（有机化学专业论文）新型杯4氮杂冠醚衍生物的合成与性能研究.pdf

福建师范大学硕士学位论文 福建师范大学学位论文使用授权声明 本人( 姓名) ：鄞筵学号：星q q 墨z ! z 专业：查扭丝堂所呈交的 论文( 论文题目：新型杯 4 氮杂冠醚衍生物的合成与性能研究) 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，论文中不包含其他人已经发表或撰 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) 学位论文作者签名二萤生l 指导教师签名二警址 福建师范大学硕士学位论文 摘要 近年来，杯芳烃超分子化学已引起人们的广泛关注。杯芳烃以其特殊的空腔结 构和易于修饰等特点，在诸多领域的研究和应用中均显示出作为新一代超分子受体 化合物的重要作用。本文以杯 4 】芳烃为平台，设计并合成了一系列杯【4 芳烃衍生物， 并研究了它们对金属阳离子、阴离子和氨基酸的配合性能。 本论文合成了一系列具有桥联和开链结构的杯 4 芳烃氮杂冠醚及其相关衍生 物，包括酯基、酰胺基、席夫碱基、硫脲基。金属阳离子萃取实验表明，含酰胺基、 硫脲基和酯基的杯【4 】芳烃衍生物对大多数金属离子都有较好的萃取性能，特别是对 n i 2 + 、a g * 、h 9 2 + 、p b 2 + 萃取率较高。阴离子识别实验表明，含酰胺基和硫脲基杯【4 】 芳烃衍生物对一o o c ( c h 2 ) 4 c o o 一有较好的配合性能，含酰胺基和酯基的杯【4 】芳烃衍 生物对c h 3 c o o 一有较好的配合性能。紫外光谱法测定了它们对金属阳离子和阴离子 的配合光谱并计算出它们的配合常数，结果表明它们对所测试的金属阳离子和阴离 子都有较好的配合作用，主客体分子形成1 ：1 的配合物。 关键词杯 4 】芳烃，合成，氮杂，配合，金属离子，氨基酸，阴离子 福建师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，c a l i x a r e n eh a sa t t r a c t e d w i d ea t t e n t i o ni ns u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y c a l i x a r e n es h o w st h ei m p o r t a n tr o l e 弱an g wg e n e r a t i o no fs u p r a m o l e c u l a rr e c e p t o ri n m a n yf i e l d so fr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n s b e c a u s eo fi t ss p e c i a ls t m c t u r ea n de a s i l y m o d i f i e dc a v i t yc h a r a c t e r i s t i c s i nt h i sp a p e r , c a l i x 4 a r e n ei su s e da sab u i l d i n gb l o c k , a n ds e r i e so fc a l i x 4 a r e n ed e r i v a t i v e sa l ed e s i g n e da n ds y n t h e s i z e d , a n dt h e i rb i n d i n g p r o p e r t i e st o w a r d sm e t a lc a t i o n s ，a n i o n sa n da m i n oa c i d sa l es t u d i e d f i r s t l y , s e r i e so fc a l i x 4 a r e n ea z a - c r o w ne t h e ra n di t s r e l a t i v ed e r i v a t i v e sa r e s y n t h e s i z e d , i n c l u d i n go p e n - c h a i na n db r i d g i n gs t r u c t u r e s ，s u c ha se s t e r , a m i d e ，s c h i f f b a s ea n dt h i o u r e ad e r i v a t i v e s m e t a lc a t i o ne x t r a c t i o ne x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t et h a t c a l i x 4 a r e n ed e r i v a t i v e s 晰t ha m i d ea n dt h i o u r e aa n de s t e ru n i t ss h o w sg o o de x t r a c t i o n p r o p e