（有机化学专业论文）Ⅰ含氟枝状化合物功能分子的研究Ⅱ有机电双稳态材料的合成研究.pdf

摘要 k 上个世纪末到本世纪初，有机化学与材料科学、生命科学的交叉越来越紧 密，入们越来越重视有机化合物的结构与材料性能、生理活性的关系。基于这样 的背景，有机化学工作者的目光更多的集中于有机功能分子的设计、合成与构效 关系的研究。本论文将介绍两方面的工作，一是含氟枝状化合物功能分子的研究， 二是有机电双稳态材料的合成研究。土 本论文的第一部分介绍了含氟枝状化合物功能分子的研究。枝状化合物是近 二十年来兴起的一类新型有机功能分子；同时，含氟化合物以其特殊的物理性能 和生理活性而受到广泛重视，我们将这二者结合，着重设计、合成了两类含氟枝 状化合物，一类以季戊四醇及其衍生物为基本骨架，另一类以苄醚结构为基本骨 架。在这两种结构中，含氟芳环作为含氟功能基团位于枝状分子的外围或中心， 分子的氟含量大于3 0 矗州 还初步讨论了苄醚类含氟枝状化合物作为低表面能 材料和不对称环氧化催化剂载体的应用前景。 本论文的第二部分介绍了有机电双稳态材料的合成研究。全有机集成电路的 发展需要设计合成新型的有机电双稳态材料，我们突破传统的有机电子材料t t f 和t c n q 分子架构，以季戊四醇为中心骨架，在两边分别嫁接具有不同电特性 的功能基团，设计了集授受电特性于单个分子的四硫杂螺环电子给体一受体单有 机分子，并详细研究了不同底物和反应条件对产物的影响，设计了两条合成路线， 为进一步工作打下基础。 关键词：含氟功能分子i 枝状化合物j 有机电双稳态材料： a b s t r a c t i n c r e a s i n g l y ，o r g a n i cc h e m i s t r y i s h a v i n ga ni m p a c ti no t h e rf i e l d s ，s u c ha s m o t e t - i ns c i e n c ea n db i o l o g y t h er e s e a r c he m p h a s i si no r g a n i cc h e m i s t r yh a sr e c e n t l y s w i t c h e dt oa ne x p l o r a t i o no ft h ep r a c t i c a lu s e f u l n e s so fo r g a n i cc o m p o u n d s t h u s ， t h e r eh a sb e e nm u c he x c i t e m e n ta b o u tt h ed e v e l o p m e n to fo r g a n i cf u n c t i o n a l m o l e c u l e sd e s i g n e dt op e r f o r mf u n c t i o n so rp o t e n t i a la p p l i c a t i o n s i nt h i st h e s i s ，w e m a i n l yd i s c u s st w ok i n d so fs u c hc o m p o u n d s ，t h e ya r ef l u o r o - c o n t a i n i n gf u n c t i o n a l d e n d r i m e r s ( a b b r e v i a t e da sf d e n d r i m e r s ) a n do r g a n i c e l e c t r i cb i s t a b l es t a t e s m a t e r i a l s f u n c t i o n a ld e n d r i m e rh a sb e e nt h ef o c u so fm a n ya s p e c t so fo r g a n i cc h e m i s t r y o nt h eo t h e rh a n d ，i th a sb e e nk n o w nf u rm a n yy e a r st h a tf l u o r i n ec a l lh a v ep r o f o u n d e f f e c t so nm o l e c u l a ra c t i v i t y t h eu n i q u ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec fb o n dh a v er e s u l t e d i nh i 曲l ys i g n i f i c a n ta d v a n c e si nm a n ya r e a si n c l u d i n ge l e c t r i c s ，m e d i c i n e ，a g r i c u l t u r e ， h e a l t hc a r e ，a n dm a t