 氮丙烷环状齐聚物 1 2 b 环状聚胺 环状聚硫醚1 3 环状多硫化合物 2 多供电子原子冠醚化合物o ，n ，s ，s e 等两个以上原子做供电子原子 ( b ) 多环冠醚化合物 3 单供电子原子多环型冠醚 4 复合供电子原子多环型冠醚 1 2 冠醚化合物的合成 冠醚是一类大环多醚类化合物。其合成方法大体上是利用一些众所周知的类 型反应而成环，简单的脂肪族或者芳香族冠醚一般是借w i l l i a m s o n 合成醚的方 法进行环化，酯型或者酰胺型冠醚则是利用酰氯与醇或者胺发生酰化同时环化的 反应，此外还有其他一些环化法。将醚类化合物进行化学加工，可以制成各种功 能衍生物或者高分子化合物。 1 2 1 常用中间体的合成 最常见的中间体有多甘醇及其二卤化物，多甘醇二对甲苯磺酸酯，二胺，二 醛，二酮等。 高聚合多甘醇可以用低聚多甘醇的二卤化物与乙二醇反应得到。以五甘醇为 例，用三甘醇二氯化物( 1 ，8 二氯3 ，6 一二氧杂辛烷) 与k o h 按1 ：2 的摩尔比例在大 过量的乙二醇中回流2 4h ，过滤后减压蒸馏，可得到纯度9 9 的五甘醇，产率 4 3 嘣1 4 1 。( 见图1 2 ) 天津大学硕士学位论文第一章前言 h 厂、h + c 沁。+ h 厂、h 骂h 八h 图1 2 常用中间体的合成( 一) 末端对称取代的多甘醇可以用金属钠催化低聚多甘醇与取代环氧乙烷的反 应制型15 1 。( 见图1 3 ) h m h + 影r h 卜 八式h 图1 3 常用中间体的合成( - - ) 此外，用邻苯二酚与2 氯乙醇可以得到含苯并环的多甘醇。( 见图1 4 ) + 八翌竺- c io h 图1 4 常用中间体的合成( 三) 几 oo h 0o h 二、三、四、五甘醇的二氯化物是用相应的多甘醇与二氯亚砜并以吡啶作为碱在 苯中反应，所得粗产品减压蒸馏就可以得到纯品【1 刀( 见图1 5 ) ，产率一般很高。 h o 八o o h 景c i 八o 八c i苯吡啶： 六甘醇及以上的二氯化物一般不用这样的方法，主要是因为五元以上的高聚多甘 醇不易从市场上购买。束家有等使用过量的低聚多甘醇二氯化物与一缩二乙二 醇钠反应，可以一步制得高聚多甘醇二氯化物。这些高聚多甘醇二氯化物是合成 苯并2 l - 冠7 、苯并2 4 冠8 等大环冠醚的中间体。( 见图1 6 ) 2 c 。广v 飞+ n a 厂y 、一c v 弋厂、旷啵 图1 6 常用中间体的合成( 五) 比二氯化物活泼的多甘醇二溴化物是用多甘醇与三溴化磷反应制得1 9 1 ，更活 天津大学硕士学位论文 第一章前言 泼的二碘化物是用二氯化物和碘化钠在丙酮中进行卤素交换反应制得【2 0 1 。 另外，对甲苯磺酸根比起卤素离子是更容易脱去的离去基团，因此以多甘醇 对甲苯磺酸酯为中间体合成冠醚的反应时间就会大大缩短。用多甘醇与对甲苯磺 酰氯在吡啶存在下合成低聚亚乙基乙二醇二对甲苯磺酸酯是很常用的方法【2 1 。2 4 1 ， 产率从5 6 到9 1 不等。o u c h i 、刘育等【2 5 】改用四氢呋喃和水的混合溶液作为溶 剂，无毒的n a o h 作为碱，不仅能方便的以更高的产率和纯度得到所需要的二对 甲苯磺酸酯化合物，而且可以广泛的适用于多种单醇和二醇的磺酸酯化。 脂肪二胺、芳香二胺以及氨基二醇都是合成氮杂冠醚的常用中间体。脂肪二 胺和芳香二胺一般使用改进的g a b r i e l 法制备。用多甘醇二卤醚和邻苯二甲酰亚 胺钾盐作用，然后用肼水解可以制得各种二氨基醚【2 6 】。( 见图1 7 1 x = c 1 b r 1 ) 2 n n h 2 o o k ! ! ! 竺- ! ! 翌1 2 旦- 出n 广+ 帆h ，h ，un h ， 图1 7 常用中间体的合成( 六) 另外，多甘醇的二氯化物与氨进行亲核取代反应也可用于二氨基醚的制备【2 7 1 。( 见 图1 8 1 _ 一- _ ；- _ ! 