r t yt o w a r d st e s t e dc a t i o n , e s p e c i a l l yn i 2 + a n da g + a n dh g + a n dp b 2 + a n i o n s r e c o g n i t i o ne x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t et h a tc a l i x 4 a r e n ed e r i v a t i v e sw i ma m i d ea n d t h i o u r e au n i t ss h o w s g o o de x t r a c t i o np r o p e r t i e st o w a r d s 。o o c ( c h 2 ) 4 c o o a n d d e r i v a t i v e s 谢n la m i d ea n de s t e rt o w o r d sc h 3 c 0 0 一u v - v i ss p e c t n n ni su s e dt os t u d y t h eb i n d i n gp r o p e r t yo fe a l i x 4 a r e n ed e r i v a t i v e st o w a r d ss e r i e so fm e t a lc a t i o n sa n d a n i o n i c s ，a n dt 1 1 e i rb i n d i n gc o n s t a n t sa r ec a l c u l a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt t l e yp o s s e s s g o o dc o m p l e x a t i o na b i l i t i e st o w a r d sm e t a lc a t i o na n da n i o n i c ，a n d1 ：1c o m p l e xi sf o r m e d b e t w e e nh e s ta n dg u e s t k e y w o r d sc a l i x 4 a r e n e ，s y n t h e s i s ，a z a , b i n d i n g ，m e t a lc a t i o n , a m i n oa c i d ，a n i o n i c 福建师范大学硕士学位论文 中文文摘 大环分子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。在杯芳烃主体分子中引入支链和冠醚链得到的杯 芳烃衍生物，常常具有比普通杯芳烃更优越的客体识别性能。其中，含氮原子的杯 芳烃氮杂冠醚对软金属离子和易形成氢键的客体分子有良好的识别性能。近几年含 有胺基、酰胺基、吡咯基、脲基、硫脲基和氮杂冠醚等功能基团的对叔丁基杯 4 】芳 烃衍生物对阴离子的识别已有相当多的报道。k i l n 等合成出具有荧光性质的双功能 杯【4 】芳烃，这种分子既含有酰胺结构( 对阴离子识别) 又含有氮杂冠醚( 对阳离子 识别) 结构，正因为具有特殊的结构使得该分子对金属阳离子( p b 2 + 和c 0 2 + 等) 和阴 离子( c h 3 c o o 一、h s 0 4 一、c 1 一、一o o c c o o 一、一o o c ( c h 2 ) 4 c o o 一、f - 等) 都有着 很好的识别作用。， 杯芳烃以其特殊的空腔结构和易于修饰等特点，已在诸多领域的研究和应用中 均显示出作为新一代超分子受体化合物的重要作用。随着对功能化杯芳烃的深入研 究，杯芳烃主客体化学由单点识别发展到多重识别或多点识别并向不对称性识别方 向发展；由杯芳烃的单功能化向多功能化方向发展。从而使得杯芳烃在液膜传输、 萃取络合、化学传感器、分子开关、分子探针、分子器件、液晶等方面都有着重要 的作用。 本论文设计并合成了多种含氮的软配位基团( 酰胺基、席夫碱基) 的新型杯 4 】 芳烃支链和冠醚链衍生物；其结构经质谱、核磁共振氢谱、元素分析、红外光谱等 表征证实；其性能经离子萃取、氨基酸、阴离子配合的紫外光谱分析测定。对杯芳 烃衍生物的研究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、结构特征、构象、合成与制备、化学修饰、桥联杯芳烃、分子和 离子识别以及应用。 第二章：新型席夫碱基杯【4 】冠醚衍生物的合成及性能研究。本章先以杯 4 芳烃 为原料在k 2 c 0 3 丙酮体系下与氯乙酸乙酯反应生成杯【4 】芳烃- - 7 , 酸乙酯，然后杯 4 】 二酯基衍生物与过量的水合肼在甲苯乙醇中回流反应1 0 h 生成杯【4 】二酰肼，最后与 预先合成的二水杨醛二甘醚发生“1 + 1 一分子间缩合反应生成新型席夫碱基杯 4 】冠 醚衍生物。席夫碱基杯【4 】冠醚衍生物对金属离子萃取实验表明，该衍生物对软金属 m 福建师范大学硕士学位论文 离子p b 2 + 、a g + 、h 9 2 + 萃取能力较高，分别达到6 5 、4 3 和2 5 。