e r i a l s w em a i n l yd e v e l o pt w ok i n d so ff l u o r o c o n t a i n i n g d e n d r i m e r s f - d e n d r i m e r sw i t h p e n t a e r y t h r i t o lb a c k b o n ea n dp o l yb e n z y l e t h e r b a c k b o n ew e r ed e s i g n e da n ds y n t l l e s i z e di nt h ef i r s t p a r t o ft h i st h e s i s f l u o r o a r o m a t i cg r o u p se i t h e ri nt h ew e d g e so ri nt h ec o r eo ft h ef d e n d r i m e r sg i v e t h et a r g e t sh i g hd e n s i t yo ff l u o r i n e t h ep o t e n t i a la p p l i c a t i o no fp o l yb e n z y l e t h e rt y p e f - d e n d r i m e ra sl o ws u r f a c e e n e r g ym a t e r i a l sa n dc h i r a ld e n d r i m e r i cc a t a l y s tf o r a s y m m e t r ye p o x i d a t i o nw e r ea l s od i s c u s s e d t h ea d v a n c e si nm i c r o e l e c t r o n i cd e v i c e sa n dc i r c u i t sh a v ee l i c i t e dc o n s i d e r a b l e e f f o r t so nt h ed e s i g na n ds y n t h e s i so fo r g a n i ce l e c t r i c a lb i s t a b l es t a t e sm a t e r i a l st h a t a r eo fp o t e n t i a lu s ei nn o n s i l i c ab a s e dm e m o r yd e v i c e t h es e c o n dp a r to fo u rw o r k d e a l sw i t ht h es u l f u r c o n t a i n i n gs p i r oa r m u l a t e dm o l e c u l e sw i t hu n s y m m e t r i c a l s t r u c t u r e n e wm o l e c u l e sw i t l le l e c t r i cd o n o ra n da c c e p t o rg r o u p si no n em o l e c u l a r u n i tw e r ed e s i g n e da n dt h es y n t h e s i sc o n d i t i o n sa n dr o u t e sw e r es t u d i e di nd e t a i l k e y w o r d s ：f l u o r o - c o n t a i n i n gf u n c t i o n a lm o l e c u l e s ，d e n d r i m e r , o r g a n i ce l e c t r i c a l b i s t a b l es t a t e sm a t e r i a l s i i i 含氟枝状化合物功能分子的研究 复旦大学硕士学位论文 第一章 第一章前言( i ) 1 - 1 枝状化合物研究背景简介 1 9 7 8 年，v o g t l e 等人首次合成了类似树形物的多臂多胺分子，从此开辟 了枝状化合物化学( d e n d r i m e rc h e m i s t r y ) 这一有机化学的新领域。1 9 8 5 年， n e w k o m e 等人报道了他们合成的枝状醇类化合物( n e w k o m ea r o b o l ss y s t e m ) 1 2 1 ， 随后t o m a l i a 等人报道了枝状酰胺化合物( p o l y a m i d o a m i n e ，p a m a m ) ，目前已合 成到第十代产物【3 ，并且成为第一个商品化的枝状化合物。近二十年来，各种类 型的枝状化合物不断被合成出来，如硅烷类【4 】、硫醚类【”、链烷类1 6 、芳烃类1 7 】 枝状化合物等。