（高分子化学与物理专业论文）新型酰胺硫脲基杯芳烃和双杯芳烃的合成与性能研究.pdf

个人简历 福建师范大学学位论文使用授权声明 本人( 姓名)超丛! 垄学号2 q q 5 2 兰窆专业直盆王丝堂皇物理 所里交的论文( 论文题目：新型酰胺硫脲基杯芳烃和双杯芳烃的合成与 性能研究) 是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 入已经发表或撰写过的研究成果。本人了解福建师范大学有关保留、使 用学位论文的规定，即：学校有权保留送交的学位论文并允许论文被查 阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容；学校可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名一盈一l 互指导教师签名缉丝ik 一。 福建师范大学硕士学位论文 摘要 杯芳烃是广受瞩目的第三代主体分子，作为平台构筑对客体具有良好识别能力 的新型主体分子一直颇受瞩目。其中，含n 、s 杂原子桥联的杯芳烃的研究近几年受 到了人们的广泛关注，是杯芳烃化学新的研究热点。在杯芳烃引入氨基、酰胺基、脲 基、硫脲基等，通过它们的协同效应，对客体具有优良的识别能力。本文以对叔丁 基杯 4 芳烃为平台，设计并合成了一系列杯 4 芳烃和双杯 4 芳烃酰胺、硫脲、脲 基衍生物，并研究了它们对金属阳离子萃取性能和阴离子的配合性能。 首先，我们合成了具有两个酰胺基，四个硫脲基的开链结构的杯 4 芳烃衍生物。 通过金属阳离子萃取实验表明，含酰胺基和硫脲基的杯 4 芳烃衍生物对过渡金属有 较好的识别性能，远远优于只含有酰胺基的杯芳烃衍生物，同时对c 0 2 + 、c s + 能较 好的高效选择性萃取。 其次，设计并合成了新型的n 支套索杯【4 芳烃氮杂冠醚。金属阳离子萃取实验 表明，此类含酰胺基和硫脲基的杯 4 】芳烃冠醚衍生物3 对软金属离子均有较好的识 别性能。 再次，设计并合成了哑铃状酰胺基硫脲基双杯 4 】冠醚。阳离子萃取实验表明， 新化合物3 a 、3 b 对过渡盒属离子表现出良好的萃取性能，而对碱金属的作用较弱， 其中萃取率高的有p b 2 + 、a 矿、n i 2 + ，化合物3 a 对c 0 2 + 表现出较好的配合能力和萃 取选择性。另外，我们将新化合物配合能力与结构类似的只含酰胺基的杯 4 】芳烃衍 生物相比，发现新型杯芳烃衍生物对软金属具有更好的配合性能。阴离子配合实验 发现，新化合物对所测黟j 离子具有良好的识别性能，阱v i s 光谱法研究了新化合物与 o o c ( c h 2 ) 4 c o o 。阴离子识别配合性能并计算出它们的配合常数，结果表明它们对 o o c ( c h 2 ) 4 c o o 有较好的配合作用，主客体分子形成1 ：l 的配合物。 关键词四硫脲杯【4 ，氮杂，合成，萃取，阴离子，识别 i 福建师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t c a l i x 卸饥ea r cm et h i r dg e n e r a t i o no fm eh o s tm o l e c u l e s ，嬲ab u i l d i n gb l o c kt o c o n s t m c tt 1 1 en o v e lh o s tm o l e c u l e sw i t l lg o o dr e c o g n i t i o na b i l i t i e st o w a r d sm eg u e s t s r e c e n t l y p e o p l eh a v ep a i dm u c ha t t 印t i o nt on ，s b r i d g e dc a l i x 锄彻e s b e c 孤娼e c a l i x 缸e n ed e r i v a t i v e sc o n t a i l 面g 砌d e 、也i o 啊哈a 缸d 山屯au m t s ，伍r o u 曲h a v eg o o d r e c o g n i t i o na b i l i t i e st o w a r d sm e 昏- 髓t s t h e r e f o r e ，s t u d i e s o nt h e i rd 舐v a t i o n 弛d r e c o g m t i o np r o p e n i e sa r ci 1 1n l e 勰c e i 池n t h lt h i sp 印c a l i x 4 】a r e l l ei su s e d 勰a b u i l d i n gb l o c k ，a n das e d e so fc a l i x 4 】a r e n ed e r i v a t i v e sc o n t a i l l i n g 锄i d e 、t 1 1 i o u r e aa n d u r e au n i t sa r ed e s i g n e d 甜l ds y i l t h e s i z e 也狃dm e i rb i i l