（有机化学专业论文）四氮杂杯芳烃和四氮杂环蕃的合成研究.pdf

西北大学硕士学位论文 摘要 超分子化学是化学领域的一门交叉学科，与材料科学、信息科学、生命科学等学科 紧密相关，处于当代化学前沿。具有分子识别能力的人工有机化合物的设计、合成与应用 是有机化学和超分子化学的研究热点之一，在分子识别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、环糊精、杯芳烃、环蕃作为主客体化学最具有代表性的主体 化合物在基础研究和许多领域都取得了令人瞩目的成果。 杯芳烃是“新型”的具有独特空穴结构的大环化合物。利用“片段偶联合成法”，可 以合成一系列空腔大小可精细调控的新型杯芳烃。以简单易得的价廉原料、在温和的条件 下高效和高产率地合成了氮原子桥连杯【n 】芳烃 2 】三嗪化合物，由于其在功能上容易进一 步修饰和改造的特点，杂原子桥连杯 n 】芳烃【2 】三嗪大环主体分子可望在分子识别与传感、 超分子组装、模拟酶和催化等方面的研究中得到广泛应用。本文第一部分对氮杂杯【4 】芳烃 2 】三嗪化合物和氮杂杯 2 】芳烃 2 】三嗪化合物等几种化合物进行了合成，并通过i r 、 1 h n m r 、m a l d i t o f 对其进行表征。 四氮杂环蕃是环著中一类重要的化合物，也是主客体化学中可以充当主体的一类化 合物，作为人工模拟酶，利用它本身所具有疏水性空腔，根据环的形状、大小以及静电作 用等俘获不同种类的有机分子，形成主客体包结物。改变氮杂环蕃化合物的形状以及引 入活性基团，可改善该类化合物的水溶性，从丽构成不同的具有协同包结和多重识别功能 的活性中心，形成不同包结性能的主体，与客体形成超分子体系，实现酶功能模拟和分子 识别e 本文第二部分对l ，6 ，2 0 ，2 5 一四氮杂【6 1 6 1 】对环蕃( c p 4 4 ) 进行修饰的方法进行了改 进首先对4 ，4 - 二氨基- 二苯甲烷进行修饰，然后关环得到相应产物l ，6 ，2 0 ，2 5 四乙氧羰基 甲基- 1 ，6 ，2 0 ，2 5 四氮杂 6 1 6 1 】对环蕃。 关键词：超分子化学，杯芳烃，氮杂杯 n 】芳烃【2 】三嗪化合物，合成，四氮杂环蕃 堕些查堂夔主堂堡堡苎 一一 a b s t l ? a c t s u p r 鼬o l e c u l a rc h e i n i s t r yi sa c r o s ss u b j e c ti nc h e m i s 臼w 址c hi sc o n t a c t 谢t hm a t e r i a l s c i e n c e sa 1 1 di n f 0 肌a t i o ns c i e n c e s ，l 腩s c i e n c e s ni si n 血em 曲e s tn i 曲to fc h e m i s t r y i n o 礓a l l i cc h e m i s 时a 1 1 ds u p 眦1 0 1 e c u l a rc h e r n i s t 吼o n eo ft l l ee x p l o s i v es t u d i e sa r em ed e s i g no f a n i n c i a lo 唱a i l i c c o m p o 吼dw l l i c h h a sm o l e c m a rr e c o g l l i t i o np r o p c n i e s ，s y n t h c s i sa i l d a p p l i c a t i o n t h e b a s i cc h a r a c t e r i s t i ci ns u p r 锄o l e c u l a rc h e m i s n yc o m e si r l t o b e i i l g t l l e h o s t - g u e s tc o m p l e xo nm eb a s i co fm 0 1 e c u l 8 rr e c o g f l i t i o n a s 也eh o s tc o m p o u n d s ，f o re x 啪p l e c r o w ne t l l e r s ，c y c l o d e x 埘n s ，c a l i x a r e n e s ，c y c l o p h a n e sw h i c ht a k eo u ti n t e r e s t m ga c h i e v e m e n t s i nal o to fs n l d i e s c a l i x a r e n ei sar i n gc o m p o u n dw 曲u n i q u ec o n f o r i n a t i o h a la n