（应用化学专业论文）新型C2轴对称缩醛化合物合成研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除r 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 墨盗堡兰盘堂 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：劫l a j 签字日期：南护，年月i o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨洼堡兰盘堂有关保留、使用学位论文的 规定。特授权墨洼堡墨盘鲎 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、缩印或扫描等复制手段保存、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本和电子文件。 ( 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：否疋巷 导师签名 签字日期：如口r 年月i o 日签字日期：占口许月力日 摘要 新型c 2 轴对称缩醛化合物合成的研究 摘要 目前合成的手性催化剂多为含手性碳、氮、膦等不对称元素与金属( r u ，r h ，m n ， t j ，c u ，b 等) 配位的化合物，c 2 轴对称的较少，完全由c 2 轴对称手性片段组成的大 分子手性催化剂尚未见报道。我们设计的化合物有以下特点： ( 1 ) 分子是全部由c 2 轴对称手性片段组成的大分子，“手性浓度高”，该类化合物作 为催化剂应用可能具有较低的s c 值( 底物与催化剂的摩尔比) 和较高的对映 体过量值( e n a n t i o m e r i ce x c e s s ，e e ) 。 ( 2 ) 在有机溶剂中有较好的溶解性，反应后向内加入水，可以方便地将催化剂从体 系中分离出来，它兼顾了不溶性高分子负载催化剂易分离、可循环使用的优点， 同时具有均相催化剂良好的反应性能。 ( 3 ) 具有刚性结构，结构稳定，不易消旋化而失活。 本论文的目标是合成环状化台物( 1 ) 、聚缩醛胞螺二醚( 2 ) 和树状化合物( 3 ) ， 为最终合成手性催化剂打下基础。从上述化合物的1 h n m r 谱中发现：在有手性轴的化 合物中原季戊四醇的8 个氢裂分为4 组双峰，而在不含手性轴的化合物中原季戊四醇的 8 个氢不裂分，为单峰。在以往的文献中大都认为这一现象是由刚性环所引起的，由前 所述可见，此结论值得商榷。我们就这一发现已经申请了国家发明专利一项。 1 环状化合物( 1 ) 的设计与合成 从问苯二甲醛出发，通过化合物( 4 ) 和化合物( 5 ) 最终合成了环状化合物( 1 ) 。 在反应过程中我们分别考察了催化剂、溶剂、带水剂、温度等因素对反应的影响，利用 i r 、1 h n m r 、 m a s n m r 和m s 等手段对化合物的结构进行了表征。 2 聚缩醛螺胞二醚( 2 ) 的设计与合成 从间苯二甲醛出发，经由化合物( 4 ) 与化合物( 9 ) 反应制备了聚缩醛螺胞二醚。 利用i r 、h - n m r 和m s 等手段对化合物的结构进行了表征。 3 树状化合物( 3 ) 的设计与合成 从均三甲苯出发，经过溴化、水解、缩合得到一级结构( 1 2 ) ，同时我们课题组币 在进行多缎树的制备，利用i r 、h n m r 和m s 等手段对化台物的结构进行了表征。 关键词：环状化合物，树状化合物，聚缩醛胞螺二醚，季戊四醇，1 ，3 一苯二甲醛 苯三甲醛 一! ! 矍 a b s t r a c t m o s to ft h ep r e s e n ts y n t h e s i z e dc h i r a l - c a t a l y s ti sac o r p o r a t i o nc o m p o u n dw h i c hi sm a d e u po fs i n g l ec h i r a la t o m ( c a r b o n ，n i t r o na n dp h o s p h o r u s ) a n dm e t a l ( r u ，r h ，m n ，n ，c u ， b ，e t c ) h o w e v e r , t h ec 2 - a x i a ls y m m e t r i c a lc h i r a l - c a t a l y s ti sf e w i ti sn e v e rr e p o r t e dt h a tt h e m a r c r o m o l e c u l a rc h i r a l c a t a l y s ti sc o m p l e t e l yc o m p o s e do fc 2 一a x i a ls y m m e t r i c a lp a r t s t h e s y n t h e s i z e dc o m p o u n dh a st h ef o l l o w i n gf e a t u r e