枝状化合物( d e n d r i m e r s ) 已经成为上个世纪末到本世纪初不断 蓬勃发展的一类新型有机化合物。1 9 9 3 年，在美国丹佛召开的美国化学会全国 会议上，枝状化合物的合成及其功能被列为专题讨论【”，表明枝状化合物的发展 已引起化学家的广泛重视。 r 哎 弋“k n 、c 0n 一 ” 心。、夕一“，c o 一 品 r n 一、n c 、n 州“一 j 。厂一分”n 心 州厂“ 厂厂黜r 、洲错呲倒 复旦大学硕士学位论文 第一章 芳烃类枝状化合物【9 含有杂原子的枝状化合物【1 0 枝状化合物具有确定的三维空间大小、形状和拓扑结构。与传统的有机小分 子相比，它具有较大的分子量和分子形态的多变性；与传统的线形高分子相比， 它具有从中心向外发散的空间拓扑结构，其外端接入的基团数呈等倍数增长，但 分子量分布极窄。在枝状分子中，有多个互不缠绕的分支链，分子末端的官能团 都具有相同的微观环境。 由于枝状化合物分子形态的均一性和规整形，枝状分子的结构与功能的关系 可以被更为精确地表达出来。目前，枝状化合物的研究已经涉及无机化学、有机 化学、高分子科学、生命科学、材料科学、医药科学等许多领域。 卜2 枝状化合物的分子设计 枝状化合物一般由三部分组成，即母核( c o r e s ) ，构架砌块( b u ii d i n gb l o c k s 或连接臂，a r m s ) ，和表面基团( s u r f a c eg r o u p s ，w e d g e s ，e n d s ) 。结构示意如 下： c fb b ( s ) 。 ) 。 c = c o r e b = b u i l d i n gb l o c k s = s u r f a c eg r o u p 将特定的功能基团引入到枝状分子的不同部位，可以赋予分子特定的功能。 这些功能基团包括发色团、离子载体、受体、催化活性位、电子材料、分子识别 成分等。 构建枝状功能分子往往通过以下两种途径： ， 塞墨查堂堡：! ：堂垡堡奎 一墨二要 ( 1 ) 枝状分子表面的大量活性反应位为作用点连接目标功能基团。 ( 2 ) 在功能母核周围嫁接枝状分子片段。 此外选取不同的构架砌块可以通过改变分子的溶解度、提供不同的作用位点 等方式来帮助实现枝状化合物的分子功能( 图l 1 ) a 因此，选用不同的母核、构架砌块和表面基团，并进行排列组合，就可以极 大限度地扩大分子形态的多样性，进而实现分子功能的多样性。 桊米。 图1 - 1 功能基团位于枝状化台物的不同部位示意图 1 - 3 枝状分子的合成方法 枝状化合物的合成，简单来说，就是以可重复的反应步骤分步合成，经过一 个反应周期，创造新一代的化合物。由于枝状分子高度有序，以定向辐射形式增 长，所以至少在最初几代的化合物中，在小分子上可以进行的反应，在枝状分子 的表面同样可以进行。 在枝状化合物的合成方法中，发散法( d i v e r g e n tm e t h o d ) 和收敛法 ( c o n v e r g e n tm e t h o d ) 是两种较为传统的方法。随着枝状化合物化学的不断发展， 又逐渐派生出交替加速合成法( a l t e r n a t i v ea c c e l e r a t e ds y n t h e t i c a p p r o a c h e s ) 、金属配位法和固相合成法( s o l i d p h a s es y n t h e s i s ) ，现分别简 介如下： ( 1 ) 发敞法 发散式合成法是上个世纪七十年代末、八十年代初( 即枝状化合物发展的早 期) 发展起来的一种枝状化合物合成法，v 6 9 t l e ”、n e w k o s e 2 1 、t o m a l i a i3 1 、等 人在这方面作出了杰出的贡献。 运用发散式合成法，反应从带有若干个反应活性位( f r ) 的小分子c ( c 。r e ) 开始，选择合适的反应使这些反应活性位与构架砌块b ( 8 u i l d i n gb l o c k ) 反应。 在这里，b 除了拥有与f r 反应的作用点f c 外，还要拥有至少2 个被保护的官能 团f p 。f p 脱保护后成为f r ，在下一个反应周期中，继续与b 中的f c 反应。如 此循环，反应点不断增多，枝状分子不断“长大”。发散式合成法示意图见图卜2 。 星呈盔堂堡圭堂堡丝塞一! ! 二重 t r f r 十一 f r c c o r e ( g a c t i v a t i o n f ur t h e rg r o w t h - - - - - - - - - _ 2 n dg e n e r a t i o n ( g 2 ) 图1 2 发散法合成枝状化合物示意图 ( 2 ) 收敛法 上个世纪九十年代初，f r 6 c h e t “ ，m i l l e r ”】，n e e n a n ”】等人分别报道了一 种新的枝状化合物合成法。与发散法“由内向外”的策略恰恰相反，收敛法采取 “由外及内”的合成策略。