坐! ：竺呈，厂_ 厂_ 厂_ c r ooc i 2 ) n a o hh ，n o o 一 n h 2 图1 8 常用中间体的合成( 七) 1 2 2 一般对称性冠醚的合成 简单对称冠醚一般是指以c h 2 c h 2 连接的含o 、n 、s 、s e 等杂原子的冠状 化合物。这类冠醚的合成多是以金属离子为模板。l i o t t a 等【2 8 】以l i + 作为模板， 使用二甘醇二氯化物与乙二醇反应得到1 2 冠_ 4 ，产率1 3 2 。在l i o t t a 以前的 研究中【2 蹈，全部是采用酸催化环氧乙烷的方法制备1 2 冠- 4 ，但是产率极低。 l i o t t a 也采用类似的方法以n a + 为模板方便的制得了1 5 冠5 ，产率1 4 2 。 另外由于可以在芳香环上很方便的引入各种基团，因而苯并冠醚一直被认为 天津大学硕士学位论文第一章前言 是一类非常有用的主体化合物。p e d e r s e n 以水丁醇做为溶剂、n a o h 做为碱，使 邻苯二酚和二甘醇二氯化物在稀溶液中反应，仅以4 的产率得到苯并1 2 冠4 。 刘育等【3 1 】在此反应的基础上，使用l i o i - i n a o h 作为混合碱，同时以更活泼的二 甘醇对甲苯磺酸酯代替二甘醇二氯化物，结果以2 1 6 的产率得到苯并1 2 冠 4 t 3 2 1 。有很多途径可以制备苯并1 5 冠5 、苯并1 8 冠6 和苯并2 1 冠7 ( 见图1 9 所示的方法a 到方法d ) 。通常邻苯二酚盐和多甘醇二氯化物 3 2 】或者多甘醇二对 甲苯磺酸酯【3 2 1 或者甲磺酸酯【3 3 】反应是合成这类化合物最常用的方法( 方法a ) ，不 过，多甘醇的获取或者制备有时限制了它的应用。方法b 和c 比方法a 需要更 多的反应步骤，即中间体1 , 2 - - ( 2 羟乙氧基) 苯【3 4 】和1 , 2 - - ( 2 对甲苯磺酸酯乙氧 基) 苯【3 5 】的制备。然而这两种方法有一个明显的优势，即比方法a 中少用了两个 乙二醇单元，尤其是使用方法b 的产率明显提高了( 苯并1 8 一冠6 ，6 4 t 3 6 1 ) 。方 法d 仅仅是对苯并2 1 冠7 给出了高的产率( 4 1 ) 【3 6 】，而且即使使用柱色谱纯化， 产品的纯度还是比较低。 方渤 n 1 h 刑v 矾t s 。睾q 竺u 之 方洳v 4 一、o u o h h ：t s n 喈饥t s 方法d i 几八愚八 h ooooo h 厂一o 一 告专 l o 嘶 粤酊飞 l o q 图1 9 苯并3n - 冠n 的合成方法 模板效应在合成这些苯并冠醚的过程中起着很重要的作用。c h a n g 等3 7 1 运用 八 三 q 天津大学硕士学位论文 第一章前言 分子动力学模拟的手段研究了金属离子在合成苯并1 5 冠5 的过程中的模板效 应，发现在各种碱金属阳离子中，n a + 是合成苯并1 5 冠5 的最好的模板。 1 3 冠醚的分子设计和离子识别 1 3 1 超分子化学简介 超分子化学是“研究分子组装和分子间键的化学”。它是由超分子化学的先 行者之一，1 9 8 7 年的诺贝尔化学奖得主j e a n m a d el e l m 提出的。我们通常认为 一个分子( 主体) 结合了另一个分子( 客体) 就生成了一个超分子。 超分子相互作用的本质是非共价键相互作用，它包括几种很重要的作用力。 一种是离子离子相互作用，它的强度基本上可以与共价键相提并论；一种是离 子偶极相互作用，一个离子和一个极性分子的结合就是一个很好的例子，大环 醚( 冠醚) 与碱金属的络合物很明显就以这样的超分子类似物存在，而且，冠醚中 的氧原子和水中的氧原子起着同样的作用；第三种是偶极偶极相互作用，依次 还有氢键、阳离子兀相互作用、堆积、范德华作用力、固体中的紧密堆积 和疏水作用。 