（应用化学专业论文）杂环修饰的杯4芳烃衍生物的合成及离子萃取性能的研究.pdf

中文摘要 合理构筑具有新颖结构和特殊功能的杯芳烃主体化合物是当前超分子化学 研究中的热点之一。本文采用六种巯基杂环化合物，分别设计并合成了下沿含杂 环硫烷氧基杯芳烃和上沿含杂环硫乙酰胺基杯芳烃两个系列的衍生物，合成了 3 0 个未见文献报道的新化合物，并对所合成的化合物进行了金属离子萃取的实 验。 本文采用三种巯基杂环化合物对杯芳烃下沿进行修饰，得到了下沿含有杂环 硫烷氧基的杯芳烃系类系列衍生物，并利用1 hn m r 、1 3 cn m r 、i r 和m s 对所 合成的十二个未见文献报道的新化合物进行了结构表征。结果表明，其中九个化 合物为锥式构象，三个化合物由于下沿取代基的影响以混合构象存在。通过x 一 射线单晶分析，测定其中一个下沿化合物( 7 a - 2 5 ，2 7 - - ( 4 ，5 - 二氢噻唑一2 - 硫丙氧 基) 2 6 ，2 8 二羟基5 ，1 1 ，1 7 ，2 3 四叔丁基杯 4 】芳烃) 的晶体结构，确定该化合物形成 了大小为6 6 9 7 ( 3 ) ax7 4 0 8 ( 3 ) a 的空腔。 采用五种巯基杂环化合物对杯芳烃上沿进行修饰，通过硝化、还原、溴乙酰 化和杂环取代等一系列反应得到了上沿含有杂环硫乙酰胺基杯芳烃类系列衍生 物，并利用1 hn m r 、1 3 cn m r 、i r 和m s 对所合成的十八个未见文献报道的新 化合物进行了结构表征。结果表明，所合成的化合物全部为锥式构象。通过x - 射线单晶结构分析，测定其中一个上沿化合物( 1 5 b ：5 ，1 7 - - - ( 5 - 甲基一l ，3 ，4 一噻二唑 2 硫乙酰胺基) 1 1 ，2 3 二叔丁基2 5 ，2 7 二羟基2 6 ，2 8 二乙氧基杯【4 】芳烃) 的晶体 结构，确定该化合物形成了大小为6 8 6 ( 3 ) ax6 3 6 ( 3 ) a 的空腔。 分别将十二个下沿含有杂环硫烷氧基杯芳烃衍生物和十五个上沿含有杂环 硫乙酰胺基的杯芳烃衍生物与n a + 、k + 、c s + 、m g + 、c u 2 + 、c 0 2 + 、c d 什、n i 什、 p b 2 + 、h 9 2 + 和a 矿的十一种苦味酸盐进行了离子萃取实验，并对两类衍生物与不 用金属离子的萃取能力进行了分析和比较。结果表明，所合成的化合物对于a g 十 和h 9 2 + 表现出较好的选择性，苦味酸银和苦味酸汞的最高萃取率分别为3 8 4 和 4 0 5 。推测了两系列衍生物与过渡金属离子的作用方式，并分析了不同的取代 基对于萃取率的影响。 关键词：巯基杂环，杂环硫杯芳烃，合成，表征，晶体结构，苦味酸盐萃取 a b s t r a ct t h er a t i o n a l d e s i g n a n dp r e p a r a t i o no fc a l i x a r e n ed e r i v a t i v e sw i t h t a i l o r e d s t m c t u r e sa n ds p e c i a lf u n c t i o n sa sh o s tc o m p o u n d si so n eo ft h em a i nf o c u s e si n s u p r o m o l e c u i a rc h e m i s t r y i nt h i s t h e s i s ，d e r i v a t i v e s o f h e t e r o c y c l i c t h i o a l k o x y c a l i x 4 a r e n eo nt h el o w e r r i ma n dh e t e r o c y c l i ct h i o a c e t a m i d e c a l i x 4 a r e n e o nt h eu p p e rr i mh a v eb e e nd e s i g n e da n dp r e p a r e d at o t a lo ft h i r t yn e wc o m p o u n d s h a v eb e e n s y n t h e s i z e da n dc h a r a c t e r i z e d t h e i r e x t r a c t i o np r o p e r t i e sh a v e b e e n s t u d i e db ym e t a lp i c r a t e sl i q u i d l i q u i de x t r a c t i o na n d t h er e s u l t ss h o w ： b vu s i n gt h r e et h i o h e t e r o c y c l i cc o m p o u n d s ，t w e l v e n o v e ld e r i v a t i v e so f t h i o a l k o x y c a l i x 4 a r e n e so nt h el o w e rr i