简单来说，它主要包括两步：( 1 ) 通过保护一去保护 的策略重复反应形成枝状分子的一部分；( 2 ) 将二个或二个以上的这种部分嫁接 在一个拥有多个反应活性位的母核上。收敛法示意图见图卜3 。 f d f r 盖! 一 c o u p l i n g a c t i v a t i o n ( 3 ) 交替加速合成法 扣喜 f c f c + 一f c f c f d f d 1 s tg e n e r a t i o n ( g 1 ) 图 - 3 收敛法合成枝状化合物示意图 f p - 弋f p 卜n f p f 。 f c f c 。l f c f c 2 n dg e n e r a t i o n ( g 2 ) 复旦大学硕士学位迨交 第一章 交替加速合成法( 见示意图卜4 ) 实际上是发散法和收敛法的综合。首先， 通过收敛法形成一个相对较小的枝状分子，在它的表面有多个反应活性位；接着 把这个小的枝状分子作为母核，将前一步合成的片段嫁接在上面，最终形成高代 数的大的枝状分子。 f d f r c o u p l i n g 甄丽 ! 什 f p f cf c h y p e r c o r e 叫如 一一f r a n c h o r i n g 丽而矿 f p 厶f n i 丽而 n g 图1 - 4 交替加速合成法合成枝状化合物示意图 ( 4 ) 金属配位法 含有金属的枝状化合物被称为金属枝状化合物( m e t a l l o d e n d r i m e r s ) 1 3 1 金属可能存在于枝状分子的中心或表面，也可能出现在支链中。在这种合成法中， 枝状化合物其实也是以发散的形式增长，但是涉及到金属的连接是通过金属配位 键而不是共价键。金属的引入使得枝装化合物增加了许多不同寻常的光电性质、 氧化一还原性质以及催化性能【1 4 】。 ( 5 ) 固相合成法“” 在发散法和收敛法的基础上，f r 6 c h e t 1 6 】，d a m h a 1 7 1 等人又报道了发散式固相 合成法( d i v e r g e n ts o l i d p h a s es y n t h e s i s ) 和收敛式固相合成法( c o n v e r g e n t s o l i d p h a s es y n t h e s i s ) ( 图卜5 ) 。固相的引入使得枝状分子的缺陷减少，分 子形态更加完整，分离纯化也变得简单。 叉。 墨呈盔兰堡主堂垡堡塞! ! 二至 f p f c 人f c c l e a v a g e f r o ms u p p o r t 图1 - 5 收敛式固相合成法合成枝状化合物 卜4 枝状化合物功能分子 枝状化合物与自然界的树木、珊瑚、神经网络、细胞天线等在形状上具有共 同特点，这引起了化学家的丰富联想，猜测其可能具有独特的性能。现在，枝状 化合物的研究重点早已不再是单纯地构键高代的、庞大的分子，而是将功能基团 ( f u n c t i o n a lg r o u p ) 与枝状结构结合起来，寻找具有应用潜力的枝状化合物功 能分子( f u n c t i o n a ld e n d r i t i cm o l e c u l e s ) 。 在高分子材料方面，1 9 9 3 年，m 儿l e r 和n e e n a n 报道了一类芳基醚类枝状化 合物的合成“。这种化合物可做工程塑料。它与高聚物相比，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 转变成枝状化合物的形式，使其粘度降低3 0 ，而其它性质没有改变悼j 。 基于功能枝状化合物的分子电子材料的研究也在迅速发展。以枝状结构为骨 架，将现有的并且具有良好光电特性的小分子作为功能基团嫁接到该骨架的内部 或周边，可以获得具有新光电性能的材料【1 9 】。 致糟v s 夏： 闰y s 弋p 8 0 杈页： 在生命科学和医药科学方面，枝状化合物也有广泛的应用前景。由于枝状化 合物的特殊结构和相应的合成方法，使其能够被合成出分子量在2 0 0 0 一5 0 ，o o o 之间的具有确定结构的分子。以前有机化学家合成的多为分子量小于2 ，0 0 0 的化 合物；高分子化学家合成的多是分子量大于5 0 ，0 0 0 的高分子化合物，而活的有 机体合成的多是分子量在2 ，0 0 0 5 0 ，0 0 0 之间的具有严格结构并具有特殊生理性 能的化合物，因此，枝状化合物对于生命科学有重要意义。枝状化合物分子量与 6 复旦大学硕士学位论文 第一章 抗体相似，并且分子中有很多空穴结构，因此它可做药物或缓释剂等。n e w k o m e 合成的带有饱和碳氢骨架的一系列枝状分子，可在其亲油性骨架的适当位置接受 氯化四环素等作为客体，缓慢释放。 r r n e w k o m e 等报道的具有药物缓释胶囊作用的饱和碳氢骨架类枝状分子 一直以来，含氟化合物以其独特的生理和物理性能受到科学家的广泛重视 2 1 l ，但含氟枝状化合物少有报道。将氟原子引入枝状骨架，必将引发一系列有 趣而独特的性质。我们的工作旨在设计并合成一系列含氟枝状化合物，并讨论了 其作为低表面能物质和特殊催化剂载体的应用前景。 