超分子化学是以天然或者人工合成的受体( 主体) 通过非共价键这种弱相互作 用识别目标分子( 客体) 形成超分子配合物为特征的。它的研究核心是分子识别与 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。近年来，在分子( 离子) 识别的基础上，由大环化合物构筑的超 分子体系和超分子功能材料成为超分子化学研究的热点。而冠醚作为一个很重要 的主体化合物，自然倍受关注。 分子识别可以定义为给定受体对作用物选择性结合并产生某种特定功能的 过程。识别的范围很广泛，包括所有阳离子、阴离子以及中性有机、无机或者生 物分子的识别，冠醚尤以阳离子识别最有代表性，在这方面也已经取得了很多令 人瞩目的成就。其核心课题就是如何设计对单一离子具有高选择性的冠醚，并建 立基于特定上的可普遍适用的超分子识别机制，这一直是科学家们所面临的具有 挑战性的课题。碱金属一直是冠醚类化合物离子识别的重要研究对象。科学家们 设计出对碱金属、碱土金属离子具有高选择性的大环化合物，或者是基于尺寸匹 配效应，或者是基于某些金属离子易于形成1 ：2 夹心配合物，或者是以增加主体 的空间位阻来提高形成夹心配合物的难度从而使尺寸效应成为主导作用。在研究 手段上，荧光光谱法因其灵敏简便的优点得到广泛的应用，此外，离子选择电极 法、液液萃取法、液膜迁移法、量热滴定法等在某些时候也是很重要的方法。 天津大学硕l 学位论立 第章j 竹i 1 3 2 超分子主体分子的设计 在构筑超分子主体分子时，应藿重考虑由各种作用力引起的加和作用或甚至 是乘法作用。这就意味着：如粜我们确信有足够多的可能的相互作用来稳定络台 物，那么我们可以利用非共价相互作用( 通常很弱) 来构建一个稳定的丰客体络台 物。当由一种相瓦作用产牛的小量的稳定能与其他相互作用产生的稳定能相加 f 加和作用1 ，就会产牛显著的稳定能，从而增加复台物的稳定性：在很多情况下， 整个体系的协同相互作用大于部分的加和( 乘法作用) 。这样的额外稳定性是基于 其螯合和大目t 作用。 另外为了能结合，主体必须拙有与客体百补的正确电子状态的结合点( 如： 极性、氢键给体或受体能力、软硬度等) 。氢键给体必须对应于氢键受体t 路易 斯酸对应于路易斯碱。并且主体分子的结合点必须以一定的方式空间排列，咀 便其能以络台构象与客体结合。如粜丰题满足这些要求，那么就是瓦朴的。如粜 丰体络合寡体时没有经历明显的构蒙变化，那么它就是颓组织的。丰体的预组织 性是一个关键的问题，因为它代表了客体络合自由能增加的个主要因素( 肯叫 候是决定性的1 。忽略溶剂化作用，毛窖体结台的过程可以粗略的分成两个阶段。 第一阶段是个活化过程，在这个过程中丰体需要进行构象的重新排列，以使其 结合点与客体最匹配，同时尽量减小结台点问的不利因素。 1 3 3 冠醚对阳离子的识别作用 冠醚最引人瞩h 的性质是能与离子或者中性分子形成配合物。冠醚与客体分 子的配位作用丰要有两种方式：一种是与金属离子通过离子- 偶极相耳作用形成； 另一种是通过氢键形成的。g u n n l a u g s s o n 等设计合成手性冠醚( 见图11 0 】，是 对锂离子敏感的光化学传感器。当冠醚部分与锂离子在有机溶剂中络合时来自 萘基的荧光处于发射状态并且随着锂离子浓度的增强荧光逐渐增强。hn m r 和圆二色f c d ) 波谱进一步证明了对锂离子的识别涉段到冠醚环中的氨原于和氧 原子以及侧链上的酰胺上的两个氧原子。 ： 、 ，1 i i 庭过 “mm_ t4 ，l 】口l 。、4 “- r 口1 * 一”_ h ”4 0 1 p ”8 。” 圈l1 0 手性冠醚i 的结构及其对l i 识别的荧光变化 8 天津大学硕士学位论文 第一章前言 含有方型染料的开链低聚物( 见图1 1 1 ) 对l i + 的识别呈现出高的敏感性和特 殊性。