s ( 1 ) i ti sc o m p l e t e l yc o m p o s e do fc 2 一a x i a ls y m m e t r i c a lc h i r a lp a r t sw i t hah i g hc h i r a l c o n s e n t r a t i o n w h e ni ti sa p p l i e da sc a t a l y s t ，i tm a yh a v eal o wv a l u eo fs c ( t h er a t eo f r e a c t a n ta n dc a t a l y s t ) a n dah i g he , e ( e n a n t i o m e t r i ce x c e s s ) ( 2 ) i th a sab e t t e rs o l u b i l i t yi nt h eo r g a n i cs o l v e n t a n di tc a nb ee a s i l ys e p a r a t e df r o mt h e s y s t e m ，w h i c hi sa d d e dw a t e ra f t e rr e a c t i o n t h i sc a t a l y s tn o to n l yp o s s e s s e st h ef e a t u r e o fi n s o l u t i o nm a c r o m o l e c u l a rw h i c hi se a s i l ys e p a r a t e da n dc a nb ec y c l i c a l l yu s e d ，b u t a l s oh a sab e t t e rr e a c t i o nc a p a c i t yo f h o m o g e n e o u sc a t a l y s t ( 3 ) i tp o s s e s s e sar i g i ds t r u c t u r e ，w h i c hi ss t a b l ea n du n e a s i l yr a c e m i z e d ， m a r c r o c y c l i cc o m p o u n d ( 1 ) 、p o l y a c e t a l s p i r o - v i c d i e t h e r ( 2 ) a n dd e n t r i t i cp o l y m e r ( 3 ) a r et h et a r g e tc o m p o u n do ft h ee s s a y ，w h i c hi st h ef o u n d a t i o no fs y n t h e s i so ft h ec a t a l y s t f r o mt h e s ec o m p o u n d s1 h - n m rw ef i n dt h a tt h ee i g h th y d r o g e n so fo r i g i n a lp e n t a e t y t h r i t o l a r es p i r e di n t of o u rg r o u p so fd o u b l es p e a k si nc o n t a i n i n gc h i r a la x i a lc o m p o u n d ，a n da r e s i n g l ep e a ki nn 0c o n t a i n i n gc h i r a la x i a lc o m p o u n d t h i si m p o r t a n tc o n c l u s i o nc o r r e c t st h e e x p l a n a t i o nt h a ti sk n o w n a sb e i n gc r e a t e db yr i g i ds t r u c t u r e w eh a v ea p p l i e df o ran a t i o n a l p a t e n ta b o u tt h i sc o n c l u s i o n 1 t h ed e s i g n a t i o na n ds y n t h e s i so fm a c r o c y c l i cc o m p o u n d ( 1 ) t h em a c r o c y c l i cc o m p o u n d ( 1 ) i ss y n t h e s i z e db yc o m p o u n d ( 4 ) a n d ( 5 ) f r o m 1 ，3 - p h t h a l a d h y d e t h ei n f l u e n t i a lf a c t o r so fr e a c t i o na r ed i s c u s s e d ，s u c ha ss o l v e n t ，c a