杯芳烃衍生物研究进展.pdf

2 0 0 5 年第2 5 卷 第9 期，1 0 2 1 1 0 2 8 有机化学 C l l i n e s eJ o u m a lo fo 唱a n i cC h e I I l i s t r y V b l 2 5 2 0 0 5 N o 9 1 0 2 l 1 0 2 8 综述与进展 杯芳烃衍生物研究进展 郭勋刘芳陆国元术 ( 南京大学化学系配位化学国家重点实验室南京2 1 0 0 9 3 ) 摘要综述近年杯芳烃衍生物在分子识别、分子组装、酶模拟、化学传感器和光电材料等方面的研究进展，尤其中国 学者的研究进展 关键词杯芳烃；分子识别；分子组装；酶模拟；传感器；光电材料 R e C e n tP r O g r e S SO nS t U d yO fC a I I x a r e n eD e r i V a t i V e S G U O ，X u nL I U ，F a n gL U ，G u o Y - u a n 水 ( D 印以r 咖P 咒fD ，鳓P m 妇缈，鼢招娩y 砌6 D m 幻，yD ，c D D 删n 鲥伽鳓啪f s r 拶，哪加g 踟f v P 坶渺，可咖2 J D D 鲐) A b s t r a c tT h er e c e n tp r o g r e s so fc a l i x a r e n ed e r i V a t i V e sc h e I l l i s t r yw a sr e V i e w e di ns o m ea s p e c t s ：m o 。 l e c u l a rr e c o g n i t i o n ，e n z y m em i I l l i c ，c h e I l l i c a ls e n s o r ，m o l e c u l a ra s s e l l l _ b l y o p t o e l e c 心o n i ca 1 1 dn a n om a t e r i a l E s p e c i a l l y ，ac o n s i d e r a b l ea t t e n t i o nw a sp a i dt os t u d i e si nC h i n a K e y w o r d sc a l i x a r e n e ； m 0 1 e c u l a rr e c o g n i t i o n ；m o l e c u l a ra s s e m b l y ； e n z y m em i I l l i c ； c h e r n j c a ls e n s e r ； o p t o e l e c 缸D n i cm a t e r i a l 杯芳烃是由亚甲基桥联取代酚形成的环状寡聚物， 它们有大小可调的疏水空腔，其下缘的酚羟基和上缘的 芳环都易于衍生化，因此杯芳烃衍生物具有识别各种离 子和包结中性有机分子的特征，是一类令人注目的大环 主体化合物 1 2 】本文介绍近年来杯芳烃衍生物在分子 识别、分子组装、酶模拟、化学传感器、光电材料等方 面研究的进展 1 分子识别 阳离子的分子识别已得到广泛的研究，但阴离子特 别是有机阴离子以及中性分子由于其几何形状的复杂 性及易于溶剂化等特性，其分子识别研究相对较少以 杯芳烃骨架为平台，上、下缘衍生的功能基为识别点的 主体分子，对阴离子和中性分子的识别特别有效B e e r 等【3 】把吡啶锚盐导入杯 4 芳烃的下缘形成的杯芳烃主 体化合物1 对H 2 P O 了显示了极好的分子识别选择性， + E - m a i l ：l u g y u a n n j u e d u c n R e c e i V e dO c t o b e r2 5 ，2 0 0 4 ；r e v i s e d 锄da c c