（有机化学专业论文）基于模板的哑铃状环芳分子的设计与合成.pdf

硕上学位论文 摘要 本文在对环芳化合物的大量的文献调研的基础上，综述了环芳化合物的合成 以及它们在各个领域的应用研究。经过几十年的发展，环芳化学已经成为超分子 化学、分子识别学、有机催化剂的构筑学、分子接受器的模板构筑学、冠醚化学、 穴状配体的构筑学和富碳化学等领域的重要组成部分。以碳碳三键为桥联的环芳 化学，特别是富碳化合物和构型保持的大环类化合物研究，是现代环芳化学研究中 最引人注目的领域。 环芳化合物的性质取决于它的几何形状、电子效应和芳环上的取代基。三键 的刚性结构可以使大环骨架得以很好的扩展，而苯环可以控制三键桥联的方向， 从某种意义上决定了整个分子的形状。三键和芳香环的组合可以形成一系列形态 各异的平面或三维环芳化合物。通过c - c 的连接，各种芳香环可以组合成形状特 定的二维或三维的大坏化合物。它们在分子构型、分子手性、液晶材料和传感材 料等方面的潜在应用被广泛研究。其中一些高度不饱和的此类化合物被作为是有 序碳材料的前驱体。本文还进一步阐述了本实验室以前的工作，在此基础上设计 并合成了一系列新型的光学活性的环芳化合物及其衍生物。 第二章和第三章从( r ) 和( 2 ，2 羟基一l ，1 联萘出发，以具有双螺旋结构的环 芳化合物为哑铃的球体，刚性的苯基炔化合物为连接桥，通过s o n o g a s h i r a 偶联反 应成功地合成了几个光学活性的哑铃状化合物( r ，尸) 一和( s ，蚴7 9 8 2 以及螺旋单 元构筑的枝状化合物( r ，p ) 一和( s ，加一8 4 8 6 。目标化合物的结构都通过i r ，1 h n m r 和1 3 c n m r 分析得到确认，并且均进行了紫外一可见吸收光谱和圆二色谱分析。 并且通过c h e m 3 d 的计算得出，目标化合物的分子大小都达到了2 3 个纳米，从 而可以展望此类分子在纳米材料方面的应用。 关键词：联萘模板；光学活性；环芳化合物；双螺旋化合物；哑铃化合物；合成 i i a b s t r a c t t h es y n t h e s i so fc y c l o p h y n e sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n s i nv a r i o u sf i e l d sa r e r e v i e w e di nt h i sp a p e rb a s e d0 nal a r g en u m b e ro fr e f e r e n c e s a f t e rs e v e r a ld e c a d e s d e v e l o p m e n t ，t h ec h e m i s t r y o fc y c l o p h y n e sh a sb e c o m eam a jo rc o m p o n e n to f s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y , o fm o l e c u l a rr e c o g n i t i o n ，o ft h eb u i l d i n g b l o c k sf o r o r g a n i cc a t a l y s t s ，r e c e p t o rm o d e l s ，c r o w ne t h e r s ，c r y p t a n d s a n do fc a r b o n 。r i c h c h e m i s t r y t h ec h e m i s t r yo fc y c l o p h y n e sh a v i n gc a r b o n - c a r b o nt r i p l eb o n db r i d g e s h a sb e e no n eo ft h em o s ta c t i v e l yi n v e s t ig a t e df i e l d si nm o d e r nc y c l o p h a n ec h e m i s t r y ， p a r t i c u l a r l y i nc o n n e c t i o nw i t ht h ee v o l v i n gf i e l d so fc a r b o n r i c hm a t e r i a l sa n d s h a p e p e r s i s t e n tm a c r o c y c l i cc o m p o u n d s t h ep r o p e r t i e so fc y c l o p h y n e sa r ec h a r a c t e r i z e db yt h eg e o m e t r i ca n de l e c t r o n i c p r o p e r t i e so ft r i p l eb o n d sa n dt