t a l y s t a n dt e m p e r a t u r e t h es t r u c t u r eo ft h ec o m p o u n di sc h a r a c t e r i z e db yi r ，l h n m r ，m sa n d m a s n m r 2 t h ed e s i g n a t i o na n ds y n t h e s i so f t h ep o l y - a c e t a l s p i r o v i c d i e t h e r ( 2 ) t h ep o l y a c e t a l - s p i r o v i c - d i e t h e ri ss y n t h e s i z e db yc o m p o u n d ( 4 ) a n d ( 9 ) f r o m1 , 3 p h t h a l a d h y d et h es t r u c t u r eo f t h i sc o m p o u n di sc h a r a c t e r i z e db yi r ，h n m ra n dm s 3 t h ed e s i g n a t i o na n ds y n t h e s i so f t h ed e n t r i t i cp o l y m e r ( 3 ) w eh a v e s y n t h e s i z e dt h ec o m p o t m d ( 3 、f r o m 1 3 ，5 一t r i m e t h y l b e n z e n e a n dt h e m u l t i s t a g ed e n t r i c t i cp o l y m e ri ss y n t h e s i z i n g t h ec o m p o u n di sc h a r a c t e r i z e db yi r ，n m r a n d m s k e y w o r d s ：m a c r o c y c l i cc o m p o u n d p o l y a c e t a l - s p i r o 。v i c - d i e t h e r p e n t a e r y t h i t o l d e n t r i t i cc o m p o u n d1 , 3 一p h t h a l a d h y d e 1 ，3 , 5 一b e n z e n e t r i a l d e h y d e 第一章绪论 第一章：绪论 手性是自然界存在的普遍特征，特别是在生命过程中，手性的均一性是生命物质区 别于非生命物质的最基本特征，因此手性的均一性是生命中最重要的方面之一，如d n a 和r n a 的核糖和脱氧核糖都是d 型的，构成蛋白质的2 0 种天然氨基酸( 除甘氨酸没 有手性外) 都是l 型的，而蛋白质和d n a 的螺旋结构又都是右旋的。不同的手性在生 命过程中发挥着独特的功能，可以说没有生物高分子结构单元的手性均一性以及涉及识 别和信息处理的手性化合物，地球上的生命形态就不可能存在i ”。 手性的概念与不对称密切相关。从原子到人类都是不对称的，如人的左手和右手不 能重叠，而是互为镜像；自然界存在的糖都是d 型的，氨基酸是l 型的，蛋白质和d n a 是右旋的；海螺的螺纹和缠绕植物都是右旋的。因此，我们的世界是不对称的，即手性 是宇宙间的普遍特征，是自然界的本质属性之一。在手性环境中，手性化合物相互作用 时，不同的对映体往往表现出不同的性质，甚至有截然不同的作用【2 1 。 最典型的例子是“反映停”( t h a l i d o m i d e ) p j 。2 0 世纪5 0 年代中期，德国c h e m i e g r u m e nt h a l 公司以外消旋体上市的t h a l i d o m i d e ，作为镇痛剂用于预防孕妇的恶心。 1 9 6 1 年发现，怀孕后3 个月服用此药可引起胎儿的海豹畸形。据统计，由“反映停”致 畸的案例，全世界达1 7 0 0 0 例以上，是2 0 世纪最大的药害事件。1 9 7 9 年，德国波恩大 学研究人员对该药物进行了拆分，发现r 型对映体具有镇痛作用，而s 型对映体具有致 畸作用，它在机体内代谢成1 一n p h t a l o y l g l u t a m i n e 和1 - - n p h t a l o y l g l u t a m i e a c i d 。 这两种代谢产物既有胎毒性，又有致畸性。惨痛的教训使人们认识到，药物必须注意它 们不同的构型。从此，手性药物的开发引起了人们的注意。 o o 反应停s o 反应停r 除“反映停”外，其他一些药物也有类似的情况。例如，广普性抗生素氯霉素 c h l o r a m p h e n i c o l 。只有d ( 一) 一异构体具有杀菌作用，而l 一( + ) 一异构体则完全 没有药效。