e p 锄J 卸u a r y1 4 ，2 0 0 5 国家自然科学基金( N o s 9 0 1 0 1 0 1 8 ，2 0 3 7 2 0 3 2 ) 资助项目 其键合常数远大于H S 0 ：，C l 一，B r 一等阴离子( S c h e m e1 ) 1 S c h e m e l 何永炳等4 1 在杯 4 】芳烃的下缘相间的苯环上导入 酰胺和硫脲组合基团，分子识别研究表明2 和3 对直链 仅，二元羧酸具有高度的链长选择性当客体为己二酸 万方数据 有机化学 、，0 1 2 5 2 0 0 5 双阴离子时，由于氢键作用导致一定程度的光诱导电子 转移，因而引起荧光强度的显著变化，甚至肉眼也能观 察到溶液的颜色变化，这为有机阴离子的荧光检测和比 色分析提供了有效途径( S c h e m e2 ) S 2 3 S d I 哪e 2 S S 氨基酸两性离子的分子识别特别具有挑战性，因为 必须同时实现对氨基阳离子、羧酸根阴离子和侧链的三 点识别以及手性构型的对映识别我们在杯 4 芳烃的 下缘通过导入两个( S ，回一双环胍基合成了手性杯芳烃衍 生物4 【5 1 对氨基酸两性离子的液液竞争萃取研究表明4 选择性识别芳香族氨基酸，对上广苯丙氨酸的对映选择率 达9 0 6 1 ( S c h e I n e3 ) 最近z h e n g 掣4 7 】报道含n 肛氨基醇的手性杯 4 】芳烃 5 对L 酒石酸酯的对映选择率高达9 6 ( S c h e m e4 ) 刘育等【8 】把两个伊环糊精导入杯【4 】芳烃的下缘构 筑了多重识别的三单元主体分子6 ，研究发现对吖啶红 和2 对甲苯胺基6 一萘磺酸酯有相当好的包结识别作用 ( S c h e m e5 ) 天然生物大分子的分子识别更富有挑战性H a m i l 4 S c h e m e 3 5 S c h e m e 4 H O O C H 、卜R 2 R 1 R = H P h 6 S d I 哪e5 t o n 等【9 1 合成的四环肽杯芳烃7 成功实现了对细胞色素C 的识别，其键合强度与天然的细胞色素C 氧化酶相当， 对抗坏血酸盐还原的抑止作用可以与天然酶媲美 ( S c h e m e6 ) 天然大分子的分子识别对新药开发具有重 要意义 2 酶模拟 由于杯芳烃的上缘或下缘易于导入有序排列的功 田钞甘 万方数据 N o 9 郭勋等：杯芳烃衍生物研究进展 1 0 2 3 O S c h e m e 6 能基并具有疏水空腔，因而杯芳烃衍生物可以作为人工 酶模拟生物酶的催化功能R e i n h o u d t 等 1 0 1 l 】在杯 4 】芳 烃的上缘导入吡啶和咪唑基，与锌或铜的双核配合物作 为核酸酶模型化合物8 和9 ，前者使R N A 模拟底物2 一 羟丙基对硝基苯基磷酸二酯的磷酯键裂解和环化反应 加速2 3 1 0 3 倍，后者加速1 0 1 0 4 倍，这是迄今催化 活性最高的人工核酸酶( S c h e l e7 ) R o n d e l e z 等【l2 J 设计合成了第一个水溶性杯芳烃模 拟金属酶l O 1 0 的合成是首先将杯【6 芳烃醚化，再在下 缘导入三个甲基咪唑基，最后磺化成盐在1 0 中，三个 咪唑以螺旋方式与C u + 结合，使之在空气中不会被氧化， 在水中能与一氧化碳配位并使其活化( S c h e m e8 ) 因此 它可以在生理条件下实现酶模拟反应 最近黄志镗等【”】在杯 4 】芳烃的下缘导入甲基咪唑 8 O 基和甲硫基与C u + 配位后的晶体结构显示C u + 只和两 个咪唑和一个巯基配位，与a z 嘶n 铜蛋白的活性部位极 为相似( S c h e m e9 ) 陈淑华等【1 4 】在杯【6 芳烃的下缘引入金属卟啉得到 杯 6 】芳烃一双金属卟啉( 1 2 ) 对环己烯环氧化反应研究 表明，由于杯 6 】芳烃疏水空腔的存在，这类杯【6 芳烃一 