复旦大学硕士学位论文 第二章 第二章季戊四醇类含氟枝状化合物的设计与合成 由于季戊四醇的中一t l , 季碳原子处于四面体的中心，往四个方向延伸可以得到 空间上对称性较高的分子，因此在枝状化合物的合成及研究中，具有季戊四醇或 类似结构的化合物经常被用做构建枝状分子的中一f l , 基团。在此基础上，季戊四醇 及其衍生物被广泛应用于枝状化合物的合成。例如，h a l l 与t o m a l i a 合作，以季 戊四醇为构架砌块，用一个双环原酸酯暂时保护季戊四醇的三个羟基，经过三代， 便得到具有1 0 8 个末端官能团的分子【2 ”。w a r r e ntf o r d 等人报道的以季戊四醇 为母核和构架砌块的季铵盐类枝状化合物，在枝状分子的外围，有3 6 个 r n + ( m e ) 3 i 。基团【2 3 j 。 本章我们将讨论以季戊四醇，1 ，l ，1 三羟甲基乙烷，1 ，l ，1 一三羟甲基丙烷，二 缩季戊四醇和三缩季戊四醇为基本骨架，在这些骨架上引入含氟功能基团的枝状 化合物的设计与合成。 2 - 1 季戊四醇类多氟代芳醚的设计与合成 如前所述，季戊四醇具有高度对称的特点；与它具有类似骨架的l ，l ，1 三羟 甲基乙烷和i ，i ，1 - 三羟甲基丙烷在结构上少了一个羟基官能团，从而空间对称性 也有所降低，以它们为骨架的产物的对称性也有所降低。我们分别选用这三个多 醇为母核，预计得到空间对称性不同，从而结晶性，熔点等也会有所区别的枝状 化合物。选作母核的三个多醇分别为： 在这些母核上嫁接多氟代苯酚作为含氟功能基团： r 并。hh 并。h 墨垦盔堂堕主堂垡鲨塞翌三童 由多元醇的苯磺酸酯与多氟代苯酚的钾盐经过亲核取代反应，得到了三类多 氟代芳醚类化合物，合成路线如s c h e m e 2 1 所示。 c ( c h 2 0 h ) 3 r 1 p h s 0 2 c c ( c h 2 0 s 0 2 p h ) 3 r 、 2 t g d m f l 一c ( c h 2 0 a r f ) 3 r k o h 5 a f f o ha r f o k j c h ，0 h 34 r = c h 2 0 s 0 2 p h ，2 a ( 2 4 】a r f = c 6 f 5 r = c h 2 0 a r f ，5 a 1 2 4 1 a r f = c 6 f 4 h ，r = c h 2 0 a r f ，5 d 2 4 l m e 2 b m e 5 b m e 5 e e t ，2 c e t ，5 c e t ，5 f 由于氟原子的电负性较大，对苯环上n 电子的诱导效应较强，所以在反应时 我们使用强碱k o h 将含氟苯酚制成酚钾盐，以提高酚氧基的亲核取代活性，反 应条件也就相应地要求严格无水无氧。反应中我们选用四缩乙二醇二甲醚( t g ) 作为主要溶剂，它对钾盐的溶解性好，并具有络合钾离子的作用，使酚氧基的氧 原子充分裸露，进一步提高了反应活性。 以季戊四醇为母核的多氟代多芳醚5 a ，5 d 由于对称性较高，熔点也较高，分 别为1 1 2 1 1 4 c $ d9 2 9 4 。c 。化合物5 a 的x 一射线单晶衍射数据证明其单晶具有c 2 c 空间群【2 4 】。以l ，l ，l 一三羟甲基乙烷，l ，l ，1 三羟甲基丙烷为母核的多氟枝状分子 5 b ，5 c ，5 e ，5 f 对称性较5 a ，5 d 低一些，它们的熔点也相应地低了很多，接近室温， 无法准确测量。 2 - 2 季戊四醇类多核枝状分子的设计与合成 h 皎孓。孓。善。ho h o h l ，n 。i 。 6d p e 7t p e 复旦大学硕士学位论文 第二章 我们分别将二缩季戊四醇和三缩季戊四醇作为母核，嫁接含氟砌块，如五氟苯酚 ( 3 a ) 和2 ，3 ，5 ，6 一四氟苯酚( 3 b ) ，合成具有双核和三核的含氟枝状分子。 由于二缩季戊四醇和三缩季戊四醇在水和一般的有机溶剂中溶解性很差，所 以我们选用溴乙酰溴 o b r h 2 c c b r 作为二( 三) 缩季戊四醇与含氟苯酚的连接臂2 ”。溴乙酰溴含有两种不同活性 的溴，其中的乙酰溴活性更高，在二( 三) 缩季戊四醇溶解度很差的情况下( 乙 腈作溶剂) ，仍可以与羟基反应生成化合物8d p e b r 6 和9t p e b r 8 。 b r b r 4 c o 、c o 0 1o ? o b r 、c o ，r 。7 、o c v 卧 o 、o 、o o c 、o c b r b r 8d p e - b r s b r b r b r 0 ( c o c o c o oo 、qq 卧u 。7 。0 乙。o c 、。， o c oo c ：。o c o o b r b ， b r ， 9 t p e - b r 8 嗍詈。鼍一r 逸。黟 d p e ! 生兰兰! ，一r po ，1 。x 6 二二。史u l 。l = - u r 咪6 f f 。摹、，玲： n 蔷。h 器h 罄。k8 ：。