降压药c t - - m e t h y l d o p a ，服用后在体内经脱羧、b 一羟基化，得到活性化合 物q - - m e t h y l n o r e p i n e p h r i n e ，只有( 一) 的异构体的降解产物有药效，而( + ) 的异 构产物则完全没有药效。利尿剂( z ) - - e t o z o l i n e 的代谢产物有利尿作用，而( + ) 一 的异构体不但没有利尿作用，还会抑制( 一) 一异构体的利尿作用。治疗帕金森的药物 l 多巴，只有s 型( 左旋) 对映体有效，而r 型有严重的副作用；治疗结核病的药物 e t h a m b u t 0 1 ，只有s s 型有效，而r r 型对映体会致盲。另外，有些药物不同对映体的药 第一章绪论 理作用大相径庭，如p r o p r a n o l o l 的s 型对映体是类重要的b 一受体阻断剂，而r 型 对映体有避孕作用。因此，美国的食品与医药管理局1 9 9 2 年提出的法规强调，申报手 性药物时，必须对不同对映体的作用叙述清楚“1 。 同样，在农药方面，有些化合物一种对映体是高效的杀虫剂、杀螨剂、杀菌剂和除 草剂，而另一种却是低效的，甚至无效或相反的。例如，芳氧基丙酸类除草剂 f l u a z i f o p b u t y l ，只有r 型是有效的；杀虫刹a s a n a 的4 个对映体中，只有一个是强 力杀虫剂，另外三个对植物有毒；杀菌剂p a c l o b u t r a z o l ，r r 型有高杀菌作用、低植物 生长控制作用，而s s 型有低杀菌作用、高植物生长控制作用“1 。 手性的重要性也表现在经济方面。自1 9 9 2 年以来，手性药物市场一直快速增长， 1 9 9 9 年第一次超过1 0 0 0 亿美元，单一对映体药物销售额达到1 1 5 0 亿美元，比1 9 9 8 年 增长1 6 ，占世界药物市场3 6 0 0 亿美元的3 2 。在世界最畅销的前1 0 0 、3 0 0 、5 0 0 种药 物中，单一对映体药物都达到或超过5 0 。到2 0 0 5 年，全球上市的化学合成新药中，约 有6 0 是单一对映体药物p j 。 目前，商品化的6 5 0 种农药中，1 7 0 余种属于手性农药。其中年销售额超过1 亿美 元的有3 0 余种，超过2 5 0 0 万美元的有6 0 余种；高活性对映体成分的手性农药年销售 额超过1 0 0 亿美元，纯手性对映体手性农药年销售额接近3 0 亿，手性农药占全球市场 的3 5 。与手性药物相比，虽然手性农药对光学单一性没有过高的要求，但手性农药工 业化规模要大得多，都是在百吨级，甚至千吨级以上。因此，手性农药的商品化特别需 要低成本，并适宜于大规模工业生产的手性技术j 。 这些手性化合物与其受体相互作用大多都是以手性方式进行。这种授体与受体之问 的手性作用，使得很多手性药物的对映体都以不同方式参与作用并产生不同的结果。正 因为如此，不对称有机合成反应在各个领域中越来越受到人们的重视1 7 j 。 近! o 年来，在不对称合成领域中，采用催化剂量的手性催化荆进行催化反应的研 究甚为活跃，取得了巨大的进展，出现了具有工业生产价值的手性催化剂和不对称合成 方法 舡1 0 】，并应用于大规模制备光学活性的对映异构体药物，使改领域成为当前国际有 机合成化学研究的热点。 不对称合成的关键是如何设计和合成高对映选择性和催化活性的手性催化剂，其中 手性配体是手性催化剂产生不对称诱导和控制的源泉。在一般情况下由于反应物构型、 构象、聚集状态以及溶剂化形式等因素的影响，一个反应可能存在多种反应途径，生戎 多种产物，包括构型不同的立体和对映异构体。为了达到不对称合成的目的，就必须设 法减少反应的可能途径，得到单一的反应产物，因此国内外科学家设汁台成了各种类型 的手性配体，其中具有旋转对称轴的配体和催化剂在不对称催化反应中表现出高立体选 择性和催f 乞活性，引起了人们的极大关注和浓厚兴趣。 早在7 0 年代初，k a g a n 和d a n g 就已提出：如果一个具有c 2 对称轴的配体络合 到中心令属离予上，则反应无论从那一边靠近金属离子，它所接触的手性坏境都是一样 的，换句话说，正是配体的对称性减少了反应的可能途径。y a m a d a 等人”2 ”1 通过手性 烯胺进行酮的a 位烷基化是人们熟矢n # b - 个反应，他们用脯氨酸酯进行实验所得到的e e 值不超过3 0 ，但w h i t e s e l i 和f e l m a n l l 4 1 换用具有c 2x , j 称轴的( + ) 一t r a n s - - 2 5 _ 二“ 第一章绪论 基吡咯进行同一实验时，e e 值提高到了9 0 。从下面四种过渡态可看出两个反应的明 显差别。由此可见c 2 对称轴的引入对立体控制的真正作用。 峨 b 9 0 。 除了d i o p 3 3 l 午口b i n a p 3 4 】体系外，各国化学工作者也已合成了其它具有c 2 对称辅 的手性双磷以及双氧磷、双氮磷配体( 1 4 2 7 ) ，并成功地运用于不对称氢化【j “、不列 称氢甲酰化【3 63 ”、不对称烷基化【3 8 3 9 1 等反应。 p c y 2 p c y 2 ，泳：只 1 4 薯 叫 啪 第一章绪论 a 。