双金属卟啉的催化活性比相应的金属卟啉的催化活性 大幅度提高( S c h e m e1 0 ) 除了作为人工酶之外，杯芳烃衍生物也能有效催化 某些有机反应例如，- 二甲胺基杯芳烃衍生物作为相 转移催化剂能促进芳香族化合物S u z u k i 偶合反应 1 熨 杯 4 】芳烃下缘连有手性双膦配体的钯或铑配合物是不 对称氢化的有效催化剂 16 1 在手性胺存在下，杯芳烃衍 生物也能有效催化酮的不对称还原【17 1 9 万方数据 1 0 2 4 有机化学 、，0 1 2 5 2 0 0 5 1 0 S c h 哪e 8 1 1 S d I e m e9 R 1 = C H 3 0 R 2 = O C H 2 C H 2 C H 2 0 R 1 = C I ，R 2 = O C H 2 C H 2 C H 2 0 ： R 1 = H ，R 2 = O C H 2 C H 2 C H 2 0 1 2 3 化学传感器 S c h 锄e 1 0 由于杯芳烃衍生物选择性识别性质，因而可以作为 离子选择性电极的中性载体例如上缘修饰了金刚烷基 下缘修饰了乙氧酰基甲氧基的杯【4 】和杯【8 芳烃1 3 和1 4 ( S c h e m e1 1 ) ，由于下缘功能团紧密围成的空腔的大小 分别与N a + 和C s + 的直径相匹配，因而1 3 和1 4 可以分 别作为钠离子和铯离子选择性电极的活性载体1 8 】 O C H 2 C O O C 2 H 5 1 3 门= 4 1 4 门= 8 S c h e m e n S h i I l k a i 等 1 9 】报道以1 ，3 交替式构象的二乙基杯 4 冠一4 和二乙基杯 4 冠5 为活性载体分别制备的钠离子 和钾离子选择性电极的N a + K + ，K + N a + 选择比分别高 达1 0 5 3 和1 0 4 ，这是迄今报道的中性载体的最高钠钾 选择比高选择性来自于它们配位原子形成的空腔和离 子大小的匹配性以及附加的阳离子7 c 相互作用 含氮、硫等杂原子功能基的杯芳烃衍生物能有效识 别过渡金属离子例如杯芳烃偶氮苯甲酸( 1 5 ) 和杯芳烃 偶氮噻唑( 1 6 ) ( S c h e m e1 2 ) 分别选择性识别铅离子和汞 离子，以它们为活性载体的选择性电极能测定环境中的 微量铅离子和汞离子 2 0 2 1 1 1 5 H N ? 1 I I、N 一 1 6 含有光敏基团杯芳烃衍生物和金属离子选择性结 合时，常引起显著的光物理变化，尤其是荧光强度的变 化，因此它们可以作为荧光传感器和分子开关例如在 杯【4 一冠4 和杯【4 冠5 余下的羟基上导入葸酮荧光基 团，荧光强度随加入的N a + 或K + 浓度显著变化，因此可 以作为荧光传感器测定微量的钠和钾离子【2 2 1 我们设 计合成了一系列带萘环垂臂的杯冠醚1 7 ，1 8 ，1 9 和2 0 ， 由于垂臂上的羰基参与配位，它们对金属离子的选择性 和配位能力显著提高 2 那( S c h e m e1 3 ) 由于杯冠醚1 7 和 1 9 参与配位的羰基与萘环共轭，因而当有匹配的金属 离子存在时会发生显著的光物理变化我们发现钙离子 存在时，1 7 的荧光强度大幅度提高且发射波长红移3 4 m ，因而可以选择检测微量钙离子的存在【2 3 I 万方数据 N o 9 郭勋等：杯芳烃衍生物研究进展 H 3 吃R ：e 吃贴的叱 ，9 门：。，R ：胞。c H 3 C H 2 N H 一 2 m 。