mh a v eb e e ns y n t h e s i z e da n ds t r u c t u r a l l y c h a r a c t e r i z e db y1 hn m r 、1 3 cn m r 、i ra n dm s a m o n gt h e m ，n i n ec o m p o u n d s a d o p tc o n ec o n f o r m a t i o na n do t h e rt h r e ec o m p o u n d sa d o p tt h em i x t u r ec o n f o r m a t i o n d u et ot h ei n f l u e n c eo ft h em e t h y lg r o u p so nt h el o w e rr i m as i n g l e 。c r y s t a ls t r u c t u r e o fan e wc o m p o u n d 【7 a ：2 5 ，2 7 b i s ( 4 ，5 d i h y d r o t h i a z o l y l 一2 一t h i o p r o p o x y ) - 2 6 ，2 8 _ d i h y d r o x y 5 ，1l ，17 ，2 3 t e t r a t b u t y l c a l i x 4 a r e n e h a s b e e n d e t e r m i n e db yx - r a y d i f 仵a c t i o nm e a s u r e m e n t t h es t r u c t u r a la n a l y s i ss h o w st h a tac a v i t yo f6 6 9 7 ( 3 ) ax 7 4 0 8 ( 3 ) ai sf o r m e d w i t hi n t r o d u c i n gf i v et h i o h e t e r o c y c l i cc o m p o u n d si n t oc a l i x 4 a r e n eo n t h e u p p e rr i ma f t e ri p s o n i t r a t i o n ，r e d u c t i o n ，b r o m o - a c e t a m i d a t i o na n ds u b s t i t u t i o n o n h e t e r o c y c l i cr i n gr e a c t i o n s ，w eh a v es u c c e s s f u l l yo b t a i n e de i g h t e e nn e wc o m p o u n d s i n c l u d i n gt h r e en e wi n t e r m e d i a t e s a l lt h e s ec o m p o u d s a r ec o n f i r m e db y 1h n m r 、 1 3 cn m r 、i ra n dm sa n dt h ed a t am e a n st h a ta l l o ft h e ma d o p tt h ec o n e c o n f o r m a t i o n as i n g l e c r y s t a l s t r u c t u r e o fan e wc o m p o u n d【1 5 b ： 5 1 7 d i ( 5 m e t h y l 1 ，3 ，4 t h i a d i a z o l y l 2 - t h i a a c e t a m i d y l ) 一1 1 ，2 3 - t e t r a - t - b u t y l _ 2 5 ，2 7 - d i h y d r o x y 2 6 2 8 d i e t h o x y c a l i x 4 a r e n e h a s b e e n d e t e r m i n e db yx 。r a y d i f f r a c t i o n m e a s u r e m e n t t h es t r u c t u r a la n a l y s i ss h o w st h a tac a v i t yo f6 8 6 ( 3 ) ax6 3 6 ( 3 ) ai s f o r m e d l i q u i d 1 i q u i d e x t r a c t i o n e x p e r i m e n t s ， b e t w e e n t w e l v e h e t e r o c y c l i c t h i o a l k o x y c a l i x 4 a r e n e o n t h el o w e r r i m ， f i f t e e n h e t e r o c y c l i c t h i o a c e t a m i d e c a l i x 4 】a r e n