p h s 2 pp p h ：墨h 2 忙3 咄m 一e c t h 3 分一p h 2 玲p p h 2 v 礴i i 2 6 p h 2 2 4 o m eo m e 嗜挚 2 7 ( 2 ) 氧原子配体 酒石酸的各种衍生物是人们熟知的一类具有c 2 对称轴的手性配 体，著名的s h a r p l e s s 烯烃环氧化反应就是采用酒石酸二乙酯和叔丁基过氧化氢 实现的1 4 0 】，其e , e 值大于9 5 ( 式1 4 ) 。 r o o 、，0 0 r h o 八。h n - c 9 h 9 5 e ，e ( 1 4 1 受此启发，各国化学家相继合成了各种酒石酸衍生物配体，并用它们进行了各种不 对称反应研究。 近年来，各固化学家相继合成了各种具有c 2 对称轴的氧配体，对硼氢化试剂、铝 试剂以及锌试剂等进行改造以实现不饱和官能团的不对称还原。n o y o r i 小组设计的瞬二 萘酚配体无疑是这方面最成功的例子。 美国学者w i l l i a n 4 1 4 2 】最近合成的配体( 2 8 ，2 9 ) 以及只本学者y a m a m o t o 4 3 1 合成的 配体( 3 0 ) 同联二萘酚具有相似的结构，他们在d i e l s a l d e r 的不对称催化效果不亚于联 二秦酚配体。 户pm。 、咿 p h h 第一章绪论 2 82 93 0 o m e 3 1 h h x = p h s i p h l s i b u - t p h 7 s i ( op r l ) 3 s i p r l 3 2 美国学者d a x i d 合成的另一配体( 3 1 ) ，也很类似联二萘酚结构，l i a i h 4 经其改造 后对各种酮进行还原，结果表明其对饱和酮的还原选择性甚至优于b i n a l h 一”。 ( 3 ) 氮原子配体c r a m i 4 5 】最早运用具有c 2 对称轴的手性二齿氮配体进行醛的不对称 加成( 见式1 5 ) 稍后，h a n e s s l a n 【4 6 】将具有c 2 对称轴的环己基二股引入膦叶立德中进行w i t t i n g 反 应，结果也取得了较好的立体控制效果( 式1 - 6 ) 。 o ，。八h + 瓣 r 2 2 8 9 e e ( 1 - 6 ) ( 1 - 5 ) 八 p 弟一草鳍论 由酒石酸衍生物得手性二胺配体较多地被用于链烯的氧化，y a m a d a 【4 7 1 等人曾制备 了一系列这类配体( 3 2 - - 3 6 ) ，并考察了其锇络合物对二苯乙烯的氧化( 式1 - 7 ) ，e e 值超过了9 0 ，接下来c o r e y 4 8 对该类配体的铝、硼络合物( 3 9 和4 0 ) 进行考察，结 果在d i e l s a l d e r 反应、羟醛缩合和羰基的烯丙基化反应中都获得了满意的效果【4 9 删j 。 妒、广 n m e 2 o j ，v 7 n m e 2 ，。a p ht ，。 。x 2 戈9 i p h 斟_ 一 9 0 ) ，两条反应途 径的活化自由能差a a g 4 至少应大于2 k c a l m o l l 5 3 j ，因此，作为一个有效的c 2 对称的手 性配体，必须满足这一基本条件。事实上，仅仅具有c 2 对称轴并不一定能保证两条途 径之间的这一能量差值。r o u s h 【5 4 1 等人曾报道过一个有趣的例子( 式1 9 ) ，他们用不 同的二醇配体与硼烷络合进行反应，结果只有酒石酸酯时才得到高的e e 值，这主要是 由乙基的次级效应所致。 0 c - h 咖c 旱q 。力 r o o c 言d 罟 ( 1 - 9 ) 由此可见，在设计不对称合成反应的手性配体时，具有c 2 对称轴首先是一个重要 考虑因素，但是为了获得好的立体控制效果，还应尽量使其带有合适的几何形状，以便 能产生有利的次级效应( 如氢键、兀一兀相互作用等) ，以使反应途径间a a g 4 的尽可能 高。 随着人们对手性化合物的了解，掌握手性催化剂的合成技术是解决手性药物合成 的关键，是当前国际上研究的热点，西方发达国家已做了大量研究工作，有的成果已 用于生产。目前我国生产使用的药物绝大多数是仿制国外创制的药品，自行开发设计 的新药仅1 0 0 多种，到2 0 0 0 年底，尚无一种新药在国外注册和销售，出口的药品均为 国外专利过期的。我国特有的中草药，由于尚未建立现代药物的检测标准，很难大量 进入囡际市场。研制具有独立产权的高活性、高效率、可循环使用手性催化剂对丌发 具有我国独立知识产权新药、改变出口中药原药的现状，提高中药品质具有重要作用。 天津市是我国的中药基地和研发中心，此项研究对天津市中药的发展有十分的重要意 义。 螺环类手性合成技术还可在其他领域发挥作用，为手性液晶计算机显示材料、计 算机芯片小型化、光记录材料、高分子材料性能改性及绿色农药、香料的开发提供技 术支持。 存研，赶小小多年进行缩醛酮研究的螭卜本研究进行了大分子缩醛酮刚性骨架的 第一章绪论 合成与性质的研究。用二醛与季戊四醇反应，合成了线状聚合物及一个 4 + 4 】四十元缩 醛刚性大环分子；用均苯三甲醛与季戊四醇反应，合成了具有一级结构的树状化合物， 并f 在进行多级树的合成研究。