d i n gp r o p e r t i e st o w a r d sm e t a l c a t i o n sa n da n i o na r es t u d i e d f i r s t l y w e s y l l t h e s i z e dac a l i x 【4 】a r e n ed e r i v a t i v ew i t ht h es 觚c t u r eo fo p e n - c h a i n c o 删n g 锄i d eu 1 1 i t sa l l df - 0 u rt h i o u r e au i l i t s m e t a lc a t i o ne x 仃a c t i o ne x p e r i m e n t s d 锄o n s t r a t et h a tc a l i x 4 】a r 锄ed 喇v a t i v ec o n t a i n i n g 锄i d ea n dt h i o u r e al l i l i t ss h o w s m u c hb e t t e re x t r a 烈i o np r o p e n yt o w a r d st r a n s i t i o nm e t a l i o n st h a nt h a to fc a l i x a r e n e d e r i v a t i v eo n l yc o n t a i n i n ga m i d eg r o u p s ，觚di te x h i b i t sa9 0 0 de x t m c t i o ns e l e c t i v i t ) r t o w a r d sc 0 2 + c s + s e c o n d l y ，a1 1 0 v e ln - c a l i x 4 】a r e n ea z a - c r o w ne n l e rd e r i v a t i v ei ss 弘l t h e s i z e d m e t a l c a t i o ne x t r a c t i o ne x p 甜m e n t sd e m o 璐t r a t et 1 1 a tc a l i x 4 】a r e n ed e r i v a t i v ec o n t a i l l i n g 锄i d e 锄dt h i o u r e au i l i t ss h o w sg o o de x 仃狮t i o np r o p e n yt o w a r d ss o rm e t a l i o n s t h i r d l y d 砌曲b e l l - b i s c a l i x 【4 】a r e n e sa z a c r o v me t h e ra r es y n m e s i z e d m e t a lc a t i o n e x 缸a c t i o ne x p e d m e n t sd e m o n s t r a t et h a t 1 en 0 v e lc o m p o 吼d ss h o we x c e l l 锄te x t r a c t i o n p r o p e r t yt o w a r d s 仃a 1 1 s i t i o nm e t a li o n sa n dp o o re x 缸a c t i o np r o p e n y t o w a r d sa l l ( a l im e t a l ， 缸dt h e ye x l l i b i tag o o de x 仃- a c t i o ns e l e c t i v 时t o w a r d sp b 2 + ，a g + 觚dn i 2 + 1 1 1 ec o m p o m l d 3 ae x h i b i t sag o o d 懿t r a c t i o ns e l e c t i v i t yt o w a r d sc o z + i ti sf o l l i l dm a tt l l ee x 仃a c t i o n p e r c e n t a g eo ft h e s en e wc a l i x 【4 】a r e n ed e r i v a t i v e sf o rs o nc a t i o 娜a r eh i g h e rt h a nt _ h a to f c a l i x a r e n ed e r i v a t i v eo n l yc o n t a i n i i 培锄i d e 印n p s n l ea 1 1 i o nb i n d i n ge x 们c t i o ne x p 丽m e n t s 如g g e s tt l l a t 廿l e s ed 甜v a t i v e se ) 【l 曲i t e x c e l l e n tr e c o g m t i o nt o w a r d s 撕o n u 啦、，i si s 髑e dt 0s t u d yt l l eb i n d i i l gp r o p e r t yo fn o v e l c o m p o u i l d st o w a r d s 。