当加入微量的l i + 时，其荧光发射强度增强；而加入n a + 和k + 离子时，其 荧光基本不变化【3 9 】。从下面的图解中，可以看到它同l i + 作用的位点。 3p 岫m l | - e r 矗- 啊啊瞰) s c h 峨2 图1 1 1 开链冠醚2 对l i + 识别示意图 在冠醚分子中引入生色基团，即得到了生色冠醚。这类化合物不仅可以络合 金属离子，还是有色物质。生色冠醚的两种性质虽然是两种结构的反映，但常常 不是彼此无关。如果冠醚环络合金属离子时发生的分子内电子密度的变化影响到 生色基，或者生色基参与了冠醚对金属离子的作用，便会在络合离子的同时发生 颜色变化。这种颜色的变化常常因离子的不同而不同，亦即络合作用的选择性导 致颜色变化的选择性。1 9 7 7 年，t a k a g i 等合成4 苦酰氨基苯并1 5 冠5 ，这是第 一个生色冠醚。在他以后的研究中【柏1 ，合成了一系列这样的产物。这些4 苦酰 氨基苯并冠醚分子中亚氨基上的氢由于苦酰基的强吸电子作用而具有强酸性，它 们在p h 1 0 的碱性溶液中解离，生成生色冠醚阴离子，从而使溶液从橙色变为 红色。当阴离子与碱金属氯化物( m c i ) 作用时，醚环络合m + 而生成两性离子络合 物，其吸收光谱进一步红移。 h a y a s h i t a t 4 1 】等人设计合成了含有荧光侧臂芘基的冠醚( 见图1 1 2 ) ，在4 ：1 的 二氧六环与水中，其荧光发射比率( 1 4 5 9 1 3 8 7 ) 随n a + 离子浓度的增加而增强，在“+ ， k + ，c s + 存在时其荧光没有响应。因此，可以用于测定n a + 发射的定量传感器。 图1 1 2 含有荧光侧臂芘基的冠醚 天津大学硕士学位论文 第一章前言 含有葸基以及偶氮基的冠醚( 见图1 1 3 ) 对n a + l 拘高的选择性超过其它碱金属 和碱土金属离子。并且a 还可以用来作为n a + 离子的荧光开关。化学传感器a 和 b 对于设计在生理条件下有选择地、敏感地、快速地检测血液中n a + 的传感器有 重要意义【4 2 8 1 。 暑 h 图1 1 3 含有葸基以及偶氮基的冠醚 而含有荧光基团葸基的氮杂冠醚( 见图1 1 4 ) 对碱金属呈现出高的络合性能， 尤其是当n = 2 时，它不是对与其尺寸匹配的k + 具有高的选择性而是对比其孔穴 小的n a + 表现出高的亲合能力，给出9 5 0 0m j 的络合物稳定常数。这是由于冠醚 环与侧臂蒽基的的立体相互作用导致的构型限制或孔穴尺寸的减小所造成的。同 样，拥有1 5 冠5 的冠醚对l i + 表现出好的络合能力m 2 b 1 。 1 4 本文的选题 图1 1 4 含有荧光基团葸基的氮杂冠醚 综上所述，以冠醚为主体的分子识别是当今超分子化学的一个热点研究领 域，尤其是人们对于生色冠醚的特殊的结构和彼此相关的性质，给予了很大的关 注。因此设计合成新型生色冠醚是值得我们深入研究的课题。 天津大学硕士学位论文 第一章前言 为了对特殊客体设计有选择性的主体分子，我们利用了螯合和大环效应以及 互补性( 主体和客体的空间和电子匹配性) 的概念。我们选用了经典的冠醚作为识 别工具，另外加入新型的生色基团，希望可以在识别离子的同时，因为电子转移 作用，得到很好的荧光强度变化谱图。基于以上目的，我们设计合成并表征了几 种新型生色冠醚，通过荧光光谱的变化研究其对碱金属离子的识别作用。 天津大学硕士学位论文 第二章实验部分 2 1 实验仪器和试剂 熔点仪 核磁共振仪 2 2 实验路线设计 第二章实验部分 y a n a m o t om p 5 0 0 ( 温度计未经校正) v a r i a nu n i t y p l u s5 0 0m h z 金属离子的识别不论在化学理论，还是在实际应用中都有重要的意义和价 值。生色冠醚以其独特的性质在这一领域有着特殊的地位。