孵2 一甲： r 麟黔 t - i 复旦大学硕士学位论文 第二章 9 t p e 型生：! ：坠t p e b r 8 7 p yc h 3 c n 9 f ff o k 1 1t p e - ( a r f 5 ) 8 s c h e m e2 2b 1 2 - 3 季戊四醇类高代枝状分子的设计与合成路线探索 为了获得更高代的多氟代枝状化合物，我们采用发散式的合成路线，以季戊 四醇为母核，以1 ，l ，l 一三羟甲基丙烷作为构架砌块，以含氟苯酚为末端功能基团， 尝试构建具有高度含氟分支的枝状分子。 在这里，我们采用对构架砌块保护去保护的合成策略( 图2 1 ) 【2 2 l ，用苯甲 醛对1 ，1 ，1 一三羟甲基丙烷中的两个羟基进行保护，形成一个缩醛六元环。在碱性 条件下，缩醛六元环非常稳定，不会分解，而在温和的酸性条件下，很容易分解。 所以可以很方便地脱去保护基，这样就引入比原来母核多两倍的羟基，从而得到 更高代的枝状分子。 堡呈查堂堡主兰焦堡塞! 三重 匦蚋o h ) n nc o n v e r s i o nt or e a c t i v ef u n c t i o n 固一x ) n n “一固啪州o n 州m m a 咖m o n 叵卜。一圃) 。 叵 ( o - - r - - ( o h ) 。) 。 t og e n e r a t i o n2 图2 - 1 对构架砌块保护一去保护的合成策略 遵循以上合成策略，我们设计了以下合成路线( s c h e m e2 - 3 ) 。在合成过程 中，首先将母核季戊四醇1 a 进行官能团转换。考虑到在亲核取代反应中，溴是 比苯磺酸酯更易离去的基团，我们通过两步反应，将季戊四醇变为季戊四溴。同 时，用n a i l 把被保护的构架砌块1 2 做成钠盐，并使用用钠无水处理过的溶剂一 缩二乙二醇二甲醚，以增加钠盐的溶解性。在1 2 的钠盐的一缩二乙二醇二甲醚 溶液中，室温下滴加1 3 的一缩二乙二醇二甲醚溶液，回流( 1 4 5 ) 2 4 小时， 经过后处理，可得化合物1 4 ，但是产率非常低。化合物1 4 在浓盐酸、甲醇、水 的体系中回流4 8 小时，得到关键中间体1 5p e - ( o h ) 8 ，目前进一步工作仍在继续。 o ( c h 2 c h 2 0 m e ) 2 c ( 邺x 昔c ( h ：c x 0 半 n i i i u 本章小结 a r f o k t g ，d m f 1 6 1 ) 季戊四醇，l ，1 ，1 一三羟甲基乙烷，1 ，l ，1 一三羟甲基丙烷等多醇为母核 苯酚为外围功能基团，合成了枝状多氟代多芳醚化合物。 2 ) 二缩季戊四醇和三缩季戊四醇为母核，多氟代苯酚为外围功能基团 多氟代 合成了 多核含氟枝状化合物。 3 ) 以季戊四醇为枝状分子的基本骨架，运用对构架砌块保护一去保护的合成策 略，进行了发散法合成含氟高代枝状分子的探索。 复旦大学硕士学位论文 第三章 第三章苄醚类含氟枝状化合物的设计与合成 3 - 1 苄醚类高代含氟枝状化合物的构建 在以季戊四醇为基本骨架的枝状化合物中，母核和构架砌块都是烷基链，本 章我们选用芳香族化合物为技状分子的基本单元，以获得具有不同骨架的枝状化 合物。对于这类枝状化合物，我们分别运用了发散法和收敛法两种合成策略，进 行高代枝状分子的构建。发散法中所用的构架砌块为化合物1 7 ，收敛法中所用 的构架砌块为化合物2 2 ，1 7 和2 2 的苯环骨架上均连接有两种不同的官能团，1 7 中的c h 3 为被保护基团审，通过溴化可转化为活化基团f r c h 2 b r ；2 2 中的 一c h 2 0 h 为印，通过溴化可转化为f r c h 2 b r 。所以在这两种方法中，均以苄基 溴和酚羟基的反应为基本单元。 3 - 1 1 发散法 h 3 c o h 1 7 c h 3 hh 从三个反应位点的中心母核三氯均三嗪出发，在其外边嫁接具有二个苯甲基 的构架砌块1 7 ，从而形成具有六个潜反应位点的第二代枝状化合物的前体1 8 【2 6 j ， 将这六个潜反应位点溴化口7 1 ，成为具有六个溴苄基的1 9 ，可以很方便的与含氟 苯酚化合，形成第二代含氟枝状分子。如果1 7 与1 9 继续偶合( c o u p l i n g ) ，就可 以实现枝状分子的迸一步增长( s c h e m e3 - 1 ) 。 o h 1 7 h 3 c 丫气y c h 3 u 等糕坠。可。p 叫3 阼g 4 0 0 邺d 占6 h 3 复旦大学硕士学位论文 第三竞 b r7 c 、f 、一cb r ym 一罴怒一。：。幽。9 吒r b r7 c 1 n ，ob r o h 2 、 b r c h 2 但是，在实验中我们发现，第二步溴化的条件很难控制。用n 一溴丁二酰亚 胺( n b s ) 作为溴化试剂，偶氮二异丁腈( a i b n ) 2 8 】或过氧化苯甲酰( b p o ) p l 作为自由基反应引发剂，在不同光照时间下反应后，用1 hn m r 谱( 6 0 m h ，1 进行产物分析，可以看出，苯甲基总是不能被完全溴化，甚至在某些反应条件下， 未被溴化的苯甲基，一溴代的苯甲基，二溴代的苯甲基同时存在。