o o c ( c h 2 ) 4 c o o - 越0 璐，缸dm e i r b i i l d i n gc o n s t 锄t s 淝c a l c u l a t e d i i 福建师范大学硕士学位论文 t l l er e s u l t ss h o wm a ti tp o s s e s s e sg o o dc o m p l c x a t i o na b i l i t i e st o w a r d s 。o o c ( c h 2 ) 4 c o o ， 孤dl ：lc o m p l e xc o m p o u l l di sf o m e db e 帆e e i lh o s ta n dg u e s tm o l e c u l e s 1 ( e y w o r d st e 仃枷o m e ac a l i x 4 】a r e i l e ，a z a ，s y n t h e s i s ，e ) 【仃a c t i o n ，觚i o 嘎r e c o g m t i o n 福建师范大学硕士学位论文 中文文摘 杯芳烃( c a l i x a r e n e ) 是一类由苯酚单元通过亚甲基在酚羟基邻位连接而构成的 环状低聚物。作为继环糊精和冠醚之后的笫三代超分子化合物，杯芳烃以其良好的 化学稳定性、高熔点，以及空腔大小可以调节等独特的物理、化学性能受到众多学 者的关注。它作为一个有效的合成平台，引入特定功能团后可得到对客体具有较高 的选择性识别能力的新型主体分子。对杯芳烃母体、成环基团及其上下缘进行有目 的的化学改性，可以构建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，不仅可以识别金属阳离子、有机阳离 子、气体分子和有机小分子，而且可以选择性地识别阴离子客体和手性分子。其中 引入较强络合能力的含氮、硫原子官能团( 如胺、酰胺、硫脲、脲等) 进行客体识 别的研究更受到重视并先后被合成出来，这些衍生物在化学传感器、色谱分离、客 体识别、材料科学和生物化学等领域都显示出潜在的应用价值。 本论文设计合成了多种含氮、硫的软配位基团( 酰胺基、硫脲基、脲基) 的杯 芳烃衍生物；用元素分析、质谱、红外光谱和核磁共振波谱等手段对合成的产物进 行表征：并对它们的离子萃取性能和配合性能进行测定，取得了一些较有意义的研 究成果。主要内容包括以下四个方面： 第一章：绪论。本章较为系统的阐述了杯芳烃及其衍生物的研究概况，主要包 括杯芳烃的命名、合成方法、结构特点、构象、上下沿化学修饰、桥联反应、分子 离子识别及应用。特别对含氮杂原子杯芳烃，双杯芳烃及客体识别方面进行了较为 系统的概述。 第二章：四硫脲基杯 4 】芳烃衍生物的合成及性能研究。本文通过杯 4 芳烃与氯 乙酸乙酯反应引入酯基，然后用二乙烯三胺胺解，得到化合物2 ，再与异硫氰酸苯 际加成褂到含l j q 个硫j 1 4 ：) 占的新型杯芳烃衍生物3 ，整个合成步骤筒堆，总产牢达7 3 。 在合成化合物的过程中，改进了按照文献中直接沉淀的方法，用丙酮反复的举取产 物，得剑足够纯度的化合物2 。该化合物含自两个酰胺基和四个硫脲基，结构复杂， 1 ：r 能用谚 别，弋：卜富，通过红外、质璐、核磁) 匕振等丁段对结构进行了农征。并研究 了四硫脲基杯 4 】芳烃衍生物对金属离子的萃取能力，发现该化合物对碱金属、过渡 金属均有较好的识别性能，远远优于只含有酰胺基的杯芳烃衍生物，同时对c 0 2 + 有 较好的萃取选择性，并推测了其萃取机理。 福建师范大学硕士学位论文 第三章：n 一支套索杯 4 芳烃氮杂冠醚合成与性能研究。本章通过二乙烯三胺对 杯芳烃二乙酸乙酯衍生物的氨解反应，得到大环醚双内酰胺冠醚化合物2 ，继续与 异硫氰酸酯反应，合成支链上带有硫脲基的套索结构杯 4 】冠醚3 。整个合成步骤少， 反应简便，总产率8 5 。新化合物的结构经元素分析、红外、质谱、1 hn m r 谱等表 征证明它们的结构与构象。通过研究四硫脲基杯 4 芳烃衍生物对金属离子的萃取能 力，发现该化合物对软金属离子有较好的识别能力，其中萃取率高的有c 0 2 + 、时和 n i 2 + ，分别达到5 3 2 、4 7 。8 、4 6 6 。 第四章：哑铃状酰胺基硫脲基双杯 4 冠醚的合成与性能研究。本章是先对杯芳 烃母体进行修饰，引入双酰胺基形成n 杂杯芳冠醚后，再与含异氰酸酯、异硫氰酸 酯双官能化试剂反应，一步得到了哑铃状双杯 4 】芳烃冠醚3 a 、3 b ，这种合成方法比 较简单，没有副产物，产率9 0 以上。与传统的单杯芳烃冠醚相比，新化合物3 a 、 3 b 由两个杯芳烃单元通过烷( 芳) 基桥联而形成，可同时络合两个相同、不同的底 物，表现出特殊的协同作用在桥联链上存在硫脲基、脲基单元、这些基团与酰胺 基团通过氢键对阴离子有很好的协同配合能力，新的化合物的结构经元素分析、质 谱、核磁共振谱等表征证明它们的结构与构象。 