eo nt h eu p p e rr i m a n dn a + 、k + 、c s + 、m 9 2 + 、c u 2 + 、c o 肿、 c d 2 + 、n i 2 + 、p b 2 + 、h 9 2 + a n dg g + p i c r a t e s ，h a v eb e e nc a r r i e do u ta n d t h e i rr e s u l t sa r e c o m p a r e d t h i ss t u d ys h o w st h a t a l lo ft h e s ec o m p o u n d se x h i b i tg o o de x t r a c t i o n a b i l i t i e st o w a r da g + a n dh 矿+ ，a n dt h eh i g h e s te x t r a c t i o np e r c e n t a g e sa l e3 8 4 a n d 4 0 5 ，r e s p e c t i v e l y , t o w a r ds l i v e ra n dh y d r a r g y r u mp i c r a t e s i n t e r a c t i o n sb e t w e e nt h e t w os e r i e so fc a l i x a r e n ea n dt r a n s i t i o n a lm e t a l sa r ed e d u c e da n dt h ei n f l u e n c eo ft h e s u b s i t u e n t so nt h ee x t r a c t i o np e r c e n t a g ei sa n a l y s i z e d k e y w o r d s ：t h i o - h e t e r o c y c l i cc o m p o u n d s ，h e t e r o c y c l i ct h i o c a l i x 4 a r e n e ，s y n t h e s i s ， c h a r a c t e r i z a t i o n ，c r y s t a ls t r u c t u r e s ，l i q u i d - l i q u i de x t r a c t i o no fm e t a lp i c r a t e s 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，论义中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得一大沣人学一或矮他教育机构的学位或证书 丽使用过的材料。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。 学龇文储虢苟十签字慨一扩年，月砂1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解一天津入学一有关保留、使用学位论文的舰定。特 授权一天 葶人一一可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检索，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沦文的复印件和磁盛。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签稆：拆 签# h 期：a 卯吾年月 多r 二 2 土m1，苹0育罩 巫 扩 $ 一 ，f 扎 嘲 隧 引 h 勋 签 前言 l - j l 刖吾 1 9 8 7 年p e d e r s e n 、c r a m 和l e h n = 人获得n o b e l 化学奖，标志主一客体化学和超 分子化学的发展进入了一个新时代。杯芳烃是继冠醚和环糊精之后的超分子化学 中第三代主体化合物，近年来，这种具有新型的、独特空穴结构的大环化合物在 超分子化学研究领域取得了令人瞩目的成果f l ，2 1 。 杯芳烃是由苯酚单元通过亚甲基在酚羟基邻位连接而成的具有热稳定性和 化学稳定性的一类环状低聚物。苯酚单元的数目不同导致所合成的杯芳烃的空腔 尺寸不同，而且控制不同的反应条件及引入不同的取代基，可以得到不同构象的 杯芳烃。这些杯芳烃下沿的酚羟基和上沿的叔丁基还可以进一步进行选择性的功 能化，以改善杯芳烃自身性质。正是由于杯芳烃的这些物理、化学性质，使其在 许多应用领域得到了发展。杯芳烃独特的可调空腔和多种灵活的构象，对于不同 形状的阴、阳离子和不同大小的分子具有特殊的匹配互补作用。尤其是作为主体 化合物对于分子、离子和中性有机分子的识别方面已有多本专著和多篇综述文章 报趔引。随着杯芳烃超分子化学研究的不断深入，人们开发了杯芳烃在液膜传输、 络合萃取、分子探针、分子器件、化学传感器、液晶、非线性光学、色谱分离和 检测以及催化剂等方面的应用。 近年来，人们开发和合成了多种不同结构和类型的杯芳烃衍生物。其中，杂 原子和杂环杯芳烃衍生物倍受关注。