表3 1 给出了 不同反应条件下一c h 2 b r 与c h 3 的比例。 壹3 1 _ 不同反应条件对化合物1 8 溴化产物的影响 溶剂n b se q u v 3引发剂光照条件 回流反应时间 ( h r ) 5 4 5 2 0 4 0 1 2 4 c h 2 一b r ：c h 3 菇 c c l 4 c c l 4 c c l 4 c c l 4 6 2 4 6 6 8 1 0 a i b n + b p o 紫外 a i b n 自然光 a i b n 紫外 b p o 自然光 b p o 自然光 2 ：1 1 ：3 24 ：1 1 ：2 1 8 ：1 b 一旦g k一 ! !旦! q i ! ! 型旦堡堑 垫2 ：! a 以化合物1 8 计为l e q u i v ；b6 0 m h z1 h n m r 显示出现c h b r 2 产物 3 - 1 2 收敛法 从3 - 1 1 可见，发散法在化合物增长过程中反应位点逐渐增多，就会导致 一些问题的产生。首先，在末端的任何未完全进行的反应都可能导致下代产物 的缺陷或下一步反应的失败，而且发生这种情况的几率随着代数的增加而增大： 其次，为了减少副反应和促进反应的完全发生需要加大反应试剂的用量，由此可 能导致产物的分离纯化困难。 复旦大学硕士学位论文 第三章 与发散法相对应的收敛法，相对而言每次涉及的反应点数目少，可以减少缺 陷的产生，所以我们同时尝试用收敛法构建高代苄醚类含氟枝状化合物。与发散 法从母核出发相反的是，收敛法对于枝状分子的构建是从目标产物的外层或表面 开始的，并且每次分子的增长只限制在有限数量的反应位点上。我们参考f r 6 c h e t 苄醚的构建方法，3 0 3 4 1 ，用3 ，5 二羟基苄醇2 2 作为单体( m o n o m e r ) 【3 5 。38 1 ，含 氟苯酚作为表面功能基团( a r f ) ，含氟联二苯酚作为母核( f c o r e ) ，通过重复的 多步反应，得到不同代数的含氟枝状分子，它们的中心和外围均含有氟原子，最 大的分子中含有8 8 个氟原子。合成路线如s c h e m e 3 2 。 f f f 2 5 a ( a r f 5 ) 2 一( g 一1 ) - o h2 6 a ( a r f 5 ) 2 - ( g - 1 ) 一b r 2 5 b ( a r f 4 ) 2 ( g - 1 ) - o h2 6 b ( a r f 4 ) 2 一( g 一1 ) - b r r - - 溪甘_ o o ，罄。 2 2 7 7 a ( a r f s ) ) 4 r - ( f g g - 2 2 ) ) - o h b ( a r f , o h2 7、f g 2 、 ff 2 8 a ( a r f s ) r ( g 2 ) - b r 2 8 b ( a r f ) 4 - ( g - 2 ) b r 罄r 一 罄 f 9 蔷 罄 星呈盔兰堡主兰垡丝塞 兰兰童 f f f w 矿r f o - 、 n 弋庐 ，弋，- fo j 诊 ff 臂。 驴5 ff ff pf o ff ff ff 2 9 ( a r f s ) 8 一( g - 3 ) 0 h w h e r e l h h f ff f o ff 0 f 臂 5 硌牛p 趴。 妒 吣 星呈盔兰堡主兰焦鲨皇 一j ! 三兰 事鼍0 。v 洲掣虻0 。v 0 。渊8 c o o h c o o m e c o o m e l i a i h 4 e t 2 0 h 2 2m o n o m e r 2 1 作为单体的3 ，5 二羟基苄醇在苄醚类枝状化合物的合成中起了重要作用( 合 成路线见s c h e m e 3 3 ) ，它的结构使得反应更方便地进行。它具有两种性质的羟 基，即酚羟基和苄醇羟基，在一定的碱性条件下，可以控制溴代物只与酚羟基反 应而不与苄醇羟基反应，所以在第i 步偶合的过程中，苄醇羟基不用保护，省去 了保护脱保护两步反应，使得合成的总产率提高。 ( g x ) 一o h 的合成，我们选择的反应条件是i i ，即以碳酸钾( k 2 c 0 3 ) 作 为碱试剂，四氢呋喃( t h f ) 作为溶剂，在氮气保护下回流4 8 7 2 小时。同时， 使用二苯并1 8 一冠。6 作相转移催化剂，大大提高了反应产率。柱分离纯化后得到 f g x ) 一o h ，反应的产率随着代数的增加而减小( 表3 2 ) 。 化合物名称反应时间( h r )产率( ) 2 5 a ( a r f s h - ( g 1 ) o h 7 28 8 2 7 a ( a r f s ) 4 - ( g 一2 ) - o h 4 87 7 2 9f a r f s ) s - f g 一3 ) 一o h4 86 9 对于( g x ) o h 的溴化，我们选择的溴化试剂为c b r 4 p p h 3 3 9 ，在室温下可以很 方便地得至i j ( g x ) 一b r ，随着代数的增加，溴化试剂的用量成倍增加，反应时间也 有所延长( 表3 3 ) 。从( g 一1 ) 一o h 到( g 1 ) 一b r 的转化，只用1 2 5 e q u i v ( 以( g x ) 。