dc a v i t ys t n l c t u r e s as e r i e so f n e wc a l i x a r e n e sw h i c hk i v e6 n e - t u i l e dc a v i t i e sa r es y n t h e s i z e db yaf a g m e n tc o u p i i n g a p p r o a c h an u m b e ro fa z a - b r m g e dc a l i x 嘲缸e n e c 2 】t 出l 五n e sh 州eb e e ns 灿s i z e d 硅h o u 豳 c h e a pr a wm a t 嘶a l ，a l lu i l u s u a l l yh i 曲y i e l d i n ga n de m c i e n c yi ng e n t i ec o d i t i o n t h e a z a _ b r i d g e dc a l i x m - a r e n e 【2 】t r i a z i n e s 谢l lb eo b t a 证e dw i l d 印p l i c a t i o ni n l es t u d i e so f m o l e c m a rr e c o g i l i t i o n ，s e n s i n g t e c h n o l o g y ，s u p m m o l e c l l l a ra s s e m b l y ，m i m i ce n 可m e a l l d c a 诅l y s i s ，也o u 曲b e i ge 觞yt 0m o d i f i c 8 t i o n 蛐dr e c o n s 咖c t i o ni nf u n c t i o n i nt 1 1 ep a r t 1 ，恤e a z a - b r i d g e dc a l i x 4 】a r c n c 【2 1 啊铊i n e sa 1 1 da 盟- b r i d 薛dc a l i x 2 1 a r e n e 【2 1 t r i a z i n e sw e r es y n t l l e s i 别 a l l dc h a 砌：t e r i z e db ym s ，ma n d1 h n m r t b 拄a a z a p a r a c y c l o p h a n ei sak i n do fi m p o r t a mc o m p o u n di nc y c l o p h a n e ，矾dak m do f c o m p o u n d 、v h i c hc 蛆a c t 鼬h o s ti i lh o s t g u e s tc h e m i s 廿y a s 眦i f i c i a le l l z y m e s ，u s i n g h y d r o p h o b i cc a v i t i e s ，也e yc a nc a p t u f ed i f f b r e mo 唱姐i cm o l e c u l et of o 肋t 1 1 eh o s t g u e s ts y s t e m ， b 船e dt h ed i f f b r e n to ft i l er i r l gs i t e ，s i z ca l l di i i t e r a c 畦o n b yc h a l l g i n gm er h l gs i t e 锄ds i z eo r m o d i 母i i l gt h cc y c l o p h a n e 诵t hm er e 剃o n ，i m p r 0 v i n gt 1 1 ew a t e rs 0 1 u b i l i t yo fc o m p o u n d ，w e c 缸d e s i g l lt l l en o v e la c t i v ec e n t e rw 胁c o o r d i n 毗c di n c l u s i o na n dm u l t i r e c o n g n i t i o nt og c tt l l e s p e c l a lh o s t ，w h i c hw 砌df b r n lt l l es u p m m o l e c u l 盯s y s t e m t ht h eg l l e s ta n da c t l l a l i z et h e m o l e c u l 盯r e c o g n i t i o n 强dt l l es i h m l a t i o no fe n z y m e 矗m c t i o n h lt h ep a r t2 ，t h ea p p m a c hw i t h m o d i 毋i n gl 。