由于杂原子半径较大，是特殊软配位原子， 将其引入到杯芳烃母体和上下沿以后，可以提高杯芳烃衍生物对于过渡金属离子 的识别和配位能力，对于拓展杯芳烃衍生物的应用范围具有重要的意义。因此本 文利用六种不同的巯基杂环化合物设计并合成了下沿含有杂环硫烷氧基杯 4 】芳 烃系列衍生物和上沿部分取代的杂环硫乙酰胺基杯 4 】芳烃系列衍生物，并对所 合成的新化合物进行了离子萃取性能研究，结果表明这些化合物对于不用的金属 离子表现出一定的萃取选择性。 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 超分子化学与杯芳烃简介 1 1 1 超分子化学 超分子化学( s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y ) 是研究两种以上的化学物种通过分子 间的相互作用缔结而成具有特定结构和功能的分子聚集体的科学。超分子体系普 遍存在于生命体系中。大多数生命过程，如酶促反应、物质运输、信息传导等都 以分子识别和分子组装为基础。而分子识别和组装是通过分子之间相互作用实现 的【4 ，5 】。在材料化学领域，许多分子材料( 如非线性光学材料、超导材料、分子基 磁铁等) 的性能不仅取决于构成体系的分子单元本身的性质，还取决于体系中分 子的自组装方式以及分子的协同性【6 】。因此，超分子化学的研究对于揭示生命奥 秘、开发新材料和新技术等方面均有重要的意义，是当代化学中最为活跃的前沿 研究领域之一。 冠醚【7 l ( c r o w ne t h e r ) 是第一代人工合成的超分子主体化合物，由于其对碱金属 和碱土金属离子的特殊选择配合作用而被大量地合成并广泛地研究，由此开创了 大环化学。此后，人们又开发了第二代超分子主体化合物一环糊荆8 l ( c y c l o d e x t r i n ) ， 其具有疏水空腔和亲水外壁，能够包结各种无机、有机或生物分子，形成主一客 体超分子配合物，是一种性能优良的分子受体，其中一些是成功的酶模型体系， 被广泛应用于医药和农业等多个领域。 杯芳烃【9 1 ( c a l i x a r e n e ) 是继冠醚和环糊精之后的第三代超分子主体化合物。杯 芳烃可以构成疏水空腔，对离子和有机分子具有优良的配位作用和识别能力，在 分子识别、膜传输、金属离子的分离和回收、化学传感器、相转移催化、模拟酶 等领域有着很好的应用前景，多年来倍受人们的关注。母体杯芳烃在溶液中是不 稳定体系，存在多种构象，可以通过在杯芳烃下沿( 酚羟基) 引入适当取代基，利 用基团的空间位阻作用和对分子内氢键的破坏获得稳定构象，这为研究杯芳烃及 其衍生物的主体分子功能提供了便利。因此，以杯芳烃为支持平台，合成具有预 定结构的主体分子并结合其结构对其功能进行进一步的研究，一直吸引科学工作 者的瞩目。 第一$ i # 综* 1 1 2 杯芳烃化学简介 杯芳烃是由苯酚单元通过亚甲基在酚羟基邻位连接而构成的一类环状低雅 物，由于其网聚体在形状上与称为c a l i xc r a t e r 的希腊酒杯相似( 如图1 1 ) ，而目 是有多个苯环所构成的芳香分子( a r e n e ) ，因此由g u t s c h e 最早将这类化台物命名 为杯芳烃( c a l i x a r e n e ) 。 圈l - 1 杯1 4 】劳烃与希腊式酒杯 f i g u r ei 一1c a l i x 4 a r e na n dc r a f t 在合成杯芳烃的过程中，由于苯酚环币元数1 1 不同，形成聚集体的空腔大小 不同，命名时将n 插入l u c a l i x 与a r e n e 之间。1 4 前研究较为广泛的为杯f 4 、杯【6 和杯【8 1 芳烃。由于苯酚环单元数n 的小同，杯芳烃构象数x 与n 的关系为x - 2 n 2 。 因此，对叔丁基杯f 4 1 芳烃具有四种典型构象l l o l ，即锥式构象，半锥式构象，l3 - 变替构象和l2 - 交替构象。在杯芳烃的台成和衍生化过程中，通过控制不同的反 应条件和取代基的类型，可以得到不同构象的爿_ f ：芳烃化台物。 杯芳烃类化合物作为第二代超分子丰体化台物主要具有如下特点：( 1 ) 合成较 简单，原料价廉易得。通过调整反应条件，可得到古n ( n = 4 - 2 0 ) 个苯环结构单元 的环聚物；( 2 ) 在溶剂中构象可变，但通过改变反应条件及引人适当的取代基， 可得到所需构象的产物：( 3 ) 易于化学改性与修饰。杯芳烃的上、r 沿可通过取 代、置换等化学反应导入具有特殊功能的官能团，用于改善杯芳烃母体的自身缺 陷并增强整体分子的选择性；( 4 ) 由于具有独特的空间结构，集冠醚和环糊精二 者之跃，与离子及中性分子均能形成士客体包合物。( 5 ) 杯芳烃台成较为简单， 有望获得较为廉价的产品，现在已有多种杯芳烃商品化。杯芳烃还具有熔点高、 热稳定性好，在大多数溶液中溶解度低、毒性低等一系列特殊性质。冈此，杯芳 烃被视为超分子化学中继冠醚和环糊精之后的更具发展潜力的第三代主体分子。 1 2 杯芳烃衍生物的合成进展 从上世纪七十年代起，美、同、德、英等国的化学家先后就杯芳烃衍生物的 友瓣k 辨 第一章文献综述 合成方法、衍生化反应及其性能开展了全面深入的研究，并在配合物、分析化学、 分子识别、分子催化等应用领域中取得了突破性进展。