在本文中，我们按照 以下合成路线( 见图2 1 ) 合成了两种有代表性的生色冠醚，以期通过加入金属离 子研究其荧光光谱的变化。 天津大学硕士学位论文第二章实验部分 g 婪2 坚2 q 旦 n a o h n - b u t a n o l 几厂- 、 i s ooa t 8 t o l u e n e b u 4 n l 5 h 2 p d - c 苫 誉 乏 p 一弋 6 4 图2 1 合成路线图 1 3 - 。一 天津大学硕士学位论文第二章实验部分 2 3 实验步骤 2 3 1 2 一 2 ( 2 羟乙基) 苯氧基】乙醇( 1 ) 的合成 5 0 0m l 三i z l 瓶中，加入邻苯二酚3 4 2g ( 0 3 0t 0 0 1 ) 和正丁醇2 0 0m l ，机械搅 拌下，加入n a o h1 2 0g ( 0 3 1 0m 0 1 ) ，n 2 保护下加热直至回流。回流条件下，2 氯乙醇2 4 1g ( 0 3 0 0t 0 0 1 ) 缓慢滴加入反应液中，反应1 5h 。冷却至室温，再加入 2 5 0gn a o h ( 0 6 1 0t 0 0 1 ) ，搅拌加热至回流，再继续滴加2 氯乙醇4 9 0g ( 0 6 0 0 t 0 0 1 ) ，回流1 6h 。减压除去反应液中的溶剂，加入少量水，大量c h c l 3 萃取，收 集有机相，再用水洗，无水m g s 0 4 干燥过夜。减压蒸馏除去溶剂，得粗品，甲 醇重结晶，得到产品2 4 8g ，产率4 1 。熔点7 7 7 8 。 2 3 2 双对甲苯磺酰基二甘醇( 2 ) 的合成 2 5 0 m l 三口瓶中，加入2 1 2g ( 0 2 0 0 t 0 0 1 ) - 甘醇和1 9 1g ( 0 5 0 0 t 0 0 1 ) 对甲基苯 磺酰氯和1 5 0m l 四氢呋喃，搅拌溶解，冰水浴条件，机械搅拌下，缓慢滴加入 5 0 n a o h 溶液( 0 8 0 0m o l ，3 2 0g ) 。滴加完毕后，撤去冰水浴，室温条件下搅拌 7h 。反应液倒入1 0 0m l c h 2 c 1 2 和1 0 0m l 冰水的混合物中，水相用c h 2 c 1 2 萃取 ( 3 x 1 0 0m e ) 。收集有机相，无水m g s 0 4 干燥。过滤，减压蒸馏除去滤液中的溶 剂，粗产物用乙醇重结晶，得到白色针状晶体7 8 1g ，产率9 4 。熔点9 1 9 2 。 2 3 3 苯并1 5 一冠一5 ( 3 ) 的合成 1 0 0 0m l 三口瓶中，加入2 9 5g 四丁基碘化胺，1 5 0m l 甲苯和6 0m l 5 0 n a o h 水溶液，机械搅拌。加热至回流。将6 3 4g ( 3 2 1r e t 0 0 1 ) ( 1 ) 和1 3 3g ( 3 2 1 衄0 1 ) ( 2 ) 混合溶解在6 5 0m l 甲苯中，然后在回流条件下，缓慢滴加到反应体系 中去，回流1 6h 。减压蒸馏除去甲苯，加入少量水和大量的c h c l 3 萃取。收集有 机相，无水m g s 0 4 干燥过夜，过滤，减压蒸馏除去滤液中的溶剂，通过色谱柱( 二 氯甲烷：异丙醇= 1 0 ：0 - - - 1 0 ：1 梯度洗脱) 提纯分离，得到产物4 7 2g ，产率：5 5 。 1 hn m r ( c d c l 3 ，m e 4 s i ) 66 8 8 6 9 0 ( m ，4 h ) ，4 1 4 化4 r i ) ，3 9 2 ( t ，4 h ) ，3 7 6 - 3 7 7 ( m ， 8 h ) 。( 1 hn m r 谱图见图3 1 ) 2 3 44 一硝基苯并15 一冠一5 ( 4 ) 的合成 2 5 0m l 圆底烧瓶中，加入1 4 3g ( 5 3 0r e t 0 0 1 ) 苯并1 5 冠5 ( 3 ) ，溶于2 0m l c h c l 3 和1 8m l 冰醋酸中，磁力搅拌下，室温滴加7 0 浓硝酸5m l 。