在用苯甲醛、环己酮分别与季戊四醇反应制备模型化合 物时，我们发现醛与季戊四醇缩合物和酮与季戊四醇缩合物刚性环上的8 个氢1 h - n m r 谱有很大区别，用1 ，4 苯二甲醛和1 ，4 - 环己二酮与季戊四醇合成了线状聚合物也有 此现象，醛与季戊四醇缩合物及线状聚合物刚性环上的8 个氢裂分为四组双峰，而酮与 季戊四醇缩合物及线状聚合物刚性环上的8 个氢不裂分，为一单峰，这可能是由于手性 轴使邻近氢处于不对称环境中而造成的( 像手性碳对邻近氢造成不对称环境一样) ，而 在以往的文献中大都认为这一现象是由于刚性环造成的。 我们合成的化合物为缩醛类刚性环状化台物( 1 ) 、缩醛类刚性线状聚合物( 2 ) 和 缩醛类刚性树状化合物( 一级树) ( 3 ) 。 一 l o 。 ：x ：谰 善c 0 v o0 y o x 一w 督 缩醛类刚性树状化合物( 1 ) 缩醛类刚性树状化合物( 3 ) 逦秘鳅h 粉h 雕h 缩醛类刚性线状聚合物( 2 ) 正如前面所介绍的，目前合成的手性催化剂大多数为含手性碳、氮、膦等不对称 元素及金属配位的化合物，c 2 轴对称的较少，完全由c 2 轴对称手性片段组成的大分 子手性催化剂尚未见报道。我们设计合成的1 、2 、3 有以下特点： ( 1 ) 分子是由c 2 轴对称手性片段组成的大分子，“手性浓度高”，该类催化剂应具 有较低的s c 值( 底物与催化剂的摩尔比) 和较高的对映体过量值( e n a n t i o m e r i c e x c e s s ，e e ) 。 ( 2 ) 在有机溶剂中有较好的溶解性，反应后向内加入水。可以方便地将催化剂从体 系中分离出来，它兼顾了不溶性高分子负载催化剂易分离和可循环使用的优点， 同时具有均相催化剂良好的反应性能。 ( 3 ) 具有刚性结构，结构稳定，不易消旋化而失活。 第二章新型c 2 轴对称缩醛化合物的设计 第二章新型c 2 轴缩醛化合物的设计 我们在最初的设计阶段将具有c 2 对称轴的螺环化合物设计为环状和树状，其目的 在于拟合成出既具有树状或环状的结构特性，又有手性的催化剂。这种催化剂分子是由 c 2 轴对称手性片段组成的大分子，“手性浓度高”，该类催化剂应具有较低的s c 值( 底 物与催化剂的摩尔比) 和较高的对映体过量值( e n a n t i o m e r i ce x c e s s ，e e ) ：在有机溶剂 中有较好的溶解性，反应后向内加入水，可以方便地将催化剂从体系中分离出来，它兼 顾了不溶性高分子负载催化剂易分离和可循环使用的优点，同时具有均相催化剂良好的 反应性能。以上是这种分子的微观结构特性，除此之外它还具有独特的宏观结构，即树 状或环状结构。 2 1 树状化合物的研究进展 树形化合物是当前正在蓬勃发展的一类新的有机化合物，它是一类三维，高度有序 的齐聚物。树形物具有像树一样的外表面结构，其分子量固定，末端带有活性官能团。 对于这类有特殊几何形状的化合物，人们称之为“d e n d r i m e r s ”或“a r o b o l s ”。合成树形 物的想法最初是受到宏讽世界中树的形：状的启发：众所用知，1 9 6 7 年，p e d e r s o n 发现环 状聚醚随环的大小和形态不同而具有选择性的络合性能，这是一般络合剂很少见的。以 前化学家对化学的研究主要是热力学规律和动力学规律，最近化学尤其是生物化学的发 展使人们认识到分子和分子聚集体形态对化学反应起着重要的作用，冠醚可根据不同形 态选择性的络合底物，使其在有机、无机、物化、分析、高分子、催化、生化、药物及 分离化学诸方面得到广泛的应用。因此，有机化学家们希望合成一类新的特殊形状的化 合物，以期获得特殊性能。他们发现树的多分枝形状在自然界具有通性，如珊瑚、神经 网络、细胞天线等，便猜测树形物可能具有独特性能，这一想法已得到证实。目前树形 化合物已发展成为一类具有理论意义和广泛应用的新化合物。1 9 9 3 年在美国丹佛召开的 美国化学会全国会议上，树形物被列为专题讨论【5 ”。显然树形化合物的发展已引起化学 家的广泛重视。 2 1 1 树形化合物的合成 树彤物不同于聚合物，它是一类大小和结构确定的大分子，具有三个明显的结构特 征：( 1 ) 有起始核心( ：) 内层区( 3 ) 外层区，也就是最外层的术端组分。树形物的合成方法 也不同于高聚物，它胜以可重复的反应步骤分步合成，经过一个反应周期创造新的一级 化合物。由于树形物分子高度有序，以定向辐射形式增长，所以在小分予上可以进行的 反应，在树形物表面同样可以进行，至少在最初几级化含物中是这样的。 ，1 9 7 8 年，v o g t l e 等人首次合成了类似于树形物的“串级式”分予h ，这是一种多臂 多胺。如图2 一l 所示。 1 9 8 5 年n e w k o m e 和姚钟麒等人报道了他们合成的树形醇类化合物”“，随后 t o m a l i a 等人报道了树形酰胺化合物的合成p “。 【 6 u ，树形物的合成已经有了很大的发塍，主篮有“【l 内向外”发展的发溆式合成 第二章新型c 2 轴对称缩醛化合物的设计 法，“由外向内”发展的收敛式合成法和“金属配位法”。下面分别介绍。 