进入九十年代，国内的研 究开始起步，中国科学院北京化学研究所】、南开大学12 1 、同济大掣13 1 、武汉 大学【1 4 】、天津大学【1 5 】等单位开展了系列研究并取得了一些有价值的研究成果。 目前，杯芳烃的研究热点主要有两个。一个是新型杯芳烃衍生物的合成，主要表 现在新型杯芳烃基体的采用、上沿取代基的多位功能化、下沿取代基的桥联、醚 化、酯化和多穴化及在分子中导入含有0 、n 、s 等杂原子及两性金属基团等方面。 热点之二是在应用功能及性能上向电学、光学器件、手性识别、生物催化反应等 方向上发展。制备包括化学传感器在内的多种分子和超分子器件，并应用于模拟 生物催化体系，以杯芳烃作为自组装模块的新型超分子体系的构筑及其功能化都 是目前研究的热点，所以对杯芳烃进行化学修饰，并对其进行功能化研究具有重 要理论和实际意义。以下对近年来国内外新型杯芳烃衍生物的合成作简单的综 述。 1 2 1 酚羟基的化学修饰 杯芳烃上的酚羟基自身就是一个功能化基团，可以与多种试剂反应制备杯芳 烃衍生物。最早对杯芳烃进行衍生化【l6 】的工作是将酚羟基转化为乙酸酯，所得 到的衍生物相对于与母体杯芳烃通常具有更低的熔点和更好的溶解性，而且可以 采用分步结晶的方法将杯芳烃混合物的各组分分离出来。此后，人们对于杯芳烃 上酚羟基的修饰主要集中于引入特征基团和冠醚化。 1 2 1 1 酚羟基上特征基团的引入 杯芳烃下沿的选择性功能化主要是利用下沿酚羟基有较大的分子内氢键而 导致的各个酚羟基具有不同的酸性来进行选择性的功能化，合成具有特定分子结 构和功能的杯芳烃。所谓引入特征基团是指通过下沿酚羟基引入手性基团、光学 活性基团、电学活性基团和多基亲水基团等，通过修饰得到的特征杯芳烃具有不 同的识别和选择性功能。 1 9 9 6 年，b e e r 。7 】等先将酚羟基部分醚化后，将钌联吡啶配合物基团引入下沿， 合成了如图1 2 所示的下沿部分取代的新型杯芳烃钌衍生物。由于钌联吡啶配合 物基团具有氧化还原性和光学活性，使这类衍生物具有便于检测的优点。 4 第一章文献综述 a 啐瑚 占x t r a n sd x t r a n s 图l - 2 钉联毗啶配合物修饰的杯芳烃衍生物图1 3 接枝在糖苷上杯芳烃衍生物 f i g u r e1 - 2c a l i x a r e n em o d i f i e db yr ue o m p l e x a t i o nf i g u r e1 。3c a l i x a r e n ew i t hd x t r a n s e n g r a n d i 博j 合成了一种下沿含有多官能团的杯芳烃衍生物，并把它固定在左 旋糖苷上( d x t r a n s ) ，制备了一种水溶性杯芳烃聚合物，如图1 3 所示。由于 糖苷自身的水溶性，接枝于杯芳烃下沿以后，有效地改善了接枝前杯芳烃的水溶 性。 r e i n h o u d t 1 9 , 2 0 】等研究了一些杯芳烃衍生物与镧系金属离子的发光性质。例 如，e u ”春r i t b 3 + 在质子溶剂中与杯 4 】芳烃三羧酸衍生物配位后，发光寿命相对于 其自身大大增加，这是配合物中金属离子从溶剂中被屏蔽出来的结果。 陈朗星f 2 l 】等人合成了如图1 4 所示的下沿含有双臂酰胺基团的系列杯芳烃衍 生物，并以它们作为中性离子载体采用电化学方法测试它们对金属离子的选择 性。通过膜电极实验发现，这类化合物对碱金属、碱土金属、过渡金属和镧系 金属离子都具有一定识别能力，尤其对p b 2 + 表现良好的响应和较高的选择性。 厂二电 1 季。：奄l 弋q 图1 4 下沿含有两臂酰胺基团的杯【4 】芳烃衍生物 f i g u r e1 - 4d o u b l e a r m e dc a l i x 4 a r e n ea m i d ed e r i v a t i v e s 第一章文献综述 1 2 1 2 杯芳烃的冠醚化 在各种杯芳烃衍生化反应中，杯芳烃的冠醚化反应是最令人瞩目的一类。因 为杯芳烃冠醚衍生物同时含有两种主体分子的亚单元一杯芳烃和冠醚，这两种主 体分子单元之间的协同作用导致其结构不仅仅是它们的简单加和，而往往表现出 与单个杯芳烃或冠醚不同的性质和对于某些客体更加优越的配合与识别能力。 杯芳烃冠醚是通过下沿酚羟基与直链醚之间进行亲核取代反应制得的。最简 单杯芳烃冠醚是杯芳烃单冠醚。它们是下沿分别以多氧亚乙基链相连的1 ，3 桥连 和l ，2 桥连的杯 4 】芳烃( 图1 5 ) 。由于这类冠醚中含有数目不等的氧原子，为硬 酸基团，所以倾向于与硬碱结合，因此这类冠醚主要表现为较好的碱金属和碱土 金属的识别能力。 图1 - 5 杯【4 】芳烃单冠醚 f i g u r e1 - 5e a l i x 4 c r o w n 随着杯芳烃化学不断发展，各国化学家不断丰富着杯芳烃主体衍生物的种类 和类型。近年来，人们开始尝试将s 、n 等杂原子引入到杯芳烃冠醚化合物中， 以扩大冠醚类杯芳烃的种类，改善杯芳烃衍生物的应用范围。2 0 0 6 年，匈牙利 化学家b i t t e r 2 2 】同时将o 、s 、n 三种原子引入到杯芳烃下沿，得到了新型的杯芳 烃杂原子冠醚衍生物，如图1 6 所示。