6 ，2 0 ，2 5 0 e t r a a z a 【6 ，1 ，6 ，1 】p a r a c y c l o p h a n e ( c p 4 4 ) h 弱b e e na m e l i o r a t e d a b o v ea 1 1 ，w e m o d m e dp j p 乙d i a r i l i n o - d i p h e n y l - m e m a n c ea n dc l o s e dt h er i n gt og e tl ，6 ，2 0 ，2 5 一t e 廿a c a r b e t h o x y m e t l l y l 一1 ，6 ，2 0 ，2 5 一t e 自z a 6 ，l ，6 ，l 】p 觚a c y c l o p h a n e 一一 塑韭查兰曼主兰垡笙苎 k e y w o r d s ：s u p f a m o l e c u i a rc h e m i s 缸y ，c a l i x a r c n e ，a z a 一晰d g e dc a l i x 【n 】a r e n e 2 t r i a z i n e ， s y n m e s i s ，t e t r a 且z a p a r a c y c l o p h a i l e 西北大学硕士学位论文 y 8 9 0 0 7 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位 期问论文工作的知识产权单位属于西北大学。学校有权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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可 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。同时，本人保证，毕业后结 合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：蔓! 蔓指导教师签名：戤 2 闻年g 月g 日炒占年彳月占日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大学或其 它教育机构的学位或证书而使用过的材料。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谢意。 学位论文作者签名： 戈l 麦 2 内；年羁6b 西北大学硕士学位论文 第一部分四氮杂杯芳烃的合成研究 一文献回顾 在超分子化学中，大环化合物的研究已经非常广泛。冠醚化学和环糊精化学一起开辟 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- 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超分子主体化合物。 近年来，杯芳烃这一类“新型”的具有独特空穴结构的大环化合物，在超分子化学研究方 面取得的成果受到科学工作者的广泛重视，被誉为继冠醚和环糊精之后的第三代超分子主 体化合物。 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聚物，它的历 史可以追述到1 8 7 2 年德国化学家b y e r 【】对苯酚与甲醛水溶液加热反应的研究。三十年 后比利时化学家b a c k e l 蛐d 【2 】重e 新对其反应进行了详尽的研究，制备了酚醛树脂，取名为 b a k e l i t e ，从此开创了合成高分子的新纪元。2 0 世纪4 0 年代，奥地利化学家z i n k e 【3 1 在前 人工作的基础上设想：如果用对位取代的酚取代苯酚与甲醛反应，则可使原来交联状的树 脂变为线型的树脂塑料。他研究了对叔丁基苯酚与甲醛水溶液在氢氧化钠存在下的反应。 在此过程中分离得到一种高熔点的晶状化合物，经鉴定为环状四聚体结构l 。这是杯芳烃 发现的渊源。 l 2 0 世纪7 0 年代，随着冠醚、环糊精等大环化合物研究工作的深入，特别是它们作为 模拟酶的可能性，这类大环化合物引起了美国化学家g u t s c h e 的极大兴趣，在其合成与性 能研究方面开展了系统且深入的工作，至此才使这类大环化合物引起化学家的广泛关注。 由于其环四聚体的c p k 分子模型在形状上与称作c a l i xc r a t e r 的希腊式酒杯相似( 图1 ) ， 1 西北大学硕士学位论文 因此g u t s c h e 将这类化合物命名为“杯芳烃”( c a l i x 盯e n e ) 。 