h es u b s t i t u t i o np a t t e r no ft h ea r o m a t i cr i n g s w i t h r e g a r dt ot h eg e o m e t r i c a lp r o p e r t i e s ，t h em a c r o c y c l i cf r a m e w o r k so fc y c l o p h y n e sc a n b e e x p a n d e db yi n c o r p o r a t i o n o ft r i p l eb o n d sb e c a u s eo ft h e i rl i n e a r i t y t h e s u b s t i t u t i o np a t t e r no ft h ea r o m a t i cr i n g s ，o nt h eo t h e rh a n d ，f i x e st h ed i r e c t i o no f t h e b r i d g i n gt r i p l eb o n d s ，d e f i n i n gt h ew h o l em o l e c u l a rs h a p e a sar e s u l t ，av a r i e t yo f t w o a n dt h r e e d i m e n s i o n a la r c h i t e c t u r e sc a nb eb u i l tb yc o n n e c t i n ga r o m a t i cr i n g s w i t ht r i p l eb o n dl i n k a g e s o nt h eo t h e rh a n d ，n o n p l a n a rm a c r o c y c l e so ft h i st y p eh a v e b e e ns t u d i e dw i t h r e g a r d t ot h e i rc o n f o r m a t i o n ，c h i r a l i t y ，a n d t h e i rp o t e n t i a l a p p l i c a t i o nt ol i q u i dc r y s t a l l i n e a n ds e n s i n gm a t e r i a l s s o m eh i g h l yu n s a t u r a t e d m e m b e r so ft h i st y p eo fc o m p o u n dh a v eb e e ns h o w nt os e r v ea sp r e c u r s o r so fo r d e r e d c a r b o nm a t e r i a l s t h ep r e v i o u sw o r ko fo u rl a bw a sd e s c r i b e d ，a n das e r i e so fn e w t y p eo fc y c l o p h y n e sa n dt h e i rd e r i v a t i v e sw e r ed e s i g n e da n ds y n t h e s i z e d i nt h es e c o n d c h a p t e r ， s e v e r a l e n a n t i o p u r e d u m b b e l l c o m p o u n d s ( 尺，p ) ，( r ，尸) 】7 9 8 2a n d d e n t r i t i cc o m p o u n d s ( 尺，尸) ，( r ，尸) ，( r ，尸) 】。8 4 8 6w i t hh e l i c a l u n i t sw e r es y n t h e s i z e df r o m ( r ) 2 ，2 d i h y d r o x y 1 ，1 - b i n a p h t h y l ( b i n o l ) b ys o n o g a s h i r a c o u p l i n gr e a c t i o n i nt h es t r u c t u r e so ft h e s ec o m p o u n d s ，c y c l o p h y n eb e a r i n gh e l i c a l s t r u c t u r ea n dr i g i dp h e n y l e t h y n y lw e r eu s e da st h eb a l lo fd u m b b e l la n dl i n k i n gb r i d g e a n dt h e i rs p a c em o d e l sw e r eg i v e nu s i n gc h