阳离子萃取实验表明，新化合物3 a 、3 b 对过渡金属离子表现出良好的萃取性能， 对碱金属的作用较弱，其中萃取率高的有p b 2 + 分别达到5 6 6 、5 3 9 ，a 矿分别达 到6 0 3 4 、5 2 ，n i 2 + 分别达到5 0 - 3 、4 2 ，同时化合物3 a 对c 0 2 + 表现出较好的 的配合能力和萃取选择性、其中c 0 2 椭矿、c 0 2 + k + 的最高选择性分别可达6 4 、7 9 。 另外，新的化合物3 a 同时含有酰胺基与硫脲基、3 b 同时含有酰胺基与脲基，我们将 e 配合能力与绌构类似的只含酰胺丛的杯【4 】芳烃衍生物进行比较，发现新型杯芳烃 衍生物3 a 、3 b 比只含有酰胺基的杯芳烃衍生物4 贝有亚好的软金属配合性能，对 a g + 的萃取能力大大高于化合物4 ，表明新化合物在阳离子络合过程中，酰胺基与硫 脲基，或脲基之间存在较强的协同配合作用。 阴离子配合实验发现，新化合物3 a 、3 b 对阴离有不同程度的识别性能，新化合 物3 a 、3 b 主体浓度不变，随着客体o o c ( c h 2 ) 4 c o o 浓度的不断增大，新化合物紫 外光谱最大吸收峰强度均出现逐渐的变大的趋势，并且到达一定程度不再变化。通 过b e n e s i h i l d e r b r 龃d 线性拟合曲线，r 0 9 8 。说明新化合物对阴离子具有良好的识 别性能，主客体间形成了1 ：1 超分子配合物。主要原因是新化合物中多重氢键的协同 作用和主体分子相对稳定的锥式构象在识别中起了重要的作用。 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 自从n o b e l 化学奖在19 8 7 年授予了c j p c d e r s d e n 、d j c r a m 和j m l e l l i l 三位科 学家，标志着化学的发展进入了一个新的时代，发轫于p e d e r s e n 对冠醚的基本性质的 发现1 1 】分别由c r 锄和l e h n 发展起来的主客体化学【2 】和超分子化学的重要意义也因 此被人们真正认识到。对以非共价键弱相互作用力键合起来的复杂有序且具有特定 功能的分子集合体，即超分子化学的研究，可以说是共价键化学的一次升华、一次 质的超越，被称为是“超越分子概念的化学”，作为化学的前沿领域，1 0 多年来获得 了很大的发展。研究超分子的形成、作用、结构和性能的超分子化学，已扩展到化 学的各个分支和其他学科等领域。以超分子化学为基础的超分子材料，是一种正处 于开发阶段的现代新型材料，它一般指利用分子间非共价键的键合作用( 如氢键相互 作用、电子供体一受体相互作用、离子相互作用和憎水相互作用等) 而制备的材料。 决定超分子材料性质的，不仅是组成它的分子，更大程度上取决于这些分子所经过 的自组装过程，因为材料的性质和功能寓于其自组装过程中，所以，超分子组装技 术是超分子材料研究的重要内容。超分子化学则由于其在材料科学上的潜在应用价 值而倍受人们青睐。此外，超分子化学不仅在材料科学和信息科学而且在生命科学 中也均具有重要的意义和潜在的广阔应用前景，在生物传感器、润滑材料、防腐蚀 材料、膜材料、粘合剂及表面活性剂等方面也有着广阔的应用前景【3 1 。 冠醚和环糊梢作为主一客体化学域具代表性的两类主体化合物在基础研究和应 用研究领域都取得了令人瞩目的成果，分别代表了第一代和第二代超分子主体化合 物。杯芳烃( 如图1 1 ) 这一类新型的具有独特空穴结构的大环化合物作为第三代超 分子主体越来越引人注目【4 】，与冠醚和环糊精相比具有( 1 ) 杯芳烃合成方法简单，宜 于大量制备，空穴结构具有较大的调节自由度，可通过合成条件调节控制空腔大小， 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 ) 反应点丰富，在 杯芳烃本身的上、下缘及连接苯环的亚甲基都可以衍生化，不仅改善杯芳烃自身水 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力；且可通过化学修饰 引进各种能够对特定的基团作分子识别的作用位点，因而能合成多种受体，实现分 子识别，可作为理想的构筑组装分子器件的平台；( 3 ) 兼有冠醚和环糊精两者之长， 既有疏水性的空腔以包合中性有机分子，又有极性的酚羟基，能与离子和中性分子 福建师范大学硕士学位论文 形成主客体包结物；( 4 ) 具有多种构象异构体及构象转换现象，且可能通过引入特定 的取代基使构象得到固定：( 5 ) 具有与酚醛树脂相似的化学稳定性和热稳定性，且通 过衍生化后，某些衍生物具有良好的溶解性。 基于杯芳烃的上述一些特点，最近几年以来，这方面的工作主要集中在修饰杯芳 烃的性能研究和开发利用以及由杯芳烃为母体构建的可逆或不可逆胶囊对客体分 子、离子的包结等领域中。目前，国内外的化学家对杯芳烃在医药【5 1 、化学传感器 【6 7 1 、分析分离与测定【8 1 9 】、有机催化与合成【10 1 、材料学【11 1 、热力学【1 2 】等领域的 物理、化学性质及其应用进行了广泛深入的研究与开发，取得了许多令人瞩目的成 果。黄志铿、陈远荫等我国科学家在杯芳烃化学领域也作出了很大的贡献。