席夫碱基杯 4 冠醚衍生物的结构经元素分析、质谱、核磁共振氢谱、红外光谱等手段表征证实。 第三章：新型杯 4 】芳烃酰胺基硫脲衍生物的合成与性能研究。本章以杯 4 芳 烃为原料，先将杯 4 芳烃进行甲醚化生成二取代醚化产物，然后与过量的氯乙酸乙 酯反应，高产率的生成二甲醚化杯 4 芳烃二酯基衍生物，再进一步与过量的水合肼 反应生成二甲醚化杯 4 芳烃二酰肼衍生物，最后再与过量的异硫氰酸苯酯反应生成 新型杯 4 芳烃酰胺基硫脲衍生物。新杯 4 芳烃衍生物的结构经元素分析、质谱、 核磁共振氢谱等表征证实。新杯 4 芳烃衍生物与金属离子、氨基酸、阴离子的识别 性能表明，新衍生物对软金属离子( a 矿、h 9 2 + ) 、硬金属离子心矿、k 勺的萃取能力 均有了大大的提高，特别是对过渡金属离子n i 2 + 萃取能力最高可达7 7 2 ；在杯 4 】 芳烃上引入酰胺基和硫脲基后，衍生物与一o o c ( c h 2 ) 4 c o o 一的配合能力最强，与 h s 0 4 一的配合能力最弱，说明衍生物对长链二元羧酸具有高度的选择性，这种选择 性配合作用是酰胺基和硫脲基协同配合作用的结果。 第四章：含酯基和酰胺基的杯 4 】芳烃衍生物的合成与性能研究。本章利用酯较 易胺解的特点，将丙二酸二乙酯先与乙醇胺反应较容易的得到了酯的胺解化合物， 然后再用氯乙酰氯发生醇解反应生成二烷基氯产物，再根据烷基氯易于醚化，可进 一步与杯 4 芳烃的羟基发生反应，最后将含酰胺基和酯基的官能团成功引入到杯 4 芳烃上得到杯 4 芳烃氮杂衍生物；杯 4 芳烃衍生物经元素分析、红外光谱、质谱、 核磁共振氢谱等表征证实为预期产物。杯 4 芳烃衍生物与苦味酸盐的萃取实验表 明，其对过渡金属离子特别是a g + 和h 矛+ 的配合较高。与阴离子配合实验表明目标 化合物与阴离子有不同程度的配合作用，并且随客体浓度的增加，主体与客体形成 l ：l 的配合物。 i v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 超分子化学是研究两种以上的化合物通过非共价键结合起来的复杂有序且具有 特定功能的超分子体系的科学。而超分子体系是由两个或多个化学物质依靠分子间 力结合起来的具有更高复杂性的组织实体。超分子作用是一种具有分子识别能力和 分子间相互作用，是空间效应影响下的范德华力、静电力、氢键、哥兀相互作用、疏 水相互作用等。随着现代生命科学、材料科学的迅速发展，超分子化学已发展成当 代化学科学中的一个前沿领域，备受青睐【l 翻。 超分子化学是近年来化学、物理学和材料化学领域的研究热点，化学家们向生 物界学习，利用包括氢键、金属配位、渺7 c 堆积、亲疏水作用、静电作用以及其它范 德华力作用使单体分子组装成各种可逆的动态组成的结构，如以弱键代替共价键形 成的超分子聚合物、胶束、囊泡及各种图纹的自组装单层或多层膜等。近年来，将 高分子化学与超分子化学相结合，形成所谓超分子高分子化学( s u p r a m o l e c u l a r p o l y m e rc h e m i s t r y ) ，已成为高分子科学的一个新的十分活跃的成长点。超分子化学 与超分子高分子化学的研究与发展，也为设计和开发新的功能材料打下了坚实基础， 指明了新途径，并且也在逐步实用化，这对油田化学学科也带来了发展的机遇【3 】。 c j p c d c r s e n ，d j c r a m 和j m l c h n ，由于在这一领域的先驱性研究获得了 1 9 8 7 年诺贝尔化学奖，标志着化学的发展进入了一个新的时代，超分子化学成为公 认的当前化学理论与技术的前沿，具有重要的理论意义和潜在的广阔应用前景。c j p e d e r s e n , d j c r a m 和j m l e h n 发现的冠醚和环糊精开辟了超分子化学这一新兴 研究领域，在分子识别的基础上形成主一客体配合物是超分子体系的基本特征，冠醚 和环糊精作为主一客体化学最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主体分子化合物。杯芳烃 由于和冠醚、环糊精一样具有独特的空穴结构，故被称为继冠醚和环糊精之后的第 三代主体超分子化合物，近十年来受到了科学工作者的广泛关注。自此，大量的杯 芳烃及其衍生物作为主体分子不断地被设计并合成出来，其结构与性能也不断地被 研究并逐渐进入应用领域，目前己经研究到了n = 4 1 4 多种杯芳烃及其衍生物。 从杯芳烃的结构来看，其环状结构具有多种构象【4 j ( 如锥形、半锥形等) 。对于 锥形而言，其底部( 下缘) 紧密而有规律地排列着数个亲水性的酚羟基，杯口部( 上缘) 福建师范大学硕士学位论文 带有疏水亲油性的取代基团( 例如对叔丁基) ，中间拥有一定尺寸的空腔，使得杯芳 烃既可以输送阳离子，又可以与有机中性分子、阴离子、氢键等非共价键形成主一 客体分子的一类大环化合物。从分子性能上看，杯芳烃下缘的羟基通过氢键作用紧 密而有规律地排列着，能作为作用点识别和结合阳离子；上缘由苯环组成的富p 电子 憎水空腔，能包合中性小分子；因此杯芳烃既可以作为离子载体又可以作为中性分 子受体，是集冠醚( 底物大多为离子或离子型化舍物) 及环糊精( 底物大多是非离 子型化合物) 两类受体于一身的新型受体，其分子识别能力与冠醚和环糊精相比具 有明显的优越性。