n 人n 篇八h ：署 r i n n c dq c n c o ( ii ) n a b h a c h 3 0 h ，2 h r i 图2 1 多臂多胺的合成路线 f i g 2 1s y n t h e t i cs c h e m eo f b r a n c h e dp o l y a m i n e s 2 1 1 1 发散式合成法 发散法出现于树形物发展的早期，主要是由t o m a l i a 和n e w k o n e 发展起来的。发散 法中反应从带有若干个反应点( n c ) 的小分子开始，选择合适的反应使这些反应点与反应 物b 完全反应，由于反应物b 至少拥有2 个反应点( n b i ) ，所以在增长过程中，反应 点不断增多。如图2 - - 2 所示： ， z z 幽2 - 2 发散式合成示意图 f i g 2 - - 2d i v e r g e n ts y n t h e s i ss t r a t e g y z 最近，w o m e r 等人1 5 9 】平口m e i j e r 等人i 删分别选择合适的反应条件，用发散法合成了 胺类树形化合物，已台成至带有6 4 个表面官能团的第4 、5 级产物其合成路线见图2 - 3 。 这些高分子量的村形物具有很好的溶角翠性：一c n 树形物溶于一般宵机溶剂- 一n i 燃 甲f v 第二章新型c 2 轴对称缩醛化合物的设计 树形物溶于水和甲醇。- - n h 2 化合物具有很好的热稳定性，与线型聚合物相比具有较低 的玻璃化转变温度和粘度。 h 2 n 八n h ，+ 4 c _ + h ：n 一( 兰一一一一2 h 。n 7 一 “1 2 图2 - - 3以丁二胺为起始核心的树形胺类化合物合成路线 f i g - 2 3s y n t h e t i cs c h e m ef o rp o l y ( p m p y l e n e i m i n e ) d e n d r i m e r w i t hd i a m i n o b u t a n e “c o r e 发散法的特点是：化合物增长过程中反应点逐渐增多。这会引起链增长过程中的一 些问题：首先，末端宫能团反应不完全将会导致下一级产物产生缺陷，而且随分子的增 大，这种现象出现的机会也就越大。其次为防止副产物的生成和使反应趋于完全，通 常需要加入大量过量的反应物，这可能在纯化产物上引起麻烦。这些问题的存在使发散 法的应用受到一定程度的限制。目前，用发散法合成的树形物有酰胶类”。“、醚类”“、 硅烷类【6 3 】、硫醚类、酰胺醇类【5 6 6 8j 、链烷类峥a 2 1 1 2 收敛式合成法 f r e c h , e t l 6 7 1 等人和m i l k * ，n e e n a n t ( 8 1 等人分别独立地报道了一种新的树形物合成方 法，称之为“收敛法”。它主要包括两步：a 通过保护去保护的策略重复反应形成了 树形物的一部分，b ：通过一个多官能团分子连接成球状化合物。已通过一个多官能团 中心将各部分连结得到球状树形物( 如图2 4 示) a f r e c h e f 等人用i 悔敛法合成了树形聚醚至第六级怕”。 圣i 至| 第二章新型c 2 轴对称缩醛化合物的设计 m i l l e r n e e n a n 等人用收敛法合成了芳香烃树形化合物【6 0 l ，已合成至含有4 6 个苯 环的第三级产物。所合成的化合物中除了第一级产物的溶解性能较差以外，其它产物能 溶于四氢呋喃、甲苯、氯仿，而且热稳定性较好。 m o o r e 等人成功地以苯乙炔为结构单元用收敛法合成了刚性的树形物1 6 。这种树形 物在有机溶剂里有良好的溶解性，其中最大的化合物带有1 2 7 个苯环，直径达1 2 5 r i m ， 是目前最大的分子 + l p i l p c 。一c 3 ，。一。 3 p lt _ ”。：= 9 ；纛= 蜘u p p 收敛法的特点：反应涉及的反应点较少，数目固定。这就使得反应较易控制，可以 减少缺陷比合物生成，避免使产物的纯化复杂化。但在收敛法合成中对立体位阻比较敏 感，随着树形物分子的增大，反应官能团活性减小。用收敛法合成的树形物有芳基醚类 【删、醚类( 7 0 】、芳基酯类 1 、芳烃类。 2 1 1 3 金属配位法 1 9 9 2 年，首次报道了有机过渡金属树形物。这种树形物含有2 2 个钉原子，表面结 构为2 ，2 - 双毗啶，具有很有趣的光物理和光化学性质。 1 9 9 4 年，b a l z g l l l i 又报道了一系列有机金属树形物。7 1 7 。这些树形物包含两种不同 第二章新型c 2 轴对称缩醛化台物的设计 的金属离子( 如r u 和o s ，r u 和r h ，o s 和m a ) 。改变与配位体配位的金属离子可以改 变光学性质和氧化还原性质。 2 1 2 树形物的应用 树形物独特的结构使其具有有趣的性能。近几年来，许多研究者发现和预言了树 形物在多个方面的应用。 ( 1 ) 高分子化学方面：1 9 9 3 年，m i l l e r 和n e e n a n 报道了芳基醚类树形物的合成( 7 4 j 。 这种化合物可用作工程塑料。与高聚物相比，具有分子量固定，粘度低，热稳定性好， 产品性能稳定的优点。t o m a l i a 研究小组利用特殊方法将尼龙一6 转变成树形物形式，使 其粘度降低了3 0 ，而其它性质并没有改变。