，如的 S c h e m e1 3 l ( i m 掣2 4 】报道了一个十分有趣的工作杯芳烃双冠 醚2 1 中( S c h e m e1 4 ) ，由于光诱导电子转移作用，荧光 基团不显示荧光，加入A 矿与氮杂冠醚单元配位后产生 了强烈的荧光再加入K + ，由于正离子之间的静电排 斥，A g + 解离，K + 与上边的冠醚配位，荧光强度减弱以至 消失m 称这一过程为“分子跆拳道”效应( M o l e c u l a r T a e k w o n d o ) 同样杯芳烃双冠醚2 2 在C s + c u 2 + 离子对 作用下也产生跆拳道效应【2 别( S c h e m e1 5 ) 4 分子组装 以杯芳烃衍生物为建筑块进行分子组装，实现超分 子组装体的功能化一直受到广泛关注杯芳烃衍生物的 分子组装常通过分子内和分子间的氢键进行例如 R e b e k 等 2 6 t 2 7 1 通过脲基或硫脲基杯 4 】芳烃之间的氢键作 用组装成“头对头”的二聚体分子“胶囊”( c a p s u l e ) 2 3 ( S c h e m e1 6 ) ，胶囊的空腔中可逆包结樟脑等有机分子， 在药物缓释剂方面具有潜在应用前景 最近王乐勇等【28 】运用四脲基杯 4 】芳烃的二聚体， 通过脲基上的末端烯键的m e t a t l l e s i s 反应一步完成八个 环的杯芳烃【8 】索烃的合成( S c h e m e1 7 ) ，产率高达 5 0 ，这是基于分子识别和分子组装原理的超分子合成 的十分成功的例子之一 S c h 咖e 1 4 万方数据 1 0 2 6 有机化学 、，0 1 2 5 2 0 0 5 2 3 S c h e m e1 6 S c h e m e1 5 除了氢键作用外，芳环的7 c 兀s t a c l ( i n g 作用也是杯 芳烃衍生物分子组装的重要作用力黎占亭等【2 9 】用联 吡啶修饰的杯【4 】芳烃和杯冠醚通过兀一7 【s t a c k i n g 作用构 筑了杯芳烃 2 】- 索烃2 4 ( S c h e m e1 8 ) 利用杯芳烃芳环和客体芳环间的7 c 7 cs t a c k i n g 作用 构筑轮烷也见于文献例如P o c h i n i 等【3 0 】以杯 6 芳烃衍 生物为环状组分，联吡啶衍生物为轴线分子，手性二苯 乙酰为封端基构筑了杯芳烃轮烷2 5 ( S c h e m e1 9 ) 近年来文献报道杯芳烃衍生物通过氢键、兀呱 s t a c k i n g 作用、疏水作用等非共价作用组装高级有序的 功能聚集体，如L B 膜、囊泡、纳米球、纳米管等何卫 A R 5 6 ( 2 a ) 2 S d l 哪e 1 7 江等【3 ”发现无长链的杯芳烃能在水一气界面上形成稳定 的单分子层并研究了手性杯芳烃配合物形成的L B 膜的 特性我们设计合成了含脂肪族胍基和核酸碱基的杯 【4 】芳烃衍生物，它们也能在水一气界面上形成稳定的单 分子膜。前者【3 2 】能通过氢键和静电引力识别水相中的 核苷酸，后者 3 3 - 3 4 】能识别水相中的互补碱基( S c h e m e 2 0 ) ，并且能把底物转移到基片上，形成受体一底物有序 万方数据 N o 9 郭勋等：杯芳烃衍生物研究进展 1 0 2 7 S c h e m e1 8 S c h e m e1 9 排列的分子薄膜 A t w o o d 等 3 5 】报道，杯 4 】芳烃四磺酸钠盐是一种双 极两亲分子，和氧化吡啶及稀土金属离子在水溶液中可 以自组装形成兀啊堆叠的双层纳米球和螺旋形的纳米隧 道R e i I l l l o u d t 等 3 6 】报道，杯【4 】芳烃三氰胺( m e l 锄i n e ) 衍 生物和异氰尿酸( 或巴比妥酸) 通过氢键自组装的聚集体 具有螺旋的非对称排列，即产生超分子手性( s u p r a 。 