由于上述结构特点，杯芳烃在疏水、氢键、哥7 c 、偶极一偶极等超 分子作用的基础上识别和包结离子和中性分子客体，实现其配位、催化和能量转换 等特殊功能，其客体的广泛性远非冠醚和环糊精所及。 杯芳烃在诸多领域的研究和应用中均显示出其作为新一代超分子受体化合物的 重要作用。近几年，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向不 对称性识别方向发展【5 羽，杯芳烃的合成向着功能化方向发展【7 1 。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【钔、分析化学【9 1 、分子识 别【l o - l h 、分子催化【协13 1 、传输化学【体15 1 、离子选择性电捌1 6 1 、相转移催化剂【1 7 - z s 、 模拟酶及超分子化学【1 9 圳1 等领域的应用中取得了突破性进展。国内的研究起步于上 世纪9 0 年代初期，也取得了一些有价值的研究成果。 功能化杯芳烃作为第三代超分子化合物的优秀代表，在与分子识别联用的理论 与应用研究中取得了一些可喜的成绩。随着对功能化杯芳烃的深入研究，杯芳烃向 着功能化方向发展，即在杯芳烃的母体、成环基团及其上下缘进行有目的的化学改 性，得到具有特定空穴结构和特定性能的衍生物。从元素角度看主要是向着导入含 有氧、氮、硫等基团方向发展；从应用功能及性能上看主要是向着携带光学、电学 信号发生体、手性识别体以及杯芳烃纳米材料等方向发展。合成热点主要表现在新 型杯芳烃基体的采用，上缘取代基的多位功能化，下缘取代基的桥联、醚化、酯化 和多穴化等。 1 2 杯芳烃简介 1 2 1 杯芳烃的命名 杯芳烃的系统命名较复杂。通常在“杯”( c a l i x ) 和“芳烃”( a r e n e ) 间插入“【n 】 ，来 区分环腔大小不同的杯芳烃，其o oe n 代表环状低聚物中苯酚单元数目，如杯 4 】芳烃 2 第1 章绪论 ( c a l i x 4 a r e n e ) 。对于更复杂的杯芳烃，可按美国化学文摘的方法将其骨架编号，标 明所有取代基的名称和位置。对叔丁基杯【4 芳烃的系统命名为“5 ，1 1 ，1 7 ，2 3 一四叔丁基 一2 5 ，2 6 ，2 7 ，2 8 四羟基杯 4 芳烃”( 见图1 1 ) 。由于该种命名方法复杂，一般较少采用。 通常情况下将杯芳烃带羟基端称为下缘，苯环对位称为上缘，命名时把上端取代基 放在前，然后是下端取代基，昂后是杯芳烃主体词。结构如图1 1 ： 图1 - 1 5 , 1l ，1 7 ，2 3 一四叔丁基一2 5 ，2 6 ，2 7 ，2 8 一四羟基杯 4 芳烃 f i g 1 - 15 ，11 ，1 7 ，2 3 - t e t r a t e r t - b u t y l 一2 5 ，2 6 ，2 7 ，2 8 一t e t r a d i h y d r o x y c a l i x 4 a r e n e 1 2 2 杯芳烃的结构特征 杯芳烃( c a l i x a r e n e ) 是一类具有特殊环腔结构的大环化合物，通常由对叔丁基苯 酚和甲醛在碱性条件下缩合而成。其结构的底部排列着数个羟基，而在其结构的上 部具有疏水空穴，分子模聚体具有类似希腊型的形状像个杯子。由于这类大环化合 物中最普通的四圣杯的立体构象，因而得名杯芳烃( c a l i x a r e n e ) 2 2 - 2 3 】。杯芳烃结构如 图1 2 ： 图1 - 2希腊酒杯和杯 4 芳烃的结构 f i g 1 - 2 t h es t r u c t u r eo fg r e e c eg l a s s e sa n dc a l i x 4 】a r e n e 福建师范大学硕士学位论文 与其他受体分子冠醚、环糊精相比，杯芳烃具有如下突出特点： 1 )杯芳烃合成方法简单，宜于大量制备，且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 苯酚单元所构成的 不同空腔尺寸的杯芳烃。 2 )它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，可与离子结合。 3 )它的反应点丰富，杯芳烃本身的上、下缘及连接苯环的亚甲基可以衍生化， 得到诸如对位取代的含烷基氨、磺酸基、羧基的水溶性杯芳烃：下缘酚羟 基衍生的杯芳烃的酯、酮、氨代物、杯芳冠醚等：这不仅能改善杯芳烃自 身的不足，如水溶性差，熔点高等，而且能增强其络合能力。 4 )它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，因而对于分子识别和模拟酶具有重要意义。 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。 6 )对人体和环境毒害性小 正是由于杯芳烃化合物的这些特点，使其成为继环糊精及冠醚之后，在超分子 化学领域有着广泛的应用前景。 1 2 3 杯芳烃的构象 具有多种构象异构体是杯芳烃最具特色的性质之一，它是苯酚单元和与之相邻 的亚甲基之间的o 键( a r - c h 2 ) 有限自由旋转的结果。