本论文 的设计基础就是建立在杯芳烃多才多艺性能的基础之上的。 图卜1 杯艿烃 f i g 卜1c a l i x a r e n e 1 2 杯芳烃的介绍 1 2 1 杯芳烃的历史渊源 杯n 芳烃( c a l i x a r c n c ) 足一类苯酚单元通过亚r t l 基在酚羟基邻位连接而构成的一 类环状低聚物，它的历史可以追述到18 7 2 年德国化学家b a e y e ra 【1 3 】已发现苯酚与 甲醛的水溶液反应可得到一种坚硬的，树脂状物质，但由于当时的实验手段所限， 对其结构还无法进行表征。2 0 世纪4 0 年代，奥地利化学家z i i l l ( e 【1 4 】酚醛树脂时又意 外得到了一种高熔点的品体，并推断其结构是环状四聚体。在此后数十年中，特别 到7 0 年代后期，随着对环糊精、冠醚等大环化合物的深入研究，杯芳烃引起了美国 化学家g u t s c h ec d 【1 5 】极大的兴趣，并在该领域作了大量卓有成效的工作，他提出 并优化了“一步法”合成杯芳烃的方法，大大提高了杯芳烃的收率：同时在杯芳烃的 修饰方面进行了许多工作，指出该类化合物具有大小可调的空腔，应是一类具有广 第1 章绪论 泛适应性的模拟酶。至此，杯芳烃类化合物的合成及性能研究才引起人们的普遍关 注。如今，全世界每年发表的有关杯芳烃论文5 0 0 篇。随着主客体化学从单点识别 发展到多重识别或多点识别并正向不对称性识别方向发展，杯芳烃的合成也正向着 功能化方向发展。美、日、德、英等国化学家先后就其合成与性能开展了系列研究， 并在配合物、分析化学、分子识别、分子催化等领域的应用中取得了突破性进展【l 纠酊。 1 2 2 杯芳烃的命名 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 ( 见图1 1 ) ，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 掀1 e ，c a l i x 源于希 腊文酒杯，a r e n e 为芳香烃类) 。在杯芳烃的命名中，为了表示母体苯酚单元的数目， 在c a h x 与卸e n e 之间插入【n 】”，将苯酚上的取代基放在c a l i x 【n 】缸e n e 的前面。( 见 图1 2 ) 。 图卜25 ，1 1 ，1 7 ，2 3 一四叔丁基2 5 。2 6 ，2 7 。2 8 一四羟基杯 4 芳烃 f i g l - 25 ，l l ，l7 ，2 3 啦t r a t e n - b u l y l - 2 5 ，2 6 ，2 7 ，2 8 也t 随d i h y d x y c a i x 【4 】a m 鹏 1 2 3 杯芳烃的合成与制备 现有的文献报道的杯芳烃合成方法主要有一步法、逐步法和片段缩合法三种。 1 一步合成法z i i l l 【a 开创了杯芳烃的一步合成法【聊，在此基础上g u t s c h ec d 【2 0 j 等进进了改进，在碱性条件下通过一步反应分别选择性地制备了对叔丁基杯【4 】芳 烃( 1 ) 、杯【6 】芳烃( 2 ) 、杯【8 】芳烃( 3 ) ，目前成为实验室中易得的原料，对杯 芳烃研究工作的蓬勃发展做出了很大的贡献。合成反应可以简单表示如图1 3 ： 福建师范大学硕士学位论文 n +n h 2 c = o in 一4 2n - 6 3n = 8 图1 3 一步法合成杯芳烃 f i 9 1 3s y n t i l e s i so fc a l i 】【a 朋坞b yo n es t i e p 尽管这三种杯芳烃的合成均在碱性条件下进行，但产物的类型取决于碱性的不 同和反应溶剂，由于c m s c h 贡献，制备这几种化合物的反应条件已经很明确( 见表 1 - 1 ) 表1 1 杯 4 、杯 6 、杯 8 芳烃( 1 3 ) 的制备条件 t j l b l e l - 1t 1 1 ep r e p 缸a t i o nc o n d i t i o 璐o f c a l 政 4 】a r e n e c a l i 】【 6 】a r e r 圯，c a l 政8 1 a r e n e f l 3 ) 化合物反应溶剂碱重结晶溶剂产率 l 二苯醚 n a 0 啊( 0 0 3 柚蚴 甲幂5 0 2 二甲苯k o h ( 0 3 4 ) 氯仿甲醇 8 5 3 二甲苯 n a o h ( o 0 3 ) 氯仿6 3 带有奇数苯酚单元的杯 5 】芳烃【2 1 1 、杯 7 】芳烃【2 2 1 、杯【9 芳烃【2 3 】，甚至更大的杯 芳烃，也可以通过对叔丁基苯酚直接缩合而得，但产率相当低。 2 逐步合成法：一步法合成杯芳烃必须是对位取代相同的，逐步法则不受这种 限制。逐步法是以片段进行缩合的方法，适应性较广，从理论上讲可以通过调节环 的大小来得到不同孔穴的主体分子，合成出具有各种取代基的和大小环的杯芳烃分 子，h a y e s 和h u i l t e r 首次用逐步法合成了杯芳烃【2 4 1 ，随后化学工作者们对此方法多次 优化，虽然弥补了一步法合成的对位单一化，但由于步骤过于复杂，产率很低，因 此没有得到广泛应用。 3 片段缩合法：又叫会聚法，片段缩合法具有逐步法的灵活性，也克服了逐步 法步骤多的缺点，但是环化缩合产率不高，主要是用于合成一些具有特殊结构的杯 芳烃。