e m 3 d t h em o l e c u l a rs i z e so fc o m p o u n d s 7 9 8 2a r e2 - 3a m ，w h i c hm a k e st h e s ec o m p o u n d sh a v ep o t e n t i a la p p l i c a t i o na s n a n o m a t e r i a l s k e yw o r d s ：b i n a p h t h y lt e m p l a t e ；e n a n t i o p u r e ；c y c l o p h a n e ；d o u b l eh e l i e a t e ； d u m b b e l l ；s y n t h e s i s i l l 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 弓瞻认 日期：口3 年弋月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 刷磁辄球l ，_ 一vi 、一- 一， 日期：。( 年1 1 月日 日期：b 、年6 月￥日 硕l 学位论文 第1 章绪论 1 1 环芳化合物的研究现状 近年来随着液晶材料和纳米的发展，合成了较大分子的环芳化合物，此类化 合物进行分子间单聚和二聚就有可能成为纳米材料，并且环芳化学已经成为超分 子化学、分子识别学、有机催化剂的构筑学、分子接受器的模板构筑学、冠醚化 学、穴状配体的构筑学和富碳化学等领域的重要组成部分。下面根据本文的研究 内容，本文将主要介绍炔烃基团链接的环芳化合物( c y c l o p h y n e ) 目前的研究现状。 1 1 1 笼状分子 笼状分子包括非手征性的笼状分子和手征性的笼状分子。到目前为止，化学 家们通过不同的途径合成了一些具有笼状结构的分子，其中的螺旋分子大部分为 外消旋混合物，只有极少量是光学纯的。迄今为止，文献报道的大部分环芳化合 物的合成都通过s o n o g a s h i r a 的偶联反应或着c u ( i i ) 催化氧化的偶联反应得到实 现。化合物d b a ( 1 ) 的成功合成表明了笼状环芳化合物的合成取得了很大的进步。 化合物1 的合成有三条途径：( 1 ) 卤代苯和乙炔的s o n o g a s h i r a 偶联反应u 一1 ；( 2 ) 通 过保护基导入与变换来控制性地合成十二单元环p j ；( 3 ) 最近发展的炔化物的烯 烃复分解方法【4 1 。前两种方法也被用于噻吩类似物2 2 】和3 【5 】的合成。通过 s o n o g a s h i r a 偶联反应，h a l e y 逐步精确地合成了化合物4 p 1 。通过方法( 3 ) ，利用连 续的保护基的脱去和环化反应制得了化合物8 。通过方法( 4 ) 的烯烃复分解反应， 不仅成功合成了化合物5 ，而且它的众多衍生物6 也被合成，同时也能合成更为复 杂的化合物4 和7 p j 。 吖伽弋 。 1 ) m e l ，d h c 三c h p d c l 2 ( p p h 3 ) 2 ，c u i 2 1 k 2 c 0 3 3 ) p d ( d b a ) 2 ，p p h 3 ，c u i 基于模板的特异构造环芳分了的设计j 合成 r r 2 rr r 5 3 6 4 7 a q k o h d e e n m e o c t n 3 c i8 r 2 r 2 u e a 。 y o u n g s 和t e s s i e r 极大地发展了【12 d b a 体系1 6 】，合成了化合物1 与众多过渡金 属元素诸如c o ( o ) 、c u ( i ) 、a g ( i ) 和n i ( 0 ) 的许多配合物9 1 3 【7 。1 1 1 。有意义的是，在 这些配合物当中，n i ( 0 ) 的配合物1 0 最终成功地开发利用成为半导体材料【l 2 ，j 。虽 然，拥有更长烷基侧链的化合物5 的衍生物6 和噻吩衍生物2 也被合成，但是它们都 没有表现出液相晶体的性能【1 4 06 1 。除了上述的化合物外，还有许多以单个c - c 键 链接的共平面的环芳化合物被合成并且进行了应用方面的研究i i7 - 2 2 1 。其中，h a l e y 通过连续的脱保护一s o n o g a s h i r a 偶联反应的方法成功地合成了诸如1 4 、1 5 、1 6 、 1 7 和1 8 【2 3 ，2 4 】多种形状地化合物，并且最终成功合成了拥有“p e r f e c tw h e e l ”形状的化 合物1 9 。另外，此类化合物的金属络合物也被b u n z 等人广泛研究【5 1 ，其中以下图 所列的化合物2 0 2 4 为代表【2 5 3 。由于此类化合物中金属芳香环比苯环更具有芳香 性，故它们被尝试用来合成球形或管状的全碳材料【3 2 , 3 3 】。 硕一f ：学位论文 9 盛s 遣邮f 1 0 1 1 1 2 1 3 由4 个或4 个以上芳香环组成的环芳化合物由于分子结构的相对灵活性，它们 当中的大多数化合物是以非共平面的结构存在的。