o h 计为l e q u i v ) 的c b r 4 和p p h 3 即可得到较高的转化率( 薄层层析显示) ；对于第 二代溴化物的合成，需要1 2 5 2e q u i v 的c b r 4 和p p h 3 ；对于第三代，则需要1 2 5 3e q u i v 的c b r 4 和p p h 3 ，分三次加入，方能较好的转化。 墨呈盔兰堡主堂堡堡塞 篓三堡 化合物名称c b r 4 和p h 3 pe q u i v 。 反应时间( r a i n )产率( ) 2 6 a ( a r f s ) 2 - ( g 、1 ) 一b r l2 51 47 7 2 8 a ( a r f s ) 4 - ( g - 2 ) - b r i2 5 2 3 46 6 3 0 ( a r f 5 ) 8 - ( g 一3 ) - b r 1 2 5 3 5 56 2 a 以( g x ) 一o h 为l e q u i 计算 对于( g x ) f c o r e ( x = 0 ，1 , 2 ，3 ) ，即f 1 8 ，f 2 8 ，f 4 8 ，f 8 8 这一系列具有c 2 对称 性的含氟枝状分子的合成，即( g x ) b r 与含氟母核八氟联二苯酚的偶合，采用与 ( g x ) - o h 合成的类似的方法，即反应条件( i i i ) ( s c h e m e3 - 4 ) 。它们的合成产率 也随着代数的增加而下降( 见表3 4 ) 。 2 4 ( a r f 5 ) 1 - ( g - 0 ) 一b r 2 6 ( a r f s ) 2 - ( g - 1 ) - b r 2 8 ( a r f 5 ) 4 ( g - 2 ) b r 二里一 f 玲y 勰e fe f 。一雉； 5 敝。，罄o o飞? 一一玲戮q ， r 癸一一飞泌 。签， ff 3 2 ，罄， f 6 ：k q ，o ，罄， 磁渺 c jo p 瞄 f f f ff 3 3f 4 8o r ( a r f 5 ) a - ( g - 2 ) - f c o r e f 1 9 f c r o q 醛 墨里盔堂堡主堂垡鲨塞复i 翌 1 1 1 。 3 0 ( a r f 5 ) 8 - ( g 一3 ) 一b r 一 喵 咚岔5 f o 讨 f 汾0 f o - f f ff 0 f f f f f t j i o 0 冷l o ? ff f f f f f f 吨 f o f ff 3 4f 8 8o r ( a r f 5 ) 1 6 一( g 一3 ) 一f c o r e f o i i ，h 。! i ：；= - 蛰。h k ：c 。，。：。，s 。，。与，t h r s c h m e m3 4 表3 - 4f 1 8 。f 8 8 系列化合物反应时间、产率比较 ff f f f f 化合物名称 反应时间( h r )产率( ) 3 lf 1 84 84 0 3 2f 2 84 83 3 3 3f 4 87 23 0 3 4f 8 87 22 5 罄一罄一罄罄 i l 厂 i l 厂f p 罄r专之。 罄 令 。p 冷 西o q 鹫 罄一 、o 。公 q d 矿 f f 鹫罄 复旦大学硕士学位论文 第三章 3 - 2 表征问题 从第0 代到第三代的苄醇，溴化物以及与母核化合后得到的最终产物，在物 理性质上变化明显( ( g o ) o h 和( g o ) 一b r 由于在分子结构上不具备可比性，它们 的命名只为叙述方便，在这里不作讨论) 。f 1 8 为白色粉末，熔点为8 6 c ；( g 一1 ) - o h ， ( g 1 ) 一b r ，f 2 8 和( g 一2 ) o h ，( g 2 ) 一b r ，f 4 8 均为白色固体，但它们的熔点接近室 温，无法准确测量；而( g 一3 ) o h ，( g 一3 ) b r ，f 8 8 均为无色粘稠油状液体。以上 含氟枝状化合物均易溶于苯、氯仿、二氯甲烷、四氢呋喃、乙酸乙酯等溶剂，不 易溶于石油醚等链烷烃。 枝状化合物的合成，以巧妙的技巧为背景获得成功，它的表征方法也有其特 殊之处。传统的有机化合物的表征方法，在表征苄醚类枝状化合物的过程中，有 时会显得无能为力，例如红外光谱，因为在目标分子中存在着大量苯环，所以从 ( g x ) 一o h 到( g x ) b r 再到( g 一( x + 1 ) ) 一o h 这样一种相对整个分子来讲很小 的宫能团的变化就不能在红外光谱中被明确地显示出来；又如元素分析，化合物 ( a r f 5 ) 8 一( g 3 ) 一o h 和f 8 8 的c ，h ，o ，f 的含量都非常接近，f 含量相差1 1 9 ， 而c 含量只相差o 2 3 ，o 含量只相差o 1 8 ，1 4 含量也只相差0 1 8 ，但其 分子结构又有很大差异。 含氟枝状化合物较大的分子量也给质谱分析带来定困难。由于含氟系列枝 状化合物中大量氟原子的存在，使得第一代化合物f 2 8 分子的分子量就已有 1 4 1 4 7 8 ，第二代f 4 8 和第三代f 8 8 的分子