而且，通过控制反应条件分离得到了锥式 和1 ，3 交替两种构象的化合物。结果发现，这类杯芳烃冠醚化合物对过渡金属的 结合能力要强于单独的氧冠醚化合物。 6 第一章文献综述 图1 - 6 杯【4 】芳烃单杂冠醚结构 f i g u r e1 - 6c a l i x 4 c r o w no fh e t e r o a t o m 虽然随着苯酚环单元数的增加，杯芳烃的构象数也随之增加。n 为6 时，杯 6 】 芳烃的构象数为8 。n 越大，构象越多，得到单一构象的难度越大。b l a n d a l 2 3 1 等 人通过控制反应条件，合成并分离了分别具有l ，2 ，3 - 交替和锥式构象的两种杯【6 】 双冠醚衍生物( 图1 7 ) 。由于对叔丁基存在时杯芳烃的构型不易翻转，所以这类 冠醚是先将苯酚对位的叔丁基脱去，再对酚羟基进行醚化得到的。 1 ，3 交替构象锥式构象 图l - 7 杯 6 1 5 叹冠醚 f i g u r e1 - 7c a l i x 6 b i s c r o w n 1 2 2 上沿叔丁基的化学改性 上沿的化学改性是将酚羟基对位的叔丁基脱去后在其对位进行衍生化的反 应，往往是利用酚羟基的邻对位的定位效应，在酚羟基的对位进行亲电取代反应， 其目的一是引入各种功能性基团改善或完善杯芳烃的性能，另一个是扩大或加深 杯芳烃的空穴。 目前，杯芳烃上沿的化学改性展现出蓬勃生机和诱人的前景。常见的衍生化 反应主要有磺化、硝化和氯烷基化等等。磺化类衍生物通常是杯芳烃在有机介质 中先与浓硫酸进行反应，然后再根据不同需求与相关试剂发生作用而得。磺化类 7 第一章文献综述 衍生物的主要功能是引入具有亲水功能的基团，改善杯芳烃水溶性不佳的问题。 例如，王卉兰【2 4 1 等人通过简单的磺化反应合成了对叔丁基杯【4 】芳烃的磺酸钠盐， 如图1 - 8 所示。这类磺酸钠盐杯芳烃的水溶性要明显好于母体对叔丁基杯 4 】芳 烃。 图1 - 8 杯【4 】芳烃磺酸钠盐的合成 f i g u r e1 - 8s y n t h e s i so fs u l f o n a t e ds o d i u mo fc a l i x 4 a r e n e 磺化反应的另一个目的就是利用磺酰基的强吸电性来改善杯芳烃其他部位 的某些特性。r e i n h o u d t 2 5 ，2 6 】等人将杯芳烃下沿的羟基保护，进行上沿的磺化反 应之后，合成了上沿含有磺酰胺基团取代的杯 4 】芳烃衍生物( 如图1 9 ) 。由于磺 酰基的强吸电性，使得磺酰胺基上的n - h 键的极性增强，因此这类衍生物可以用 作阴离子受体，与各种不同类型的阴离子配位络合。结果表明，该化合物即能与 四面体型的h s 0 4 一，也能与球形的c i 一和平面型的n 0 3 - 相互匹配，形成三维空腔。 h r 2c h 2 c h 2 n h c o m e 图1 - 9 磺酰胺类杯【4 】芳烃衍生物 f i g u r e1 - 9c a l i x 4 a r e n ed e r i v a t i v eo f a m i d e 硝化类衍生物通常是杯芳烃在有机介质中与浓硝酸进行原位硝化反应而得 1 27 1 ，也可以通过多步法合成【2 引。含硝基基团的杯芳烃衍生物往往作为合成胺基 类杯芳烃的中间产物而出现。杯芳烃上沿硝基的还原可以采用s n c l 2 还原法、 n a 2 s 2 0 4 还原法、r a n e yn i 联胺催化还原法和水和阱还原法等等。其中，由于s n c l 2 还原法具有原料便宜、易得、产率高等优点，普遍被采用。硝基经还原、重氮化、 偶联、亲电取代等反应可将各种功能化基团导入杯芳烃上沿，为制备功能化杯芳 聃 第一章文献综述 烃提供可能。中国科学院的黄志堂( 2 9 1 等人，就是通过硝化、还原、亲电取代等 一系列反应将核苷基团引入到杯芳烃上沿，制备过程如图1 1 0 所示。 图l - 1 0 核苷类酰胺杯【4 】芳烃衍生物的合成 f i g u r el l0s y n t h e s i so fc a l i x 4 a r e n ed e d v a t i v ec o n t a i n i n gn u c l e o s i d eb a s e 硝化衍生物的另外一个重要用途就是通过重氮化、偶联等反应将发色基团引 入到杯芳烃上沿，合成出具有光致色变功能的杯芳烃受体。图1 1 l 所示的即为 台湾化学家c h a n g 【3 0 1 合成的偶氮类杯芳烃衍生物。 图1 11 偶氮类杯【4 】芳烃衍生物与h 9 2 + 的配位 f i g u r e1 1lc o m p l e x a t i o no f a r y l a z o c o u p l e dc a l i x 4 a r e n ed e f i v a t i v ea n dh 9 2 + i o n 该类衍生物在与金属配位之后，在紫外吸收上有很大的变化。配位前后，紫 外最大吸收波长向红波移动，位移在1 2 8 。1 6 2n m 之间。在与偶氮杯芳烃配位的 十种金属盐中，与二价h 9 2 + 的配位现象最为明显。