它们扭曲的结构及由此而造成 的扭曲的兀体系和独特的性质都引起了化学家的广泛关注。x r a y 晶体结构表明化 合物2 5 是扭曲的马鞍状构型，而化合物2 6 是螺旋构型。但是，更大的十聚体化合 物2 7 的固相构型是不规则的，不再是有序的螺旋形状【33 。f a l l i s 等通过c u ( i ) 催化 的终端炔的氧化偶联反应，合成了许多结构扭f h j 的大环笼状化合物。但是，在这 种反应条件下，得到二聚产物的同时伴随着分子间环化反应的竞争 3 4 , 3 5j 。然而， 当化合物2 7 中f r j 的苯环被扩展为对苯二炔时，同样的c u ( o 催化的终端炔的氧化偶 联反应可以选择性地从化合物3 0 得到二聚体化合物3 1 。 1 71 81 9 基于模板的特异构造环芳分了的设计i 合成 r 2 5n = l 2 6n = 3 2 7 1 1 = 7 r r r r r 2 1 r 午弩旦 + i l ：| ： 幽 0 书 2 7 r r 在类似条件下，更多的化合物3 2 3 5 以较好的收率被合成3 6 御】。值得注意的是 化合物3 l 显示了良好的液状晶体行为，这表明从拥有扭曲的兀骨架的化合物中可 硕i ：学位论文 能能找到独特的液晶材料。当上述化合物的结构中的苯环被噻吩环和吡啶环取代 时，大量的含噻吩环和吡啶环的笼状化合物被合成【7 2 川1 。 r r r r 5 8 r r n 5 9 一般而言，环芳化合物中芳香环的数目大于一定数值时，其构型必定为扭曲 的。因为大环笼状化合物的非平面特性以及在大环骨架内部与外部可进行一些功 能化的修饰，所以最近十几年对此类化合物一的研究有飞速的增长。其在主客体 基于模板的特异构造环芳分了的设计与合成 化学中的结合位点，超分子结构的构建，在溶液、液晶、固体状态下的自组装和 在各界面的分子排序组织等方面都有着重大的研究价值7 5 铘】。最近s c h l f i t e r 全面报 道了关于不饱和大环化合物的合成策略。通过s o n o g a s h i r a 偶联反应 7 9 - 8 1 】和 e g l i n t o n 的偶联反应【8 引，许多更大的和更复杂的环状化合物相继被合成8 3 。8 引。化 合物5 8 及其许多类似物被合成并用于其自身积聚的研究8 5 埘】。研究的结果表明， 由于7 r 7 c 电子的堆积作用，它们当中的很多化合物有很强的自身积聚的趋势，从而 使分子自身成为有规则的序状排列。通过选择性的结合使用t m s 基团保护端基炔 和叠氮基保护芳基碘的策略，m o o r e 成功地合成了具有特定纳米尺度的大环化合 物5 9 8 8 9 1 1 。 通过具有特定尺寸和几何大小的吡啶衍生物与底物中金属卟啉单元的络合作 用，s a u n d e r s 合成了有特定尺度的含卟啉结构单元的环芳分子6 0 和6 1 f 9 2 。9 5 1 。利用 此法甚至可以合成更大的含卟啉结构的环芳化合物【9 6 , 9 7 。中间含m 的环为金属卟 啉环。 6 1 7 6 硕十学位论文 当苯环被噻吩环或吡啶环取代时，与化合物7 6 【9 8 1 类似的许多大环化合物被合 成。化合物7 6 的内穴的直径达到了3 n m ，是一个很好的主体化合物。由于分子中 含有硫元素，它与很多的金属离子有很好的络合作用。分子间大兀共扼的存在， 导致分子间有很强的团聚效应，可以聚集成隧道型的或者纳米管状的组装体。而 且，此类化合物由于能够提供多个拥有独立电压的空洞，从而表现出很好的电化 学氧化还原活性【9 9 - 1 0 。 当手征性单元被引入后，环芳分子就具有了光学活性，在光学和谱学上表现 出特有的性质。a n 和o t e r a 等【3 9 1 以手征性联萘炔为模板，芳基炔为连接桥，合成 了一系列具有光学活性的笼状化合物3 6 3 9 。 除了以联萘为结构单元的笼状大环化合物外，y a m a g u c h i 等【4 0 1 合成了以光学 纯的手性苯并菲为单元的手性大环化合物4 0 ，并且研究了它们在溶剂中自身团聚 的立体选择性。研究结果表明光学纯的大环分子自身团聚能力比相应的消旋体分 子更加强。 r 4 u 1 1 2 螺旋状分子 螺旋分子包括单螺旋分子、非手征性的双螺旋分子、具有单一手性的双螺旋 分子等等。到目前为止，化学家们通过不同的途径合成了一些具有螺旋结构的分 子，但有关的研究报道还非常有限。并且所获得的螺旋分子大部分为外消旋混合 物，只有极少量是光学纯的【4 1 1 。 基于模板的特异构造环芳分了的设计| 了合成 v o l l h a r d t 及其合作者【4 2 】报道了第一个具有螺旋手性的 7 p h e n y l e n e4 1 的合 成，【n p h e n y l e n e s 包含交替的n 个苯环与n 1 个环丁二烯环结构。当n 5 时，分子 结构因为立体效应产生螺旋，因而具有螺旋手性。当1 1 = 7 时，首尾两个苯环重叠。 这已经通过n o e 谱得到验证。此外，他们还报道了 8 】- ， 9 】- p h e n y l e n e 的合成【4 引。 