m o l e c u l a rc h i r a l i t y ) 并且当其中一个组分含有少量对映 纯分子时，它们将自组装成对映纯的超分子手性聚集 O H A A S c l I 哪e 2 0 体，即能实现超分子手性扩增( 锄p l i f ! i c a t i o no fc h i r a l i t y ) 最近刘育等例根据分子识别原理，以下缘连有萘甲酰 氨基的杯 4 】芳烃和丙二硒桥式双环糊精成功构筑了纳 米线 5 非线性光学材料 传统的有机二阶非线性材料一般具有推( D ) 一拉( A ) 电子基团的共轭体系，即具有D - 兀A 结构为了提高二 阶非线性系数声值，通常的办法是增长7 c 共轭体系和增 强推一拉电子基团的强度，其结果虽然提高了二阶非线 性系数，但是导致吸收带向红移动，影响了材料的透光 度，即存在着所谓非线性和透光度的矛盾R e i n h o u d t 等【3 8 J 在杯【4 】芳烃的上缘导入丙二腈乙烯基、丙二腈异佛 尔基乙烯基、巴比妥酸异佛尔乙烯基等强吸电子基当 杯【4 】芳烃为锥式构象时，两个或多个D 哥A 单元近于同 向排列，因而大幅度提高了二阶非线性系数由于 D 7 【A 单元被亚甲基隔开，其吸收带仅红移2 0n m 左右 我们通过偶联反应合成了对硝基苯基偶氮杯 4 】芳烃【3 9 】， 超瑞利散射( H R S ) 实验测定表明它们的二阶非线性系数 口值高于相应的单个D 兀A 单元参照物4 ( 4 硝基苯基偶 氮) 2 ，6 一二甲基苯酚，其中具有两个D 兀A 单元的对硝 N N LN扛。 h z ： 叫 A 芦u p 。 万方数据 1 0 2 8 有机化学 V b l 2 5 2 0 0 5 基苯基偶氮杯 4 】芳烃的值比参照物高1 6 倍并且它 们的吸收带不仅没有红移，反而蓝移1 0n m 左右【4 u J 这 些结果显示杯芳烃衍生物是解决非线性材料在非线性一 透光度矛盾方面的有效方法之一 综上所述，近年来，杯芳烃化学已取得长足的发展， 从结构、性质研究发展到了人工酶、传感器、光电材料 等多方面的应用研究，从单一分子合成发展到分子多层 次聚集体的高层次研究可以预见，以分子识别为基 础、分子组装为手段、功能性杯芳烃聚集体的构筑和在 人工酶、光电功能材料等方面的应用研究将是杯芳烃化 学研究的热点 R e f e r e n C e S 1 A s f 撕，Z ；B 6 h I n e r ，V ；H a r r o w f l e l d ，J M ；c e n s ，J ( 勉Z 如一 口馏厅船，I ( 1 u w e r N e wY o r k ，2 1 2 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 L i u ，Y ；Y o u ，C - C ；z h 柚g ，H - Y S 印m m D 膪c “肠rc g m 括一 f m D f P c “肠r 尺P c D g ，z f “D ，l 口，z dA s s 已m 6 耖D ，$ n 砌口f 七尺P c 印幻坩，N a k a iu n i V e r s 蚵P r e s s ，T i a n j i n ，2 0 0 1 ( i nC 1 l i n e s e ) ( 刘育，尤长城，张衡益，超分子化学一合成受体的分子识 别与组装，南开大学出版社，天津，2 1 ) B e e r P D ；D r e w ，M GB ：G r a d w e l l ，K ，C 仇g m J S b c 尸F 心f n 乃切九J 22 0 0 0 5 1 1 L i u ，S 一Y ；H e ，Y 一B ；W u ，J L ；W j i ，L - H 。；Q i n ，H - J ； M e n g ，L Z ；H u ，L D ，苫曰f D m D Z C 忍P m 2 0 0 4 2 ，1 5 8 2 L i u ，F ；L u ，G Y I ；H e ，W 一J ；M e i ，Y 一H ；Z h u ，L - G 跏咒砌P s 妇2 1 6 0 7 L i u ，F ；L u ，G Y ；H e ，W - J ；W 抽g ，Z - S ；z h u ，L 一G 鳓玩 ，劭P m 2 0 0 1 ，J9 3 1 7 Z h e n g ，Y 一S ；z l l a I l g ，C D 馏如甜2 0 ，1 1 8 9 L i u ，Y ；C h e n ，Y ；1 1 1 0 u e ，Y ，D 馏C 讫口m 2 0 0 1 ，6 瓯7 2 0 9 H 锄u r o ，Y ；C r e g o C a l 锄a ，M ；P a r k ，H S ；H a r I l i l t o n ，A D A n g e w C 矗e ，r ，m f E d 1 9 9 7 ，3 6 ，2 6 8 0 M 0 1 e n v e l d ，P ；S m ：v o o r t ，W ：M G ；K o o i j m a I l ，H ；S p e k ，A L ；E n 曲e r s ，J F J ；R e i l l l l o u d t D N ，D 曙 P ，z 1 9 9 9 鲋3 8 9 6 M 0 l e n V c l d ，P ；E n g b e r s e n ，J FJ ；K o o i j m 锄，H ；S p e k ，A L ；R e i n h o u d t ，D N ZA m C 忍硎S b c 1 9 9 8 ，J 2 D ，6 7 2 6 R o n d e l e z ，Y ；B e n h o ，G ；R e i n a u d ，O A 馏驯劬绷，伽f E d 2 2 ，4 J 1 0 4 4 C a o Y - 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x C h P m 上七甜1 9 9 9 1 3 2 9 J i n ，C 一M ；L u ，G Y ；S h i ，Z 一W ；Z h 锄g ，C 一Z ；Y b u ，X 一Z 勋p ，n ，挖口f C 仇P ，1 2 0 0 4 ，J 6 ，4 1 飚m ，J S ；S h o n 0 J ；砌m ，J A ；瞄m ，S K ；Y o o n ，J ， D 馏C 仇P m 2 0 0 2 ，6 7 2 3 4 8 K i m J S ；N o h ，K H ；L e e ，S H ；K i m ，S K ；K i m ，S K ； Y o o n 。J ，D 馏绷2 0 0 3 ，甜，5 9 7 C h o ，Y L ；R u d k e v i c h ，D M ；R e b e k ，J J r ，A m P m S D c 2 0 0 0 。j 2 2 9 8 6 8 C h o ，YL ；R u d k e v i c h ，D M ；砌s s a n e n ，K ；R e b e k J J r C 忍g m 砌r ，2 0 0 0 6 3 7 8 8 W a I l 舀L _ 一Y ；V y s o t s k y M O ；B o g d a I l ，A ；B o l t e ，M ；B o h m e r V 如f P 聆c P2 0 0 4 。3 D 4 ，1 31 2 L i ，Z - T ；Z h a n g ，X 一L ；L i a I l ，X 一D ；Y u ，Y H ；X i a ，Y ； z h a o ，C 一X ；C h e n ，Z ；L i n ，Z 一P ；C h e n ，H D 馏绷 2 0 0 0 ，6 5 ，5 1 3 6 A r d u i n i ，A ；F 钉d a n i R ；P o c l l i n i ，A ；S e c c l l i ，A ；U g o z z o l i ， F A ，z 譬P w C h P m ，胁f E d 2 0 0 0 ，3 9 ，3 4 5 3 ( a ) H e ，W - J ；L i u ，F ；M e i Y ；G u o ，Z - J ；z h u ，L 一G ；w ，C 忍P 卅2 0 0 1 2 5 13 3 0 (