在偶氮杯芳烃的甲醇氯仿溶 液( 体积比1 3 9 9 ) 中，加入高氯酸汞，肉眼即可观察到溶液的颜色由浅黄色变成 亮红色。这些表明这类偶氮衍生物可以作为一种良好的化学传感器。 卤烷基化反应是另外一种杯芳烃上沿功能化的重要手段。通过卤烷基化反应 9 第一章文献综述 可以方便地引入氰基、乙烯基和带有n 、p 、s i 等杂原子的基团，以扩大了杯芳 烃的应用范围。还可以通过系列反应将醛基、亚磷酸酯等基团引入到杯芳烃上沿。 卤烷基化反应通常是采用甲醛和盐酸，在磷酸和醋酸体系中与对氢杯芳烃反应得 到的【3 。对氢杯芳烃的氯甲基化反应式见图1 1 2 所示。 c h 2 0 ，h c i h 3 p 0 4 ，h o a c d i o x a n e 图l - 1 2 对氢杯 4 】芳烃的氯甲基化反应 f i g u r e1 12c h l o r o m e t h y lr e a c t i o no fc a l i x 4 a r e n e 1 2 3 其他类型母体的杯芳烃 杯芳烃这一名称也被扩展到其他相关的大环化合物，尽管这类大环化合物的 组成单元与传统杯芳烃有很大的差别，它们通常表现出非平面的杯式构型。传统 的杯芳烃母体一般是苯酚和甲醛或酮缩聚而成。近几年随着人们对杯芳烃类型的 不断开发，一些新型类苯酚甲醛缩聚的人工受体的合成层出不穷，使得杯芳烃 家族日益兴旺。目前，新型母体杯芳烃的开发主要集中在两个方向，一是母体环 的改变，传统杯芳烃的母体是由苯酚或对叔丁基苯酚缩合得到的，而改良后的杯 芳烃则大多将杂环化合物进行缩合，得到母体环内含有杂原子的大环化合物。二 是仍然采用苯酚系列的母体环，而是对桥连原子进行改变。目前研究较多的就是 将传统杯【4 】芳烃的四个亚甲基替换为硫原子桥。以下对这两类改良杯芳烃进行 阐述。 1 2 3 1 杂环母体杯芳烃 杯芳烃中的苯酚单元可以换作其他杂环单元，其中杯毗咯( c a l i x p y r r o l e ) 是具 代表性的一个成员【3 2 1 。早在l8 8 6 年，德国化学家b a e y e r 【3 3 1 就将吡咯和丙酮缩合 得至u m e s o - k 甲基杯 4 】吡咯，如图1 1 3 所示。之后，r o t h e m u n d 3 4 】在b a e y e r 基础 上对合成条件进行了改进，采用甲磺酸作为催化剂低温合成，使得产率达到8 8 。 而化学家j a c o b y 0 3 5 】等采用r o t h e m u n d 的方法加热合成m e s o - 八乙基杯【4 】吡咯，产 率为6 7 ，相对低温反应缩短了时间。 i o 第一章文献综述 爷+ h 3 c - - 曰c c h 3 一风 a 飞骸冈飞骸芦 争h9 h 咛h 中 酬太众如讯 bcd 图l - 1 4m e s o - 四环己基杯【4 】吡咯 f i g u r e1 14f o u rc y c l e h e x y lc a l i x 4 p y r r o l e 呋喃和吡啶等杂环化合物也可以作为母体环代替苯酚进行缩合反应来构筑 大环化合物，合成杯呋喃( c a l i x f u r a n ) ，杯吡啶( c a l i x p y r i d i n e ) 等杂原子母体杯芳烃。 l e e 3 7 ，38 】等通过二聚呋喃和二吡咯之间酸催化缩合反应制备了结构如图1 1 5 所 示的杯 n 】呋喃【m 】吡咯大环化合物。所有这类杂原子母体杯芳烃的共同特点是都 带有多个吡咯单元的- n h 。这些_ n h 基团可以作为阴离子、中性分子或带电荷材 料( 女i d n a ) 识别的主体分子与底物形成多重氢键，特别对于生理过程中起着重要 作用的阴离子的分子识别具有重要的意义。 第一章文献综述 n = i ，3 图l - 1 5 杯【n 】呋喃 m 吡咯大环化合物的合成 f i g u r el - 15s y n t h e s i so fc a l i x n p y r r o l e m p y r r o l e 1 2 3 2 桥连原子的改变 目前，杯芳烃研究中一个新的趋势是实施对杯芳烃骨架的改变，用杂原子或 含有杂原子的基团代替传统杯芳烃中的亚甲基而形成的杂杯芳烃。与杯芳烃结构 最相关的环状化合物之一，是将杯【4 】芳烃的四个亚甲基替换为硫桥原子，即硫 杂杯芳烃( t h i a c a l i x a r e n e ，t c a ) 。 硫杂杯芳烃合成方法与传统杯芳烃的合成类似，即用对叔丁基苯酚在碱性条 件和s 8 缩合得到。图1 1 6 是褚惠虹【3 9 】等人合成的硫杂杯芳烃及其衍生物。 s 8 ，二苯醚 - - - - - - - - - n a o h 图1 1 6 硫杂杯芳烃及其衍生物的合成 f i g u r el - 1 6s y n t h e s i so f t h i a c a l i x a r e n ea n di t sd e r i v a t i v e 由于经典的杯芳烃( 不含硫桥) 主要是通过其酚羟基上氧原子与金属离子发生 作用的，因而表现出对碱金属离子有特别强的识别能力，而相对于碱土金属离子、 稀土金属离子的识别能力要差得多，而对低价过渡金属离子等软酸类金属离子则 基本上无识别能力。