k a t z 等【4 4 】设计并合成了由稠环芳烃构成的单螺旋分子。在2 0 0 0 年，r a j c a 和合作者 一起合成了一类新型的噻吩环的低聚物，分子内噻吩环交叉共轭而形成螺旋形状 【45 1 。s l a v e n 等【4 6 】以联萘酚衍生物为母体，以炔键为联结子，合成了单螺旋分子4 3 。 这里，起始原料联萘衍生物的光学性质决定了4 3 的螺旋手性。这些物质在新型非 线性光学传导材料、分子识别的主体以及不对称催化中的手性链等方面有潜在的 应用价值。 4 1 弭弧一郇二一 嘭明瞰三r m s 4 2 船 双螺旋分子的合成目前研究的相对较多。形成双螺旋结构的一种较为有效的 方法就是利用具有官能基的链状分子与金属离子进行络合自组装( s e l f - a s s e m b l e ) 。 上个世纪8 0 年代末，l e h n 等【4 7 】设计并合成了具有三个联吡啶单元的链分子4 4 ，并 利用它与c u ( i ) 或者a g ( i ) 的络合反应得到了一种双螺旋结构配合物4 5 ，称为双股双 螺旋配合物( h e l i c a t e s ) 。在它们的结构中，具有配位效果的两条链缠绕着金属离子 产生配位，从而自组装成了左旋和右旋的三核双螺旋分子。这种由分子链和金属 离子的络合反应导致的自组装被称为螺旋化。然而，利用这种方法合成的双螺旋 硕j ：学位论文 化合物都是以消旋体的形式存在的，无法对它们进行进一步的光学性能方面的测 试。 4 4 一嚣+ 嚣 鬈澎 分子内双螺旋化合物在合成上本来就具有很大的难度，而要同时得到它们的 旋光活性的对映异构体则更加困难。在2 0 0 2 年，a n 和o t e r a 等【4s l 利用单一手征性 的( 尺) 和( 回2 ，2 二乙炔基联萘为模板，以空间定向性好的间苯为连接桥，成功地 合成出具有相反螺旋手性的分子内双螺旋化合物4 6 。这里，( 尺，p ) 4 6 和( s ，4 6 是 一对光学活性的对映异构体。旋光度和圆二色谱的分析以及x 射线晶体结构测定 证明了分子的双螺旋结构。这是首例以对映异构体形式报道的分子内双螺旋化合 物。此外，他们还进一步引入吡啶单元，成功地合成了结构类似的分子内双螺旋 化合物4 7 t 4 引。 ( r 尸) - 4 6 a ：x = h ( r 即- 4 6 b ：x 2 n 0 2 x 假m 4 6 a ：x 2 h 胸一4 6 b ：x 2 n 0 2 ( r p ) 一4 7 1 1 3 哑铃状和枝状分子 哑铃状和枝状分子由于其结构的优美和在分子机器等领域的应用，引起了很 多化学家的关注。但是，手征性哑铃化合物由于其合成的高难度性，迄今为止， 对它的合成研究报道的仍然很少。y a m a g u c h i 等人对化合物4 0 进行了更深的研究， 把化合物4 0 作为一个砌块合成了更大的手征性的化合物4 8 ，4 9 5 0 1 。通过温度变 化的c d 和1 hn m r 谱图可以揭示不同异构体在溶液中的聚集状况，发现某些化 合物是以两分子聚集的，而有一些化合物是以三分子聚集体存在 5 1j 。以柔性链连 接的化合物倾向于分子内不同环状片断的聚集，而以刚性链连接的化合物倾向于 幕下模板的特异构造环芳分了的设计j j 合成 分子间环状片断的聚集，而且三聚体枝状化合物4 9 在溶液当中不以单分子形式 存在，而以强烈的双聚体形式存在。2 0 0 3 年，f r i t zv o g t l e 等【52 j 报道了一个拓扑 有趣的手征性哑铃状分子的合成，并期待此分子能在分子机器研究领域得到应用。 如图所示，他们以手征性分子结化合物5 0 作为哑铃状分子的球状体，从而为整 个分子引入手性元素。再通过对化合物5 0 的选择性脱保护基的方法，产生有反 应活性的基团，然后通过直线分子连接桥链接成为哑铃状分子5 l 。 x 4 8 硕上学位论文 一k 冀。 | l | 1 2 环芳化合物中模板的应用 环芳化合物的合成方法一般是四种：( 1 ) s t e p h e n s c a s t r o 偶联法；( 2 ) s o n o g a s h i r a 偶联法；( 3 ) 保护基的控制性导入与变换法；( 4 ) 烯烃复分解方法。但 是，化学家们可以通过不同的合成策略来达到合成环芳化合物的目的。这些合成 策略包括：( 1 ) 模板法环化；( 2 ) 热力学可逆法环化；( 3 ) 芳烯环的脱氢法环化； ( 4 ) 沉淀生成的炔交换法环化。在本文我们只讨论模板法在环芳化合物的合成中 的应用。下面对此三类模板进行介绍： 1 2 1 金属离子模板 金属离子由于能在预先指定的几何形状中集结并与配置的配体产生所谓的 基于模板的特异构造环芳分了的设计弓合成 “模板效应”，因而在索烃、轮烷以及分子结的设计与合成研究中受到重视。图1 1 表示了利用金属离子模板法来构筑索烃的概念。这两种途径都形象地表明：首先 具有配位效果的开链分子通过金属离子的模板效应进行集结( 形成形态稳定的配 合物) ，然后开链分子环合成索烃配合物，脱去金属之后即可以得到索烃。 