图1 化合物l 的c p k 模型与希腊式酒杯 在杯芳烃命名中，为了表示母体苯酚单元的数目，一个中间为环员数n 的方括号插入 到c a i i x 与a r e n e 之间，四聚体即为c a l i x 4 】a r e n e ( 杯 4 】芳烃) 。图2 中给出了杯 4 】、杯【6 】 和杯 8 芳烃环单元上的位置编号，在其上有取代基时，可在命名中方便地指出取代位置。 如化合物l 可以命名为5 ，1l ，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，但通常l 被称 为对叔丁基杯【4 】芳烃。 图2 杯【4 1 芳烃、杯1 6 】芳烃、杯【8 l 芳烃的结构及位置编号 作为第三代超分子主体化合物，杯芳烃具有独特的空穴结构，与冠醚和环糊精相比具 有如下特点：( 1 ) 它是一类低聚物，它的空穴结构大小的调节具有较大的自由度，目前已 合成了4 2 0 个苯酚单元所构成的不同空腔尺寸的杯芳烃；( 2 ) 通过控制不同的反应条件 及引入适当的取代基，可固定所需要的构象；( 3 ) 杯芳烃的衍生化反应，不仅在杯芳烃下 缘的酚羟基、上缘的苯环对位，而且连接苯环单元的亚甲基都能进行各种选择性功能化， 这不仅能改善杯芳烃自身水溶性差的不足，而且还可以改善其分子络舍能力和模拟酶活 2 西北大学硕士学位论文 力；( 4 ) 杯芳烃的热稳定性和化学稳定性好，可溶性虽较差，但通过衍生化后，某些衍生 物具有很好的溶解性；( 5 ) 杯芳烃能与离子和中性分子形成主客体包结物，这是集冠醚 和环糊精两者之长；( 6 ) 杯芳烃的合成较为简单，可望获得较为廉价的产品，摹实上现在 已有多种杯芳烃商品化。 基于杯芳烃上述的一些特点，近2 0 年来，杯芳烃化学得到迅速发展，到现在已有多 种专业著作和多篇综述性文章【4 j 报道杯芳烃在液膜传输、络合萃取、分子探针、分子器件、 传感器、液晶、非线性光学等领域的应用潜能。杯芳烃纳米结构的可控制备，例如纳米有 序点阵、纳米线和纳米管等以及这些结构的利用，对纳米科技具有重要意义。如果能将富 勒烯等功能分子放入到杯芳烃的空穴中，并形成有序的排列，将有利于对其进行操纵，有 可能构筑纳米电子电路等。 杯芳烃的合成与制各 设计和制备具有不同结构的主体化合物，对予筛选优良的分子受体具有重要的意义。 杯芳烃的合成主要有一步法和多步法，而在得到杯芳烃的基本骨架后，通过各种反应在其 边缘引入功能基团可以得到适应不同应用目的的衍生物。 一步合成法 z i l l k e p j 开创了杯芳烃的一步合成法。采用对叔丁基苯酚与甲醛在碱性条件下直接缩合 的方法制备了对叔丁基杯【4 】芳烃。g u t s c h e 对z i n k e 的方法进行了改进，在碱性条件下通 过一步反应分别选择地制备了对叔丁基杯【4 】芳烃2 同、对叔丁基杯 6 】芳烃3 【6 】、对叔丁基 杯 8 】芳烃4 1 7 】，经重结晶方法提纯后分别得到收率5 0 、8 5 和6 3 的产物。 + 州p 1 0 2 i p 3 弹击 球喀 n h 2 0 西北大学硕士学位论文 多步合成法 在一步合成法中所制备的杯芳烃苯酚单元上拥有相同的取代基团，拥有不同取代基的 苯酚经过多步反应可环化成杯芳烃。这种多步合成法最早由h a y e s 和h u m e r 所阐述，他 们由对甲基苯酚为起始物，经过溴化、反复的羟甲基化和脱溴化得到线型四聚体，最后在 高度稀释的条件下成环反应制备了对甲基杯【4 芳烃5 8 1 。 5 片段缩合法 德国化学家b j h m e r 对多步合成法进行了改进，即将杯芳烃的结构碎片以“3 + 1 ”或 “2 + 2 ”的方式通过共价键结合成环，将这种方法称为“片段缩合法”。片段缩合法与前面 的多步合成法最大的区别在于，前者为分子间关环反应，而后者为分子内关环反应。 杯芳烃的衍生化 苯酚杯芳烃本身就是一个官能化基团，它可以与多种试剂反应制备各种杯芳烃的衍生 物。对杯芳烃最早的衍生化工作，是将酚羟基转化为乙酸酯，所得到的衍生物相对母体杯 芳烃通常具有更低的熔点和更高的可溶性。通过对杯芳烃的酯化，还可以采用分步结晶法 将杯芳烃混合物的各组分分离出来【9 】。 然而在超分子化学研究中，对杯芳烃进行修饰的最重要的一个目的是得至慎有高选择 性的受体分子或模拟酶，例如对叔丁基杯 4 】芳烃与烟酰氯在三乙胺催化、氯仿为溶剂时， 步反应可以制得相对苯酚基团被酯化的衍生物6 ，其对银( i i ) 和汞( i i ) 离子表现了 良好的选择性【1 0 1 。 4 西北大学硕士学位论文 眦。 6 杯芳烃的构象 杯芳烃是一种构象不稳定的体系，在溶液中往往是多种构象的混合物。同一杯芳烃或 其衍生物的包结配位性能与构象有很大的关系，因此如何确定杯芳烃的构象，以及在杯芳 烃的合成和衍生化反应中如何获得具有特定并稳定的构象，对杯芳烃的化学性能及反应来 说都具有非常重要的意义。 