所以对杯芳烃进行结构改变，引入桥联硫原子以代替原来的 桥联亚甲基，可以引入对软酸类离子有良好亲和力的软碱类离子作为新的作用位 点。因此硫杂杯芳烃t c a 及其衍生物与经典的杯芳烃相比较，原则上应对软酸金 警嚣 i 专叫 第一章文献综述 属离子表现出良好的识别能力，具有较强的亲和力和分离选择性。事实上很多文 献也报道了硫杂杯芳烃对于p b 2 + 【4 0 1 、a 矿4 11 、f e 2 + 【4 2 1 、h 9 2 + 【4 3 1 、c 0 2 + 【4 4 1 、n i 2 + 【4 5 1 、 等离子之间的相互络合。最近，r a d i u s 和z e l l e r t 4 6 1 报道t t c a 与碱金属和n a + ，k + 和l i + 之间的络合形式。通过对络合物的x r a y 单晶衍射分析可知，t c a n a 4 和 t c a i g 在固态时是以二聚体( d i m m e r ) 形式存在而达到稳定的。 1 2 4 杯芳烃的分子自组装 在超分子化学领域中，通过非共价键弱相互作用构筑明确定义的超分子组装 体一直受到广泛的关注。杯芳烃作为一类具有独特结构的大环化合物，已经被用 作超分子建筑块进行高级有序功能体系的开发，其自组装研究涉及到氢键自组 装、分子识别自组装及胶束和囊泡的形成等众多方面。 氢键自组装主要是利用分子内和分子间氢键的形成来研究分子的聚集状态。 所以，在杯芳烃上引入易于形成氢键的基团和取代基对于杯芳烃超分子化学的研 究具有重要的意义。当在杯芳烃的边缘引入脲基或硫脲基团后，可以通过氢键受 体羰基c = o 和氢键给体n _ h 之间形成多链氢键。一般杯芳烃的氢键自组装都是 形成“头对头式的二聚体，这种二聚体有中空结构，因此称之为“胶囊( c a p s u l e ) 【4 7 】。根据所合成的杯芳烃单体结构的不同，形成胶囊结构的空腔大小不同。通 过氢键形成自组装的杯芳烃分子聚集体通常是通过x r a y 单晶衍射分析得到的。 分子识别自组装主要是利用合成的杯芳烃衍生物上某种特殊结构或特殊官 能团，对于其他分子或离子的识别。而通常所识别的都是各种金属离子，一种金 属离子可能同时与几个杯芳烃衍生物上的基团或取代基配位或络合，这样就形成 了以金属离子为中心的超分子聚集体。这些聚集体通常都是潜在的分子开关，在 分子器件领域具有应用价值。 胶束和囊泡的聚集体通常是两亲性杯芳烃在水溶液中形成的。目前这方面的 研究还比较少。r e i n h o u d t 【4 8 】等发现，带有酰胺基团的桥连环糊精杯芳烃衍生物 无论有无客体分子存在，它在水溶液中都先进行自包结，然后通过分子间作用力 形成囊泡。 1 3 杯芳烃对客体的识别作用 杯芳烃是一种特殊的环番( m e t a c y c l o p h a n e ) 结构，从前面对杯芳烃衍生物的合 成中可以看出，其母体环的上沿和下沿很容易修饰，可以引入适当的官能团，得 到功能化的杯芳烃。而这些杯芳烃则可以借助于氢键、静电作用、范德华力、疏 水作用、阳离子兀作用、冗兀堆积作用及诱导契合等非共价键协同作用来识别客 第一章文献综述 体，实现配位、催化和能量转换等特殊功能。不同性质的官能团的引入，使得形 成的杯芳烃骨架选择性地于不同大小、不同性质的客体相互匹配。反过来，这种 匹配的选择性则与所形成的杯环大小、构象以及环上取代基的性质有关。 1 3 1 识别客体一：中性分子 设计合成对中性分子具有识别性能的人工受体是生物有机化学中富于挑战 性的课题。杯芳烃对于中性分子的识别方式主要是以氢键、c h - - n 作用、疏水作 用力为主要推动力，以孔穴大小、几何匹配作为选择性的主要依据。同时杯芳烃 上、下沿取代基的数目、种类的不同及构象的变化对识别亦有影响。杯芳烃可以 与客体分子形成固态和液态包结配合物。如g u t s c h e l 4 9 等几个研究组报道杯芳烃 能识别多种有机小分子，如对叔丁基杯【4 】芳烃能识别包结氯仿、苯、甲苯、二 甲苯和茴香醚等，而且形成的包结物存在不同的化学计量比。如杯【4 】芳烃可以 与丙酮分别形成化学计量为1 ：1 和1 ：3 的配合物，对叔丁基杯【4 芳烃可以与吡啶 形成化学计量比为1 ：1 的配合物，而与茴香醚和对二甲苯则形成化学计量为2 ：1 的配合物。 s h i n k a i 5 0 j 等利用荧光光谱法研究了下沿磺酸修饰的杯【n 】芳烃( 图1 1 7 ) 与芘 在水溶液中的配位作用。结果表明，对叔丁基杯【6 】芳烃衍生物给出了较高稳定 性的化学计量比为1 ：1 的配合物，这是杯【6 】芳烃的空腔以及对叔丁基扩展的空腔 与芘的尺寸最为匹配的结果。 n i j e n h u i s t5 1 】等设计了杯【4 】芳烃冠醚铀配合物及拥有不同醚链长度的类似物， 它们可以包结配位水、甲醇、二甲亚砜和尿素等中性分子。在配合物中，这些客 体分子上的氧原子与铀形成配位键( 图1 1 8 ) ，中性分子位于两条醚链和杯芳烃四 个酚羟基围成的空腔中。 杯吡咯作为杯芳烃的重要类似物，也表现出对中性分子的一定识别能力。例 如，s e s s l e r l 5 2 】等人研究t m e s o - k 甲基杯 4 】吡咯与甲醇、乙醇、苄醇、二甲基甲 酰