s t r a t e g ya ，一) 一 + + ：) 一 c 审 图1 1 金属离子模板的合成索烃示意图 以c u ( i ) 为模板来制备 2 】索烃最早的工作是由s a u v a g e 等【5 3 】开始的。他们发 现，在c u ( i ) 的三维模板效应下，两个2 ，9 二羟苯基1 ，1 0 菲咯啉配体以互相垂直的 方式与金属配位。模板效应使两个配体在与连接链偶合时仍保持相互交织状态， n m r 亦确定出其十分特殊的拓扑学结构特征。他们认为该络合物正是模板法合成 索烃的一个非常完美的前体。按照路线a ，他们成功的制得了含铜离子的索烃5 2 。 其中第一步的收率为1 0 0 ，第二步为2 7 。最后在k c n 的作用下脱除c u ( i ) ，即可 得到相应的索烃。 【c u ( c h 3 c n ) 4 】+ 硕l 二学位论文 c s 2 c 0 3 _ 。_ _ _ - 。- _ _ - _ _ 。_ - 。_ _ _ _ - ，_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - 。_ _ i - c h 2 ( c h 2 0 c h 2 ) 4 c h 2 一i 1 2 2 大环冠醚模板 加供体受体法是以大环冠醚为模板，通过模板与底物间的强电子转移作用， 使底物与模板先形成一个类轮烷超分子体系，再进一步关环得到索烃。这种方法 也在合成轮烷方面得到了广泛的应用。尽管在体系内存在富电子的环醚与缺电子 的芳香体系的相互作用是这类体系的一个重要特征，但是通过一系列的研究，科 学家们认为这个组装更多的依赖于氢键相互作用。在1 9 8 9 年，s t o d d a r t 等1 5 4 1 报道 了一个通过石一供体受体法合成2 索烃】的实例。乙腈溶液中室温下搅拌联吡啶盐 化合物和对苯二撑3 4 冠10 ( b p p 3 4 c 10 ) 的混合物，然后加入过量的1 ，4 - - ( 溴甲基) 苯搅拌4 8 小时，通过简单的后处理后可以以7 0 的高收率得到目标产物5 3 。此 索烃呈深红色，表明电子转移相互作用( c h a r g e t r a n s f e ri n t e r a c t i o n ) 的存在。但是联 吡啶结构中亚甲基上的氢与环醚上的氧原子之间的氢键也有可能在此物质的形成 中起了重要的作用。 1 2 3 联萘模板 手性联萘衍生物最早是作为手性配体，在不对称催化领域被广泛应用。自2 0 世纪8 0 年代起，n o y o r i 的科研成果在同本被大规模采用，用于生产香料和香味 薄荷醇。并在抗炎镇痛的药物( 固萘普生的生产中得到应用 5 5 , 5 6 j 。b i n a p 在学术 和工业上的成功应用使人们对联萘类手性磷配体的研究兴趣经久不衰。c o o k e 和 h a r r i s 就研究了光学活性的1 1 联萘 ( 尺) 或( 回5 5 】外消旋作用的动力学机制【5 7 1 。 他们发现在5 0 0 c 时，5 5 的外消旋作用半衰期是1 4 5m i n ， g 律= 2 3 5k c a l m o l 。 幕于模板的特异构造环芳分了的设计勺合成 19 7 1 年，p i n c o c k 发现，当从熔融态结晶时，5 5 自发地产生了光学活性的尺或d 对映异构体。p i n c o e k 做了两百次结晶实验，发现产生优势的尺或娶异构体的几 率是相等的【5 8 】。当5 5 的2 ，2 位被引入官能团时，1 ，1 联萘的手性构型变得非常 稳定。例如：在d m f 中， ( 研5 6 1 即便在1 7 5o c 下也不发生外消旋化”引。y a m a d a 等则通过对( 尺) ( + ) 一5 7 进行x 射线衍射分析，并与其它联萘分子的相互关系进行 比较确定了它的绝对构型 6 0 1 。在( 尺) 5 7 中，两个萘环所夹的二面角约为7 7 度。 队眨 p 恕 0 i 丁i p a r 2 5 4 ( r ) - b i n a p5 4 ( 研- b i n a p f ( | s ) - 5 5 5 6( 尺) 。【+ 卜5 7 由于2 ，2 二取代1 ，1 联萘衍生物在手性构型上的高度稳定性，它们已经被广 泛应用于控制许多不对称过程，并在有机合成中显示出许多显著的手性特征。如 c r a m 的研究结果表明手性联萘冠醚可以有效地对外消旋苯基苷氨酸酯进行拆分。 并且在某些m i c h a e l 力l l 成反应中加入手性联萘冠醚可以增加立体化学的有利因素， 对映体的选择性几乎达到1 0 0 ，若没有此因素则趋向形成一个加成产物的外消旋 混合物。 1 3 研究的内容及意义 11 3 1 研究内容 由文献中的哑铃状化合物受到启发，联系到本实验室合成的双螺旋化合物。 若双螺旋化合物的间位苯环基团上留有活性基团，然后通过连接桥的链接作用， 将会合成一类新型的光学活性哑铃状和枝状化合物。但此前合成的双螺旋化合物 硕一j ：学位论文 均以光学纯的2 ，2 二乙炔基1 ，1 一联萘为模板合成，原料的合成路线较长，且不适 合实验室大量制备。