室温搅拌 反应2 4h ，将反应液倒入5 0m l 水中稀释，然后加入n a 2 c 0 3 ，中和至p h = 7 ， 天津大学硕士学位论文第二章实验部分 c h c l 3 萃取，收集有机相，无水m g s 0 4 干燥，过滤，减压蒸馏除去滤液中的溶 剂，得到粗产品1 6 0g ，乙醇重结晶，得到黄色晶体。1 hn m r ( c d c l 3 ，m e 4 s i ) j 7 8 8 7 9 1 ( m ，1 h ) ，7 7 3 ( 也1 h ) ，6 8 8 ( d ，1 h ) ，4 2 1 _ 4 2 4 ( i n ，4 h ) ，3 9 4 - 3 9 6 ( 驰4 h ) ， 3 7 3 3 7 8 ( 驰8 h ) 。( 1 hn m r 谱图见图3 2 ) 2 3 54 氨基苯并15 一冠一5 ( 5 ) 的合成 2 5 0m l 圆底烧瓶中，加入1 6 0g4 - 硝基苯并1 5 一冠一5 ( 4 ) ，溶于1 5 0m l 甲醇 中，加入0 6 0g5 的p d - c ，通入h 2 ，室温条件下，磁力搅拌，反应2 4h 。过滤， 减压除去滤液中的溶剂，得到粗产品1 4 0g ，因为胺在空气中易变质，故未进行 提纯，直接用于下一步的反应。 2 3 6 2 【( 苯并1 5 一冠一5 ) 4 一氨亚基 1 苊酮( 6 ) 的合成 1 4g 未提纯的( 5 ) 和0 7 0 5g ( 3 9 0m m 0 1 ) 混# 溶于1 5 0m l 甲苯，氮气保护下 加热回流分水，反应7h ，减压蒸馏除去溶剂，色谱柱提纯分离( 二氯甲烷：异丙醇 = 2 0 ：1 洗脱) ，得到产物0 2 5 0g 。产率1 5 。( 1 hn m r 谱图见图3 3 ) 2 3 7 n ，n ( 苯并1 5 一冠一5 ) 4 基】4 溴1 ，8 一萘二甲酰胺( 7 ) 的合成 1 5 0m l 三口瓶中，加入0 3 4 0g ( 1 2 3m m 0 1 ) 4 - 溴- 1 ，8 一萘酐，3 0m l 乙醇，磁 力搅拌。将0 2 5 0g 化合物( 5 ) 溶于2 0m l 乙醇，室温条件下缓慢滴：j n , k _ k 述溶液 中。滴加完毕后，加热回流，反应1 0h ：t l c 监测反应。停止反应，减压蒸馏 除去溶剂。色谱柱( 二氯甲烷：异丙醇= 1 0 ：0 - - - 1 0 ：1 梯度洗脱) 提纯分离得到产物2 5 0 m g 。( 1 hn m r 谱图见图3 4 ) 天津大学硕士至殖论文第三章实验结果与讨论 3 1 图谱解析 第三章实验结果与讨论 对于一些已知化合物本文只给出了熔点来作为鉴定标准，而对于苯并1 5 冠 5 以及一些新化合物，这里对其1 hn m r 进行讨论。 3 1 1 苯并1 5 一冠- 5 ( 3 ) 的谱图解析 7 o oe 5 06 5 5 054如4 3 1 5 0 p p m ( f 1 ) 图3 1 化合物( 3 ) 的1 h n m r 谱图 很明显可以从谱图( 见图3 1 ) 中看出，处于低场的6 8 9p p m 的多重峰为苯环 上的四个氢。远离苯环的八个氢( o c h 2 c h 2 0 c h 2 c h 2 0 ) 几乎以一样的化学位移出 现在3 7 6p p m 处( 单峰) ，而靠近苯环的两组共八个氢( c h 2 c h 2 0 a r o c h 2 c h 2 ) 分别裂分成两组三重峰在3 9 2 ，4 1 4p p m 。 天津大学硕士学位论文第三章实验结果与讨论 3 1 2 4 硝基苯并1 5 冠5 ( 4 ) 的谱图解析 8 o7 o8 05 o4 03 0 p p m i t l ) 图3 2 化合物( 4 ) 的1 h n m r 谱图 与图3 1 相比，图3 2 中可以看到在高场的三组峰是基本一致的，远离苯环 的八个氢( o c h 2 c h 2 0 c h 2 c h 2 0 ) 因为距离硝基比较远，所受的影响很小，所以它 们的位移基本不变。