e n g e l 和c h e r e s t e s 最近制备了树形物 型离子交换树脂【7 “。 ( 2 ) 无机化学方面：前面已提到过b a l z a n i 等人合成的含有2 2 个钌原子，1 0 9 0 个原 子的超分子树形络合物，这类化合物具有光化学性质阻及电化学性质。如它具有一系列 的氧化还原中心，可以用作多电子转移催化剂，具有强烈吸收可见光和紫外光的性能， 可用于太阳能转换。 ( 3 ) 生命科学方面：由于树形物特殊的结构和相应的合成方法，使其能够合成出分子 量为2 0 0 0 5 0 0 0 0 之间有确定结构的分子，以前有机化学家合成的多是分子量小于2 0 0 0 的化合物，而高分子化学家台成的多是分子量大于5 0 0 0 0 的高分子化台物，而活性有机 体合成的多是分子量2 0 0 0 5 0 0 0 0 之间具有严格结构的化合物，它具有许多特殊生理性 能。因此树形物对于生命科学具有重要的意义。 ( 4 ) 药物化学方面：树形物分子量与抗体相似且分子中具有很多空穴结构，因此它可 能作为药物、缓释剂等。如n e w k o m e 合成的带有饱和碳氨骨架的一系列树形物，即可 在其亲油性骨架适当位置接受氯化四环素等作为客体，缓慢释放。 f 5 ) 分子电子器件：树形物可以做成纳米级材料，而且结构可以设计，具有良好的光 电及导电性能，有希望用于信息存储，光电导电等分予电子器件。 目前，树形物的研究已涉及无机化学、有机化学、聚合物化学、生命科学以及配位 化学等多个领域。在树形物合成上所作的成功尝试表明树形物为在分子水平上控制大 小、形状、内部拓扑、柔韧性、表面化学提供了更多的选择，在其起始核心上引入生色 团、络合基团、分子识别成份可以赋于树形物特殊的性质。但是，由于树形物合成的特 殊性，用于此合成的方法和反应还不多，纯化和得到大量产物比较困难，这限制了树形 物的进一步研究因此树形物的合成和表征对于有机化学家来说是一个新的挑战，这种 高度分支的化合物的性质和应用还有待于进步研究和丌发。 2 2 环状化合物的选择性分子识别 选择性分子识别”( s e l e c t i v e m o l e c u l a rr e c o g n i t i o n ) 是利用具有复杂结构的主体分子 ( h o s t ) 的较大空腔，柬识别最佳适应于主体分子的客体分子( g u e s t ) 的这样一种行为对 分子识别问题研究的启发最初来源于人们对人工模拟酶的研究工作般认为，酶催化 的初始过程即是形成了复杂配合物，因而人们希望能够人工合成一些题有这剃配合能力 第二章新型c 2 轴对称缩醛化合物的设计 的分子这就引起了人们对某些分子尤其是一些具有复杂结构的大环化合物的广泛研 究，近几年来已形成了一门新的科学主客化学( h o s t g u e s tc h e m i t r y ) 1 7 7 1 ，并已有相当数 量的专著出版78 1 。对主客化学的不断深入的研究，使得对酶与作用底物的“契合作用” 的模拟取得了一系列进展，从而促使人们对某些重要的生物化学过程的本质有了更深刻 的认识，而且大大推动了与此有关的生物学、生物物理学、仿生学以及化学等科学的发 展 2 2 1 具有分子识别功能的复杂环状分子的结构 这类化合物的结构复杂、形状各异根据其分子的键合特点可分成以下几类： ( 1 ) 环糊精( c y c l o d e x t r i n ，c d ) 类 环糊精为一类白色结晶化合物，于1 8 9 1 年由v i l l i e r s 7 9 发现，可由浸麻芽胞杆菌的 淀粉酶分解淀粉制备，它是髓毗喃糖以a 一1 ，4 一糖苷键相结合互为椅式构象的环状低 聚糖，常含有6 8 个聚合单体，分别称为c t c d 、6 c d 、t - c d 。 环糊精有圆筒状结构，上部的广口部分排列着羟基，下部的窄口部分排列着一 c h 2 0 h ，中间是环状的碳氢键因此环糊精对于水是可溶性的，但其内部硫水环糊精 被称为具有分子识别性能的第一代宿主化合物【8 ”j ( 2 ) 杯芳烃( c a l i x a r e n e s ) 类 杯芳烃一般是由酚环和亚甲基组成的环聚体，最初由g u t s c h e 报导【8 ” 杯芳烃也具有环状的洞穴结构，因而也可与环糊精一样形成主客配合物其分子中 酚环上的取代基可根据需要设计为阳离子、阴离子或中性基如s h i n k a l 8 2 峙鼹导的化合 物( 1 ) 即是一个杯( 6 ) 芳烃的阴离子型衍生物，此分子可以将萘从其与芘的混合物中识别 出来t a k a s h i 指导的化合物( 2 ) 则是一个阳离子型的杯芳烃，研究表明此化合物的疏水 性比b c d 要强许多倍，它可与偶氮化台物 爪n ”“弋一，广一”弋一广8 0 2 形成配合物，其稳定常数达7 x 1 0 4 。而化台物( 3 ) 是 一个取代基里中性的杯芳烃，它可与乙腈形成1 ：l 主客配合物。 化台物( 1 )r = c h 2 n m e c i 化合物( 2 ) 化台物( 3 ) ( 3 ) 环烷( c y c l o p h a n e s ) 类 最初，s t e t t e r 【8 3 】合成了含有两个联苯胺单位的第一个水溶性氯杂