因此我们选用了商业可得的2 ，2 二取代一l ，1 联萘二酚为模 板，引入间位含有活性基团碘构筑了一类新型的双螺旋化合物。再在通过 s o n o g a s h i r a 偶联反应条件下引入苯炔体系作为连接桥，成功地设计并合成了几个 光学活性的哑铃状化合物手性螺旋切块全为( 月，一和手性螺旋切块全为( s ， 加7 9 - 8 2 以及螺旋单元构筑的枝状化合物手性螺旋切块全为( 足，p ) 和手性螺旋切 块全为( s ，加8 4 8 6 。 区函l 8 4 = 颞8 5 = 州 8 6 = 冷 基于模板的特异构造环芳分子的设计与合成 1 3 2 研究的意义 手征性哑铃化合物由于其合成的高难度性，更重要的是它们独特的结构特征 预示出这类化合物作为新型功能材料的应用潜力。通过温度变化的c d 和1 hn m r 谱图可以揭示不同异构体在溶液中的聚集状况，发现某些化合物是以两分子聚集 的，而有一些化合物是以三分子聚集体存在。以柔性链连接的化合物倾向于分子 内不同环状片断的聚集，而以刚性链连接的化合物倾向于分子间环状片断的聚集， 因此环芳哑铃状的化合物有可能成为纳米材料。 硕f ：学位论文 第2 章光学活性的哑铃状合物的合成 近年来，联萘酚由于其在商业上方便易得，因而在不对称催化以及在合成液 晶材料和纳米材料方面得到了广泛的应用。k y o t a n i 等在以联萘酚为模板合成的双 螺旋化合物的基础上，引入了液晶单元，合成了新型的光学活性液晶材料【6 1 , 6 2 1 。 构造有趣的哑铃状化合物由于其结构的独特性，在分子器械上的应用一直是广大 化学家关注的焦点。手征性哑铃化合物由于其合成的高难度性，迄今为止，对它 的合成研究报道的仍然很少。由于双螺旋化合物的两个苯环连接桥可以很方便的 引入活性基团。再通过连接桥的链接作用，将会便捷地合成一类新型的手征性哑 铃状化合物。因此，本文设计并合成了由联萘酚为手性模板，带有活性基团( 碘) 的间位取代苯为连接桥构筑的手征性双螺旋化合物。再通过s o n o g a s h i r a 偶联反应 引入不同的连接桥，成功地合成了几个光学活性的哑铃状化合物手性螺旋切块全 为( 足，竹和手性螺旋切块全为( s ，加7 9 8 2 。 2 1 光学活性的螺旋切块及目标化合物的合成研究 目标化合物由两部分组成：手性“哑铃头”和手性“螺旋杆”。由于要合成相 同连接桥和不同连接桥两种双螺旋化合物，我们设计了两种不同的关环模式。在 合成相同连接桥双螺旋化合物时，采用一步引入两个苯环连接桥，由化合物6 4 和 联萘二酚在碳酸铯催化下四个反应点同时反应，一步生成含两个相同苯环连接桥 的双螺旋化合物6 6 。化合物6 6 在s o n o g a s h i r a 反应条件下与t m s a 发生偶联反应， 制得化合物6 7 ，在四氢呋喃甲醇体系中用过量的碳酸钾处理6 7 ，几乎定量地得到 脱去一s i ( c h 3 ) 3 保护基得到化合物6 8 。 对含有不同连接桥的双螺旋化合物，我们不可能一步引入两个不相同的苯环 连接桥。因此我们通过酚羟基的氯甲醚选择性保护，制得化合物6 9 。再与化合物 7 0 反应，先引入一个间位没有取代基的苯环连接桥，得到了化合物7 l 。氯甲醚保 护极易在酸性条件下水解还原为羟基，因此在四氢呋喃甲醇体系中，用稀盐酸处 理化合物7 1 ，几乎定量地得到了化合物7 2 。化合物7 2 在碳酸铯催化下，与化合物 6 4 经分子间成环反应成功制得含有不同苯环连接桥的双螺旋化合物7 3 。与化合物 6 8 的制备类似，化合物7 3 经s o n o g a s h i r a 反应引入t m s a 后再脱去s i ( c h 3 ) 3 保护，成 功制备了化合物7 5 。 基于模板的特异构造环芳分了的设计j 合成 尽众半b 也，霉：器 p d ( p h 3 p ) 2 c 1 2 ，c u i ，t m s a i - p r 2 n h , t o l u e n e ，7 5 0 c b r b ， 7 0 hc s 2 c 0 3 ，n i f ，5 0 。c 6 4 ( 心p ) - 6 5 x ( r , p ) - 6 6 ，m e o h ( ( 凡r , p p ) ) - 6 6 8 7 ：x x ：- - h t m ( 9 s 2 ) i 肉 b 卜太久启 鲤 c s 2 c 0 3 ，t h f ，5 0 。c ( r , p ) - 6 5 ：x = o h ， (r，,pp)7)-721：yy：=。oh(90mom(7(ilp)-69：x=omom(75)hci m e o h 1 d r ) - l i ) l ) ， ，d 、，v n i _ i ，o n o z 、7 0 ， p d ( p h 3 p ) 2 c 1 2 ，c u l ，t m s a i - p r 2 n h ，t o l u e n e ，7 5 0 c m e 0 h ( ( r r , 肛p ) - 7 7 5 4 ：x x = ：t h m ( 9 s 2 ) 图2 1( r ，p ) 模型的螺旋切块6 8 - 7 5 的合成 我们设计哑铃及枝状化合物均以苯炔体系作为双螺旋结构的连接桥，所以目 标化合物的合成都是由合成的片段中间体经过s o n o g a s h i r a 偶联反应得到。