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 a n i z e d ) 结构，是杯芳烃化学中一个十分重要的内容。 杯【4 】芳烃具有四种基本的构象( 如图1 - 3 ) ：杯( 锥) 式( c o n e ) ，部分杯( 锥) 式( p a r t i a l c o n e ) ，1 ，2 一交替式( 1 , 2 。a l t e r n a t e ) 和1 ，3 一交替式( 1 ，3 a l t e r n a t e ) ，它们的 核磁共振谱图可见有关文献【2 4 1 。结构如图l - 3 ： 4 第1 章绪论 f f 式构象( c o n e ) g 分锥式( p a r t i a lc o n e )1 , 2 - 交替( 1 ，2 a l t e r a t e ) 1 , 3 - 交替( 1 ，3 一a l t e r a t e ) 图1 - 3对叔丁基杯 4 】芳烃的四种构象 f i g 1 - 3t h ec o n f o r m a t i o no fc a l i x 4 a r e n e 以锥式构象和l ，2 交替式构象为两种最稳定状态，锥式构象为热力学稳定状态， l ，2 一交替式构象为动力学稳定状态。控制一定的反应条件，可给出不同结构的环状化 合物【2 5 之6 】。对于苯环数目更多的杯芳烃，其构象更为复杂多变。杯 5 】芳烃有八种 典型构象【2 7 1 ，杯 6 】芳烃在低温时采取锥型或翼锥型构象【2 8 】，杯 8 】芳烃在低温时采 取折叠环构象【2 9 】，在下缘引入较大的基团难以固定杯【6 】、【8 】芳烃这类大环杯芳烃的 构象【3 2 1 ，只能采取上缘或下缘进行桥联的方法。 由于杯芳烃是一个多反应点和构象不稳定的化合物，因此面临着全部衍生化还 是部分衍生化，区域选择性以及控制构象等问题。另外，取代基结构的微小变化可 能需要截然不同的反应条件，而反应条件的微小变化也可能导致产物的复杂化甚至 无法反应。因此优化反应条件，将有特殊结构的取代基选择性的结合到杯芳烃边缘， 对设计杯芳烃主体化合物是一项艰巨而富有挑战性的工作。目前人们的主要工作都 集中在合成结构新颖的功能化杯芳烃的衍生物方面，并对杯芳烃主体分子的应用做 了大量的研列3 3 l 。 1 2 4 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。 一步合成法：一步合成法是在a z i n k e 等最早合成方法的基础上【3 4 1 ，几经改进而 成，特别是c d g u t s c h e 【3 5 】等对它进行了细致的工作，使得杯 4 】、杯 6 】、杯 8 】芳烃 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。 一步法主要适用于某些对位取代苯酚( 特别是对叔丁基苯酚) ，通过改变与甲醛的反 应条件，可有选择的获得上述三种杯芳烃。合成反应可以简单表示如图1 4 ： 福建师范大学硕士学位论文 o h n 9 旦 o h n = 4 ，6 ，8 图l - 4 一步法合成杯芳烃 f i g 1 - 4s y n t h e s i so fc a l i x a r e n eb yo n es t e p 带有奇数苯酚单元的杯【5 】芳烃【3 6 1 、杯 7 芳烃【3 7 1 、杯【9 】芳烃f 3 羽，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。 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 m e r 首次用逐步法合成了杯芳烃【3 9 】，k a m m e r e r 和h a p p e l 对此方法进行了优 化。该方法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。多步法合成杯芳烃如图1 5 ： 釉早嗡早h 审 固器戈k 右曙囊l诹 心瓣 巷 a 蝴 图1 5多步法合成对叔丁基杯芳烃 f i g 1 - 5s y n t h e s i so f c a l i x a r e n eb ym o r es t e p s 片段缩合法：又叫会聚法，片段缩合法具有逐步法的灵活性，也克服了其步骤 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。 6 第1 章绪论 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 ”【幻】，“2 + 2 【4 ，“2 x l + 2 x l ”【4 2 】“2 + 2 x l 【4 3 】，“4 x l 4 4 1 等几 种方法。