而靠近苯环的两组共八个氢( c h 2 c h 2 0 a r o c h 2 c h 2 ) ，则因此 稍稍移向低场。而苯环上的三个氢也因此分为三组不同的峰，最高位移处是5 位的氢( 双峰) 7 9 0p p m ，其次是3 - 位( 单峰) 7 7 3p p m 和6 一位( 双峰) 6 8 8p p m 。 天津大学硕士学位论文 第三章实验结果与讨论 3 1 3 2 ( 苯并1 5 冠一5 ) 4 氨亚基 - 1 - 苊酮( 6 ) f l o 谱图解析 8 o7 06 05 04 0 p p m ( t 1 ) 图3 3 化合物( 6 ) 的1 h n m r 谱图 首先我们对各个峰对应的氢进行归属，高场的几组峰是冠醚单元上最远离苯 环的八个氢，这和图3 1 和图3 2 是一致的，虽然连接在苯并冠醚4 位的基团不 同，但都因为距离较远，而没有表现出很大的影响。但对于冠醚环上的其余八个 氢则发生了很大的变化，原本的两组峰变为四组。这是由于碳氮双键的刚性造成 两边的氢成为化学不等价氢。全部都裂分为两个峰，所以我们得到了正反异构体 的等比混合物。从图3 4 中可以更清楚的看到其裂分。 4 5 6 7 1 hn m r ( 5 0 0m h z ，c d c l 3 ) ：j ( p p m ) 3 7 5 3 8 4 ( 玛8 h ，h 1 4 ) ，3 9 1 化2 h ，h 1 3 ) ， 3 9 7 ( t ，2 h ，h 1 2 ) ，4 1 0 ( t ，2 h ，h l o ) ，4 2 2 心2 h ，h n ) ，6 6 6 ( d d , 1 h ，8 1 ) ，6 7 1 ( d , 1 h ， h 2 ) ，6 9 6 ( d , 1 h ，i 1 3 ) ，7 2 5 ( t ，1 h ，h 5 ) ，7 4 9 化1 h ，i - i s ) ，7 8 1 化1 h ，8 4 ) ，8 0 2 ( d ，1 h ， 1 8 天津大学硕士学位论文第三章实验结果与讨论 h 6 ) ，8 1 7 化2 h ，h 7 ，h 9 ) 3 1 4 n ，n ( 苯并1 5 冠一5 ) 4 基 - 4 溴1 ，8 萘二甲酰胺( 7 ) 的谱图解析 o , 0 l 08 05 00 刖( t 1 ) 图3 4 化合物( 7 ) 的1 h n m r 谱图 图3 4 中并没有显示出亚氨基的氢，是因为其活泼性，被c d c l 3 交换了。 1 0 0 0 1 hn m r ( 5 0 0m h z ，c d c l 3 ) ：6 ( p p m ) 3 7 5 7 7 7 ( m ，16 h ，h u ) ，3 9 2 3 9 5 ( m ，8 h ， h l o ) ，4 2 0 _ 4 2 3 ( m ，8 h ，h 9 ) ，6 8 7 ( d ，2 h ，h i ) ，7 7 2 ( 止2 h ，h 3 ) ，7 8 9 ( d d , 2 h ，h 2 ) ， 7 9 2 - 7 9 5 ( m , 1 h ，h 5 ) ，8 1 3 ( d , 1 h ，h 7 ) ，8 4 6 ( 也1 h ，h s ) ，8 6 9 8 7 1 ( m , 2 h ，i - t , , h 6 ) 1 9 - 天津大学硕士学位论文第三章实验结果与讨论 3 2 离子识别研究 3 2 1 实验部分 本文所用仪器为v a r i a nc a r ye d i p s e ，样品池为1 1x 4t 2 1 x 1 3 石英皿。 化合物( 6 ) 的合成见第二章2 3 6 ，我们选择色谱纯乙腈做为测定荧光光谱的 溶剂。 以( 6 ) 为主体，以n a c l 0 4 ，k c l 0 4 ，n h 4 c 1 0 4 为客体。主体配制成1 1