它采用分子间缩合关环代替了逐步法的分子内缩合关环，从而简化了反应步 骤。常采用的有“3 + 1 【2 5 】“2 + 2 【2 6 】，2 1 + 2 l ”【2 7 lt 2 + 2 1 【2 引，4 1 ，等几种方法。 第1 章绪论 b o h m e r 采用3 + 1 和2 + 2 的方法合成杯 4 】芳烃。( 见图1 - 4 ) 绷 图卜4 “3 + 1 ”片段缩合合成杯 4 芳烃 f i g 1 _ 4s y n t h e s i so fc a l i x 【4 】撇鹏b y 触g r i l tc d 哪a t i o l l 近年来的几乎所有片段缩合反应都是在t i c l 4 二氧六环体系中进行，【3 + 1 】， 【2 + 2 】及 4 1 】的产率都很相近，都不超过2 0 ，所以目前改进逐步法的主要任务是提 高关环反应的产率，陈远荫【3 0 】对“3 + 1 ”片断缩合法进行了研究，用二乙醇二甲醚代替 二氧六环作溶剂，使环化产率从2 0 提高到了4 0 。 4 、其他类型杯状化合物的合成 随着主客体化学从单点识别发展到多重识别并正向不对称性识别方向发展，杯 芳烃的合成正向着功能化方向发展。目前杯芳烃研究领域中一个新的方向是对杯芳 烃的骨架实施改变，包括用某此杂环化合物代替苯环而形成的杯杂芳烃( 如杯毗咯、 杯呋喃、杯噻吩、杯吲哚等) ，或用杂原子s 、n 、p 、o 或含杂原子的基团代替桥联 亚甲基而形成的杂杯芳烃。如硫杂杯【4 】芳烃就是将杯【4 】芳烃的亚甲基桥换为硫原子 桥。最早的亚甲基桥被s 原子部分或全部取代的硫杂杯【4 】芳烃是由s o n e 【3 】等合成的， 他们是通过多步法将其合成出来的，产率很低，研究发现这种硫杂杯【4 】芳烃与多种 客体分子以2 ：l 比例包容。而k u m a g a i 等【3 2 】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 4 】芳烃产牢可以达到5 4 ( 见图l - 5 ) 1 - 一 0 + s s l o h n a o h ， m e ( o c h 2 c h 2 0 ) 4 m e 图l 5 对叔丁基硫杂杯【4 】芳烃的合成路线 f i g 1 5s ) ，i l t l l e t i c u t eo f p - t 盯i b u 哆i 1 i a c a l 政【4 】a 坞鹏 +4 h 2 s 福建师范大学硕士学位论文 该方法简单快捷，后处理方便，收率较高，实现了对叔丁基硫代杯【4 】芳烃的大量合 成，为硫代杯芳烃的研究提供了物质基础。 1 3 杯芳烃的结构特征及其衍生化 1 3 1 杯芳烃的构象 杯芳烃中具有由亚甲基相连的苯酚单元，通过苯酚单元与相邻亚甲基桥之间。 键的有限自由旋转，酚单元产生两种可能旋转的模型：酚氧原子绕环旋转和对位取 代基绕环旋转，因此，杯芳烃具有多种构象。 对于未修饰的杯芳烃而言，由于下缘存在着具有活泼氢的羟基，所以极易形成 环状氢键而成为锥式构象。当下缘羟基被烷基化后，由于氢键消除，其构象也就发 生多种可能变化。对杯【4 】芳烃而言，下缘引入烷基后就可能存在四种基本的构象( 如 图l 一6 ) ：杯( 锥) 式( c o n e ) ，部分杯( 锥) 式( p a n i a lc o n e ) ，l ，2 交替式( 1 ，2 - a l t e m a t c ) 和1 ，3 - 交替式( 1 ，3 a l t 锄a t e ) ，但是只有当r 基团大于正丙基时，各种构象异构体才 能够被固定下来。 嫩嘲礤嘲 i 善mp 划c a 艏 图卜6 对叔】基杯 4 j 芳烃的四种构象不意图 f i g 1 - 6t h ef 0 册a t i o no fc a l i x 【4 】a 玎宦n e 对于苯环数目更多的杯芳烃，其构象更为复杂多变。杯【5 】芳烃固态与溶液中采 取一致的“锥式构象”，杯 6 】芳烃有八种典型构象，在低温时采取锥型或翼锥型构象 【3 3 1 ，杯 8 芳烃有1 6 种主要构象，还有多种多样苯环发生部分扭曲的构象。但是均以 “褶状环”的构象在晶体中存在【3 4 1 ，在此构象中，8 个酚羟基环状排列形成完整的氢键。 由于不同构象异构体可能具有完全不同的性质，如何控制生成特定的构象和将 其固定化，使杯芳烃主体分子具有所谓“预组织( p r e o r g ；| i l i z c d ) ”结构，是杯芳烃化 学中一个十分重要的内容。所以在固定杯 4 】芳烃的构象翻转最常见的方法是在杯芳 烃的下缘羟基上引入较大尺寸的取代基【3 5 】，也可以在杯芳烃的上缘或下缘引入各种 类型的桥链固定杯芳烃的构象【3 6 】可以通过分子间的氢键来实现【3 7 1 。 第1 章绪论 1 3 2 杯芳烃的衍生化 杯芳烃合成简便且具有独特的结构，在其分子中，上缘是由苯环的对位取代基 组成；下缘则由紧密而有规律地排列着的酚经基组成；中问则由苯环构成一个富氕电 子憎空腔。另外，通过控制不同的反应条件，并改变杯芳烃的空腔大小，因此它可 以做为一个理想的合成平台，可以通过各种化学修饰成具有预定组织结构的主体分 子。杯芳烃通过化学修饰，对其物理性质与化学性质的改变和应用都有重要的意义。 