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 - 6 ： 图1 - 6 “3 + 1 ”片段缩合合成杯 4 】芳烃 f i g 1 - 6s y n t h e s i so fc a l i x 4 a r e n eb yf r a g m e n tc o n d e n s a t i o n 近年来的几乎所有片段缩合反应都是在t i c l 4 - - 氧六环体系中进行，【3 + 1 】， 2 + 2 及 4 x1 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【4 5 】等对“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 。 1 2 5 杯芳烃的化学修饰 杯芳烃的功能化修饰是杯芳烃化合物研究的一个重要课题，构筑具有特定空穴 结构的杯芳烃衍生物是开展杯芳烃衍生物性能研究的第一步。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。由于这些大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，受到化学家的关注。 杯芳烃有多个反应活性点，可以从其上缘、下缘、间位、亚甲基及其骨架等位 置进行功能化修饰。 1 2 5 1 杯芳烃上缘的化学修饰 杯芳烃上缘的化学修饰主要是在过量a 1 c 1 3 存在下，脱去叔丁基【4 6 】得到无取代 基的杯芳烃，改变a i c l 3 的用量，还可以得到部分脱叔丁基的杯芳烃。去叔丁基杯 芳烃是利用酚羟基的邻对位的吸电子效应，在酚羟基的对位进行亲电取代【4 7 1 、克莱 森重排【4 8 1 、氯甲基化【4 9 1 、季胺盐化f 5 0 】、曼尼奇反应【5 1 。5 2 1 、磷酰化【5 3 】等反应，其目的 福建师范大学硕士学位论文 一是引入各种功能性基团改善或完善杯芳烃的性能，另一个是扩大或者加深空穴。 图1 7 杯芳烃上缘的化学修饰： o a t l o i t - c ：h 娜b s 纛- a 嘲嘲瞄瞄嗡蝴 图l - 7 上缘改性的杯芳烃衍生物 f i g 1 - 7u p p e r - r i mm o d i f i c a t i o n so f e a l i x a r c n ed e r i v a t i v e s 磺化类衍生物常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【5 4 1 。同时引入n 、o 等活泼性较强的非金属元 素，赋予杯芳烃对客体识别具有多点功能。硝化类衍生物的功能类同于磺化类衍生 物，它经常是杯芳烃在有机介质中与浓硝酸进行反应而得，也可以通过多步法合成。 但硝化类杯芳烃衍生物往往作为含氨基类杯芳烃衍生物合成的中间产物而出现。杯 芳烃上沿的硝基可以用多种方法进行还原。硝基基团经还原、重氮化、偶联等反应 可将偶氮基等生色团导入杯芳烃上缘中。产生一类具有色变功能的杯芳烃受体。卤 烷基化反应是杯芳烃上沿功能化的一种重要手段，借助于卤烷基的化学活性可方便 地将氰基【5 5 1 、乙烯基【5 6 】、单糖【5 7 1 等基团和p 、s 、s i 等杂原子杂原子等引入，使得 杯芳烃具有新的功能。 1 2 5 2 杯芳烃下缘的化学修饰 下沿酚羟基的化学修饰是借助于杯芳烃中酚羟基的化学活性而完成的衍生反 应，通过一些化学反应可以方便地导入一些功能基团，这些基团包括酯、胺和羧酸 类衍生物可用于对金属离子和铵离子的包合配位作用【5 8 】。大量实验表明它在通常的 情况下易于进行醚化、酯化等反应。通过对杯芳烃下缘的选择性醚化不仅可以通过 引入某些烃基起到保护和占位的作用，而且可以改善其溶解性，从而扩展杯芳烃的 应用领域【5 9 1 。 近几年下缘的化学改性表现在引入特性基团( 如手性基团、光学活性基团、电学 活性基团、多基亲水性基团) 和冠醚化( 如单冠醚、多冠醚、多杯桥联、多穴冠醚等) 。 第1 章绪论 杯芳烃的酚羟基本身是一个官能化基团，它活性比较大可以与多种试剂反应制 备各种杯芳烃的衍生物。杯芳烃在一定条件下与酰氯、卤代烃、卤代冠醚以及其他 卤代物等反应可以得到不同类型的酮、醚以及含其他杂原子的化合物和桥联化合物。 另外酚羟基还可转化为酮类化合物，得到的衍生物还可进一步发生反应，如发生水 解、还原反应等。目前，杯芳烃衍生物的合成，主要涉及含n 、p 、0 、s 等原子的衍 生物，以及杯芳烃的冠醚类衍生物。杯芳烃通过碳原子连接的衍生物主要涉及氰化 物、烷基化合物、酮类、酯类、羧酸类等。通过光谱测定发现，上述衍生物大多为 锥式构象。通过n 原子连接的衍生物有亚硝酸盐类、酰胺类、吡啶类等。杯芳烃含s 原子的衍生物大多是水溶性的，这一特性被广泛应用于分析领域。该类衍生物主要 为磺酸基类、亚硫酸盐类、以及含s r ( r = e t 、m e ) 基团类、硫醚类、硫代酰胺类、 磺胺类、硫脲类等。含p 原子的衍生物有磷酸盐类、磷类、亚磷酸盐类、磷酸酯类、 磷酰化类等。 1 2 5 3 杯芳烃的问位化学修饰 杯芳烃的间位化学修饰一般是先在其上缘引入较强的定位基团如一o r 、 - n i - i c o c h 3 等，然后在间位进行硝化或者溴化。间位化学修饰可以控制杯芳烃的构 象及得到结构不对称的杯芳烃【6 0 1 。 对杯芳烃的骨架进行修饰一般有三种方法，一是将苯酚单元部分或全部氧化为 苯醌【6 1 】单元；二是将苯酚单元还原为环己烷单元；三是用某些杂环化合物代替苯环 丽形成的杯杂芳烃( 如杯吡咯、杯呋哺等) ，或用杂原子s ，n ，p 或含杂原子的基团 代替桥联亚甲基而形成的杂杯芳烃。 