双螺旋 分子7 3 分别与连接桥7 6 发生s o n o g a s h i r a 偶联反应制得哑铃状化合物5 8 ，5 9 ；与7 3 ， 6 8 发生s o n o g a s h i r a 偶联反应后，分别得到了哑铃状化合物6 0 和含有三个双螺旋单 元的线状化合物6 1 。图2 1 为手性螺旋切块全为( 足，p ) 构型的目标化合物的合成， 手性螺旋切块全为( 墨加构型的目标化合物的合成与手性螺旋切块全为( 月，一构 型的目标化合物的合成类似， 这些生成最终目标化合物的s o n o g a s h i r a 偶联反应，有的是高位阻分子间偶联， 有的含有多个反应点的。为了提高反应产率，我们将偶联反应中的含炔基部分的 化合物溶液滴加到过量的含碘代芳烃类化合物中。实验证明，此操作可减少末端 硕l 学位论文 炔偶联副产物的生成。 ( ( 凡p ) ，( r ，p ) ) - 8 1 a ：p d ( p p h 3 ) 2 c 1 2 ，c u l ，p h m e ，i - p r 2 n h ，8 0o c 【( k p ) ，( p ) ( k p ) ) - 8 2 图2 2 螺旋切块全为( r ，p ) 的目标化合物7 6 8 2 的合成 2 2 本章重要反应及应用结果讨论 本章目标化合物的合成路线较长，主要涉及到苯环上碘的亲电反应、苯环上 的氨基的消除反应、氨基的叠氮化反应以及竞争的s o n o g a s h i r a 反应等。其中大部 分反应在前面已经介绍过，本章介绍以下三种反应。 2 2 1 威廉姆逊成醚反应 在螺旋切块6 6 ，7 3 的合成中多次应用了威廉姆逊乘幂反应。一般而言，制取 醚类物质的方法很多，基于实验室的反应条件，我们采用了经典的威廉姆逊合成 法： r , o o + r 2 x 卜r l o r 2 + x o 这类反应是应用卤代烃的亲核取代反应来制备混合醚，一般是s n 2 反应，其 反应历程可表示如下： q 工一卜+ o r hx2cxi t ) k 2 t b 汁 。卜 k +x r 2 基于模板的特异构造环芳分了的设计0 合成 这个反应中，亲核试剂底物可以是卤代烃，还可以是磺酸酯、硫酸酯等物质。 由低级醇合成醚常用过量的醇作溶剂，分子量大的醇则必须要另加溶剂，如d m f ， d m s o 等。在这里我们合成时加入适量的t h f 作溶剂即可，温度控制在5 0 ， c s 2 c 0 3 做碱，同时对反应有催化作用，两原料按1 ：l 参加反应。 2 2 2e g l i n t o n 偶联反应 在目标化合物8 0 的合成中应用了e g l i n t o n 偶联反应，产率为2 0 ，e g l i n t o n 偶 联反应是以端炔基为原料，在化学计量醋酸铜作用下，合成具有含1 ，3 丁二炔共 轭结构单元化合物的反应【6 3 , 6 4 】经改进后的各类端炔烃偶联反应已应用于新型液 晶材料【6 p 6 8j 的合成中反应历程如下： c u ( o a c ) 2 r h p y 面e o h r m ( 一r 再三j ) h 二聚 r rr 通过文献查阅，我们发现标准e g l i t i o n 偶联条件经常用于氧化偶合制备环炔 类化合物。t o b e 6 9 1 在合成杂环芳环化合物( c y c l o p h a n c ) 6 2 时，采用的是e g l i n t o n 分子内偶联反应，最后一步成环收率可以达到5 0 。 r r 忆 在合成目标化合物8 0 时，产率并不高，主要是因为在合成中由于化合物分子 体积过大导致较大的位阻，反应速度慢时间长，从而造成副反应多，所以反应产 率不高。 2 2 3s o n o g a s h i r a 偶联反应 在合成目标化合物7 9 ，8 1 ，8 2 时多次用到了s o n o g a s h i r a 偶联反应，s o n o g a s h i r a 偶联反应是在p d ( 0 ) c u ( 1 ) 的催化下，卤代芳烃或卤代烯烃与端基炔烃能够发生反 应，并给出偶合产物。这是制备非端基炔的一个很重要的方法。下图表示了这种 反应的机理。首先催化量的c u i 和炔反应生成炔铜，炔铜与p d ( p p h 3 ) 2 c 1 2 发生金属转 硕十学位论文 移化反应，再进行还原消除得至l j p d o ( p p h 3 ) 2 。然后零价的钯与r x 发生氧化加成， 接着与另一当量的炔铜发生金属转移化反应，最后再发生还原消除，生成偶联产 物，同时再生成零价钯，从而完成整个催化循环。此类反应中经常有少量的炔的 二聚物( d i m m e r ) 生成。胺在反应中起着非常重要的作用，首先胺可以促进炔铜的 产生，其次可以吸收反应中产生的卤化氢。 p h 3 p p d n c l p h l p 一 c l p h p h 3 3 p ，p p d u c c 暑= c cr i r r i c 兰c c - 7 c r p h 3