杯芳烃有多个反应活性点，目前可以从上缘、下缘、间位、亚甲基、杯芳烃骨架 等多处进行化学修饰。杯芳烃上缘修饰的衍生物有较多文献报道。 通过转移上缘的叔丁基，再进行卤化、硝化、硫化、烷基化、重氮化等反应， 可以得到种类繁多的衍生物。一般是通过a 1 c 1 3 处理先脱除对叔丁基，然后通过亲电 取代、克莱森重排、氯甲基化、季胺盐化、曼尼奇反应、磺化、磷酰化等反应来进 行。 杯芳烃的下缘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。对杯芳烃最早的衍生化工作，是将酚羟基转化为乙酸酯，所 得到的衍生物相对母体杯芳烃通常具有更低的熔点和更高的可溶性( 见图1 7 ) 。 图卜7 对叔丁基杯 4 芳烃酚羟基转化为乙酸西旨的示意图 f i g 1 - 7s 弦t h e s i so f c a l i x 【4 】a r e n e e t a t eb yp h e l i ch y d r o x y lg r o u po f c a l i x 【4 】a 嘲托 杯芳烃盼段批在一定条什下与酰氯、卤代烃、卤代冠醚以及i ；他囟代物等反应 i l j 以得剑1 岫d 炎且i ! i j l d 、隧以及禽j l 他杂原一，的化合物和桥联化合物。儿外肋陉拭 还可牝化为m 类化介物，得到n 勺衍，卜物还可进一步发生反虑，如发生水解、还原反 应等。大量实验表明，杯芳烃衍生物的分子识别选择性主要是由空腔大小和酚氧的 取代所控制。通常情况是在缓和碱性溶剂存在下，杯芳烃与卤代物进行取代反应，从 i f i j 导入各利丛团，这些址团包括酯、胺和羧酸类衍生物并用于金属离子和铵离子的 包合配位作用【3 引。b e l l 合成了系列含有酮式结构的杯【5 】衍生物并用于n 矿、i b + 的分 子识别【3 9 】c 的t eg a n s e y 合成了系列含有不同个数的脂肪酸、脂肪酰胺的水溶性杯【4 】 衍生物作为a c + 的离子探针f 删。r u d l 【e v i c h 合成含有不同个数羧酸和羧酸酰胺结构的 福建师范大学硕士学位论文 杯【4 】衍生物，这些衍生物与e u 3 + 、t b 3 + 形成中性络合物并在甲醇介质中具有增强荧 光、扩展荧光寿命的功效【4 1 1 。接连报道的还有【4 2 】：j i i l 利用杯芳烃羧酸酯化合物制作 成磷脂膜用于碱金属的离子传输，m e i e r 等人分别研究了杯【8 】羧酸酯衍生物和杯【4 】 乙酰胺衍生物的络合性能，b a r b o s o 合成了具有4 个氨基甲酰乙基氧化磷( c m p o ) 的杯 【4 】，v r 觚d e r v e e n 先将杯芳烃甲基化后再导入( n ，n - 二甲基氨基羧酸) 甲氧基，使得杯 芳烃的下沿携带具有柔软性的光学离子控针，可以与p b 2 + 、c d 2 + 等金属离子络合。 近年来，通过结构修饰，在杯芳烃的上下缘引入更有效的选择性功能基团是众多 研究者不断追求的目标。一些大环分子如杯芳烃由于其特定的结构。在超分子化学 领域中被广泛地用于识别金属阳离子、阴离子及有机分子等。在杯芳烃引入具有同 金属离子配位作用的含氮原子的官能团如胺基、酰胺基、吡啶等杂环及s c h 谧碱等 可以有效地改善和提高杯芳烃对金属离子的选择性识别作用。杯芳烃还可以通过修 饰使其具有手性，便于模拟人体酶作用机理等生物立体反应过程。 然而，羟基往往是导入非o r 型功能基团的障碍，即某种意义上讲成环酚又限制 了杯芳烃超分子化学的发展与应用。由于氨基的化学活性较大，易于进行各种衍生 化反应，同时也可以改善杯芳烃的某些性质，因此用氨基取代羟基是化学家感兴趣 的热点问题之一。a s f 撕小组在杯芳氮杂冠醚上做了很多工作【4 3 朋】。1 9 9 4 年，r e i i l l l o n d t 小组合成了上缘既含酰胺键又含西佛碱基团的杯芳氮杂冠醚【4 5 】并发现其具有双重 离子识别能力，即能同时识别阳离子和阴离子，b o h m e 一6 】合成了上缘带四个脲取代 基的杯 4 芳烃；g 胁s c h e 【4 7 】发现上缘带有氨乙基的杯 4 】芳烃衍生物对许多二价离子 有配合作用。t a m b 谢l l i 【4 8 】等以l a ( i ) 和c u ( ) 为模板合成了上缘带有席夫碱的杯【4 】 芳烃衍生物。 1 4 杯芳烃的桥联反应 近几年，杯芳烃化学的一个发展方向就是在杯芳烃分子内或分子间进行桥联， 从而获得含有两个以上且有识别客体分子能力的大环化合物。由于这些多环化合物 对客体分子的识别能力比一般杯芳烃要强得多，并且有的具有生理活性或催化功能。 受到化学家的注意。 从桥联方式来说，它可以足生成分子内1 ，3 位或1 ，2 位或分子问的单桥联化 合物；也可以是分子内二桥联的化合物( 常为1 ，3 位或1 ，2 位桥联) ，即单杯三穴衍 生物；还可以是分子间桥联的多杯衍生物；有的文献报道在分子内和分子间同时形 成桥联的多杯多穴衍生物。 - 8 第1 章绪论 从桥联单元的元素组成来看，它可以是桥联单元为多甘醇醚链的杯冠醚化合物 ( c a l i x c r o w ne t h e r ) ，也可以是单元内含有o 、s 等构成的大环杯穴醚( c a l i x c 叩t 锄由化 合物，还可以是单元内含有n 、s 等杂原子的氮杂杯冠醚化合物( c a l i x ( a z a ) c r o w l l ) 和硫 杂杯冠醚化合物( c a l i x ( t l l i a ) c r o w n ) 。该类杯芳烃的特点是：( 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 ) 由于桥联限制了苯酚 单元的转动，可获得构型稳定的化合物。这类杯芳烃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。 1 5 桥联的双杯芳烃 随着杯芳烃功能化研究的深入，双杯芳烃的研究是目前杯芳烃化学的热点之一 阳】。双杯芳烃由两个杯芳烃单元通过化学键联结而形成，与单杯芳烃相比，双杯芳 烃结构更复杂，性质也更为丰富多彩。双杯芳烃具有两个相同或不相同的结合部位， 可同时络合两个相同或不相同的底物【5 0 ，5 1 1 ，表现出特殊的协同作用，更强的络合能 力、以及粒子震荡等新的性质【5 2 5 3 1 ，具有作为某种分子器件的潜力【5 4 1 。 对于双杯 4 】芳烃，按照桥联位置的不同，可将双杯【4 】芳烃分成三类【5 5 】：上缘、 上缘桥联双杯【4 芳烃、下缘、下缘桥联双杯【4 】芳烃和上缘、下缘桥联双杯 4 】芳烃。 按照桥联基团个数，可将双杯【4 】芳烃进一步分成单桥联双杯【4 】芳烃、双桥联双杯【4 】 芳烃、三桥联双杯 4 】芳烃及四桥联双杯【4 】芳烃。合成的方法有一步法合成：杯【4 】 芳烃直接与双官能试剂或者多功能试剂反应，一步得到双杯【4 】芳烃。这种方法可以 合成单桥联双杯【4 】芳烃和双桥联双杯【4 】芳烃等。b e e r 等【5 6 】报道了对叔丁基杯 4 】芳 烃与氯化l ，1 二羰基二茂钴反应，以1 2 的产率得到单桥联双杯【4 芳烃。s h i n k a i 等【5 7 】研究杯【4 芳烃与多甘醇双对甲苯酯的分子内桥联反应时，用高效液相色谱分离 了分子间三甘醇片段单桥联双杯 4 】芳烃及1 ，3 双桥联双杯【4 】芳烃。 一步法合成的双杯 4 】芳烃比较简单，但是可选择的桥联试剂有限。双杯 4 】芳烃 也可由杯 4 芳烃衍生物与双官能化试剂或多官能化试剂反应制备。如第一例下缘 下缘单桥联双杯 4 芳烃就是由多步法合成的，即杯 4 】芳烃三酯单酰氯与乙二胺或乙 二醇反应而得到。b a r r i a 等【5 8 】将2 5 ，2 7 异硫氰酸酯双取代杯【4 】与双氨基杯【4 】芳烃 缩合得到含双硫脲桥联的双杯 4 】芳烃，产率6 2 。b e e r 等【5 9 】设计合成了上缘、下 缘间通过酰胺基键联的双杯 4 芳烃，能与f 、c r 、h s 0 4 、h 2 p 0 4 。等阴离子形成1 ： 福建师范大学硕士学位论文 1 的络合物。杨发福等唧】用对一叔丁基杯 4 】芳烃1 ，3 二醛基衍生物与对叔丁基杯 【4 】1 ，3 二酰肼衍生物在稀释条件下进行1 + 1 分子间缩合反应，高产率地合成了含席 夫碱和酰胺单元的新型双杯 4 芳烃衍生物。 近2 0 年来，双杯芳烃化学已取得长足的发展，特别是双杯 4 】芳烃，其合成与性 能研究已十分深入。随着一些性能优越的双杯芳烃的发现，合成新的双杯芳烃及进 一步发掘双杯芳烃的性能有着重要意义。 1 6 杂原子杯芳烃 目前大部分杯芳烃衍生物的合成都是通过酚赶基氧的醚化以及对位的取代反应 向杯芳烃骨架引入官能团来实现的。事实上用杂原子取代桥联碳原子也是制备杯芳 烃衍生物的一种可供选择的方法。杯芳烃母体的酚氧原子属于硬配位原子，易于碱 金属离子，碱土金属离子等形成配合物，引入带有较软配位原子的基团，则可以提 高其金属离子、过渡金属离子的配合能力。从引入杂原子种类来分，含杂原子的杯 芳烃可分为氮杂杯芳烃、硫杂杯芳烃、硒杂杯芳烃、磷杂杯芳烃以及含有硅、钨杂 原子的杯芳烃。 1 6 1 氮杂原子杯芳烃 由于氮原子有空的p 轨道，能够接受电子，可以增强配合能力，因此合成含氮原 子的杯芳烃衍生物对生物化学研究有现实意义。一方面通过对杯芳烃上缘进行硝化、 还原，可以得到上缘带有氨基的杯芳烃衍生物。另一方面通过杯芳烃下缘引入带有 酰胺、脲、腈等基团。其中带伯胺基的杯芳烃不仅本身可以络合金属离子，而且通 过它还可以制得多种带其它氮原子官能团的杯芳烃。将杯芳烃酯化、再胺解，可以 得到下缘带酰胺键( c o n h 2 ) 或带硫脲基的杯芳烃衍生物。带酰胺基团的杯芳烃具有 很多有用的性质，除了能与碱金属离子( 特别是钠离子) 和镧系金属络合外，它还能 通过氢键作用广泛用于选择性识别阴离子。吉傲【6 l 】等人在杯芳烃母体下沿引入了3 利t 不同的含氮基团，得到了5 种含氮杯【4 】芳烃，发现当母体杯芳烃下沿引入的溴代 烷基变长时，进一步引入含氮基团，只能得到l ，3 位环化的含氮杯【4 芳烃。安琳【6 2 】 等化学组通过杯芳烃的酚羟基的直接烃基化反应，在杯芳烃的下缘引入2 ，3 二甲基 4 氨基偶氮苯发色团，得到了一系列的杯芳烃偶氮衍生物，并发现此类杯芳烃偶氮 衍生物对过渡金属离子有良好的选择性识别作用，其中空腔较大的杯【8 】芳烃偶氮衍 生物的萃取效果