桥联亚甲基的功能化报道较少，杯 n 】芳烃( n - - 4 ，6 ，8 ) 在c r 0 3 的作用下，桥联亚 甲基可部分或全部氧化为酮基。g u s t c h e 等人通过片断缩合法也制得类似的亚甲基功 能化的杯芳烃。 1 3 含杂原子的杯芳烃 杯芳烃母体中的酚氧原子属于硬配位原子。易与碱金属离子、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，则可以提高其与重金属离子、过渡金属 离子的配合能力。这在分析化学、环境化学和催化科学等领域都有着十分重要的意 义。从引入杂原子种类来分，含杂原子的杯芳烃可分为含氮、硫、硒、磷、硅以及 含钨杂原子的杯芳烃。除了从上、下缘引入杂原子外，也可以通过改变杯芳烃骨架 9 福建师范大学硕士学位论文 来引入杂原子，杂原子桥联的杯芳烃的合成一直处于杯芳烃化学的前沿，杯芳烃的 c h z 桥联基团被杂原子取代的研究是具有挑战性，因为此类杂杯芳烃可能会有一些 令人感兴趣的新性质。最早见报道的是s o n e 等合成的硫杂杯芳烃t h i a c a l i x 4 a r e n e t 6 2 】 和k o n i g 等合成的硅杂杯芳烃烃，如图1 8 ： s 图1 - 8 硫杂、硅杂杯芳烃 f i g 1 - 8t h i a e a l i x 4 a r e n ea n ds i h c a l i x 4 a r e n e 1 4 桥联杯芳烃 要利用杯芳烃作为分子平台构筑对特定客体具有选择识别能力的主体分子，就 须使所得的杯芳烃衍生物具有合适的空腔和确定的结构。杯 4 芳烃通过在其下缘引 入比乙基大的取代基即可阻止“t h e o x y g e n t h r o u g h t h e a n n u l u sr o t a t i o n 从而固定其 构象。但对于杯 6 芳烃而言，由于其空穴较大，环的柔顺性好，在其中不仅存在 “t h e o x y g e n t h r o u g h t h e - a n n u l u sr o t a t i o n 还有“p a r a - s u b s t i t u e n t - t h r o u g h - t h e a n n u l u s r o t a t i o n 6 3 1 ，因此分子间桥联和分子内桥联的竞争反应激烈。与杯【4 】芳烃相比，杯 6 】芳烃的选择性功能化相对困难和复杂，桥联反应固定构象和进一步制各成双杯 6 芳烃就较难。目前对杯 4 芳烃的桥联反应的研究已处于成熟阶段，但对杯 6 】、杯【8 】 等桥联反应的研究尚还处于发展阶段。 杯芳烃的桥联反应可分为上缘分子内、分子间桥联和下缘分子内、分子间桥联 这几种方式。有关杯芳烃桥联反应的报道较多，其中对杯芳冠醚和双杯芳烃的合成 及性能研究是研究热点之一。 1 0 第1 章绪论 1 4 1 分子内桥联杯芳烃 分子内桥联杯芳烃如杯芳冠醚，杯芳穴醚，杯芳球瑗等。广义上，冠醚用来表 示在环状结构中具有o 、n 、s 等给体原子的各种环状化合物。若环状多醚中的0 原 子全部被n 原子取代，则称之为氮杂冠醚。同时含多个杂原子的杯芳冠醚叫杯芳杂 冠醚。杯芳全氧冠醚通常是用杯芳烃与乙二醇，一缩二乙二醇，二缩三乙二醇，三 缩四乙二醇的双对甲苯磺酸酯反应来制备。多氮杂冠醚制备的一个合成方案是用杯 芳烃氨基衍生物与各种醛基反应生成西夫碱。 杯芳烃进行桥联反应将冠醚连引入杯芳烃后，杯芳冠醚及其衍生物的构象基本 稳定。杯芳烃和冠醚两个主体分子亚单元之间的协同作用使杯芳冠醚表现出与单个 杯芳烃或冠醚不同的性质和对某些客体更加优越的络合与识别能力。比如将氧杂、 氮杂冠醚等引入杯芳烃后，杯芳冠醚对c s + 、蜡、n i 2 + 等过渡金属离子的选择性和 萃取性能都有大大提高。高放废液( h l l w ) 中s r 2 + ，c s + 的去除对治理废水污染有 重要的意义【6 4 1 。杯芳冠醚化合物由于对c s + 具有极强的选择性和配合能力而受到广 泛关注，已成为从h l l w 中去除c s + 的研究热点。随着对杯芳冠醚化合物用途的开 发，尤其是杯芳冠醚化合物在h l l w 除c s 中表现出独特的应用前景 6 5 - 7 0 1 。 1 4 2 分子问桥联杯芳烃 分子间桥联杯芳烃如双杯芳烃，三杯芳烃等。双杯芳烃是杯芳烃家族中的重要 一员。它由两个杯芳烃单元通过化学键联结而形成，一般常有上缘一上缘、下缘一下 缘、下缘一上缘三种桥联方式【7 ，与单杯芳烃相比其结构更复杂，性质也更为丰富多 彩【7 2 1 7 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【7 3 刁4 】，还可表现出特殊的协同作用、更强的络合能力、交构象以及粒子震荡 等新的性质【7 5 7 6 】，具有作为某种分子器件的潜力【7 7 】。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【7 引。 双杯芳烃可以分为单桥联双杯芳烃和多桥联双杯芳烃，比如双杯 4 】芳烃可以为 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。 目前三桥联双杯【4 】芳烃只有一列报道【7 9 】。 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【8 0 1 。随着能包合富勒烯分子的双杯 4 】芳烃以及一些性能优越的 双杯 5 】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。以分子识别为基础和分子组装为手段、功能性杯芳烃聚集体的构筑和在液膜传 福建师范大学硕士学位论文 输、生物模拟和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。 1 5 功能化杯芳烃的分子和离子识别 所谓识别即是指主体( 受体) 对客体( 底物) 选择性结合并产生某种特定功能 的过程。杯芳烃以其大小可调的空腔，构象可变和易于修饰等优点，可借助于氢键、 静电作用、分子作用力、堆积等非共价键作用( 超分子作用) 来识别客体分子。 近年来，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【8 。1 等。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一直是众多研究者不断追求的目标。在杯芳烃上 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【8 2 1 、酰胺基、吡啶杂环【8 3 】 及s c h i f f 碱【8 4 1 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。其中 大多数研究都以杯 4 芳烃为分子设计的平台【8 5 1 ，而对空腔较大，构型易变的杯 6 】 芳烃或杯 8 芳烃作为构建超分子主体平台的研究相对较少。 1 5 1 功能化杯芳烃对阳离子的识别 杯芳烃对碱金属离子的识别作用，一般来说取决于杯芳烃或杯冠醚所提供的用 来与碱金属离子作用的空腔与碱金属离子的匹配程度。杯芳烃能够识别许多金属离 子，目前已经报道的有碱金属离子、过渡金属离子( 如：c d 2 + ，t i 4 + ，p d 2 + ，r u 2 + ，c 0 2 + ， f e z + 、a g + 等) 及副族金属离子( 如：u 3 + ，n 1 4 + ，e u 3 + 、和，r b 3 + 等) 。其在贵金属的提取、 分离、催化等方面具有广阔的应用前景。 碱金属离子是常见的球形客体，球形空腔主体对它们的识别能力优于平面主体。 一般来说，锥形结构的杯芳烃其下缘的酚羟基( 含衍生基团) 具有络合碱金属离子的 空腔。其选择性取决于空腔与金属离子的匹配程度。随着组成杯芳烃的母体单元数 的增加，其可以选择性识别的碱金属离子的半径也增加。另外，杯冠醚对碱金属离 子具有非常高的选择性识别能力，随着冠醚单元链节的增加，其依离子半径大小选 择性地与碱金属离子配位。 碱土金属离子也是常见的球形底物，但对其识别时不仅依靠空腔及静电等因素， 同时还取决于杯芳烃的取代基团与其相互作用的强弱。k u b o 等设计合成的杯 4 】芳烃 衍生物可作为c a 2 十选择性受体，s e o u n gh l e e l 8 6 】等同通过紫外光谱法研究了杯芳冠 醚对碱金属离子的识别作用。对碱金属和碱土金属离子的萃取能力取决于配体空腔 的尺寸。 1 2 第1 章绪论 副族及过渡金属离子也都是常见的球形底物，但对于它们的识别，除静电、空 间因素外，诱导及极化效应则属重要因素 8 7 - 8 8 】。将含氮原子的基团引入杯芳烃的上 缘或者下缘，可以形成具有不同结构的杯芳烃，用来作为过渡金属离子的配体，结 果表明，多种过渡金属离子均能与其形成配合物。r e m im 等【8 乳9 0 1 通过荧光光谱法研 究了带有四个丹酰基团的杯 4 】芳烃对金属离子的选择性识别，结果表明，杯 4 】芳烃 对p b 2 + 具有很高的选择性。 1 5 2 功能化杯芳烃对阴离子的识别 多年来杯芳烃在分子识别和阳离子识别方面取得了丰富的研究成果。目前，杯芳 烃在对阴离子识别方面的研究还比较少：一方面是因为识别阴离子的同时，要消除阳 离子的干扰；另一方面，阴离子的结构多变，有时不仅要实现多点识别，甚至还要 实现手性识别等。但随着主客体化学和超分子化学的发展，阴离子识别研究正成为 重要课题【9 1 - 9 4 。合成良好的阴离子受体，也逐渐成为杯芳烃化学的又一研究热点。 近几年含有胺基、酰胺基、毗咯基、脲基：硫脲基和氮杂冠醚等功能基团的对叔丁 基杯 4 芳烃衍生物对阴离子识别有相当多的报道【9 5 1 。含酰胺与冠醚组合基团的杯芳 烃是在杯芳烃上引入功能各异的基团可以使杯芳烃具有多种性质。k i m 等合成出具有 荧光性质的双功能杯 4 】芳烃。这种分子既有酰胺结构( 对阴离子识别) 又含有氮杂 冠醚( 对阳离子识别) 结构。正因为具有特殊的结构使得该分子对金属阳离子( p b 2 + 和c 0 2 + 等) 和阴离子( c h 3 c o o 一、h s 0 4 一、c 1 一、一o o c c 0 0 一、一o o c ( c h 2 ) 4 c 0 0 一、 f 一等) 都有着很好的识别作用【9 6 】。 含脲单元