x - 衍射晶体结构分析的结果表明，对叔丁基杯【4 】芳烃在固态时，以杯子的形状存在， 它的4 个羟基处于同一平面。g u 忸c h e 等【l l 】将这种固态稳定构象称为“锥形( c o n e ) ”构象， 而杯【4 】芳烃潜在存在其他三种构象分别命名为“半锥式( p a r t i a lc o n e ) ”、“l ，3 交替式 ( 1 ，3 越t 锄a t e ) ”和“1 ，2 交替式( 1 ，2 a l t e m g t e ) ”构象、( 图3 ) 。 鼬避一澎矿舰矽 锥式半锥式 l ，3 - 交替 1 ，2 - 交替 图3 对叔丁基杯1 4 】芳烃的四种可能构象 杯芳烃的分子识剐和离子识别 杯芳烃实际上是一种特殊的环蕃( m e t a c ”1 0 p h a l l e ) ，从上面可以看到这类大环化合物 具有结构灵活多变( 尤其是构象变化) 、易于修饰的特点。在环的上缘和下缘引入适当的 功能基团所得到的主体，能借助于氢键、静电作用、范德华力、疏水作用、阳离子一冗作 用、兀一玎堆积作用及诱导契合等非共价键协同作用来识别客体分子，从而实现配位、催化 s 西北大学硬士学位论文 和能量转换等特殊功能。在杯芳烃上下缘引入各种基团的功能化杯芳烃，可以构成以杯环 为骨架的带有亲脂性、亲水性和离子载体的受体，能与不同大小、不同性质的客体分子相 匹配，如与有机分子、阳离子以及阴离子形成主一客体或超分子配合物。识别配位作用取 决于杯环大小、构象及环上取代基的性质。且由于杯环的柔韧性，而具有特别良好的诱导 契合能力 1 2 1 。 对中性分子的识别 许多杯芳烃都可以识别多种多样的有机小分子，形成固态配合物。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【1 3 j ；对叔丁基杯【5 芳烃( 1 3 旧可以与异丙醇和 丙酮形成包结配合物；对叔丁基杯【6 】芳烃可以与氯仿、甲醇和甲苯配位【1 3 ， ；对叔丁基杯 7 】芳烃能包结甲醇【1 6 】；对叔丁基 8 】芳烃与氯仿形成包结配合物【1 3 】。然而这些固态配合物 的稳定性有较大差别，对叔丁基杯 4 】芳烃和对叔丁基杯 6 芳烃可以紧密地结合客体分子， 其晶体中的溶剂分子在高温和真空条件下仍可稳定结合，面对叔丁基杯【8 】芳烃的氯仿配合 物则在常温下很快分解。 晶体结构研究表明，杯芳烃主体化合物可与客体分子形成内式( e n d o ) 和外式( e x o ) 两种类型的配合物。对于对叔丁基杯【4 】芳烃与苯【1 3 1 、对叔丁基杯 4 芳烃甲酰乙酯与乙腈f 1 7 】 形成内式配合物，客体分子处于杯芳烃空腔中心。与此相反，对( 1 ，1 ，3 ，3 一四甲基丁基) 杯【4 】芳烃与甲苯形成外式配合物【18 】，甲苯处于杯芳烃分子之间而不是之中。这是由于此 杯芳烃对位取代基具有较高柔性而部分自包结进入其自身空腔，从而阻止杯芳烃进一步容 纳客体分子。 杯芳烃可以与客体分子形成各种化学计量比的固态包结配合物。杯【4 】芳烃可以与丙酮 分别形成化学计量1 ：1 和l ：3 【2 0 】的配合物；对叔丁基杯【4 】芳烃可以与吡啶形成化学计量 】：1 的配合物【2 “，而与茴香醚1 和对二甲苯f 2 3 1 形成化学计量2 ：1 的配合物，图4 给出对叔 丁基杯 4 】芳烃与对二甲苯形成外式包结配合物的结构示意。 杯芳烃主体还可以识别较大的有机分子，如与多种醌、二茂铁、氯化血红素、核黄素、 维生素b 1 2 和碳笼等均能形成稳定的配合物。例如，杯 8 】芳烃与c 6 0 可以络合形成化 学计量1 ：1 配合物，从杯 8 】芳烃与含7 0 - 8 5 c 6 0 炭黑的甲苯沉淀中可提取7 0 的纯c 6 0 ， 纯度可达9 9 8 【2 5 j 。 作为杯芳烃的一类重要类似物，杯毗咯也表现出对中性分子的一定识别能力。例如， 西北大学硕士学位论文 帮 静 图4 对叔】。基杯1 4 】芳烃与对二甲苯形成2 ：l 配合物 s e s s l 2 6 】等研究了m e s o 一八甲基杯 4 吡咯与甲醇、乙醇、苄醇、二甲基甲酰胺、二甲基亚 砜、l ，2 一二甲基咪唑和丙酮等中性小分子在氘代苯中的配位作用，发现主一客体间均形成 化学计量的配合物，但稳定常数值很小，仅有2 2 1 6 2 d m 3 n r 1 。尽管这些配合物稳定性 较低，但表现出了明显的底物选择性，这种选择性来源于底物的空间位阻作用。 对有机阳离子的识别 杯芳烃在与烷基胺中性分子配位时，首先发生主一客体间的质子转移，后经过离子对 的过渡态形成稳定配合物。因此，可以认为在本质上这是杯芳烃负离子对有机阳离子的识 别过程胆7 1 。 h 螂w f i e l d 等【2 8 1 分别采用1 n 峨瓜和紫外光谱研究了对叔丁基杯 8 】芳烃负离子( l 2 和l 3 ) 在丙酮和乙腈中与季胺盐如胆碱、乙酰胆碱和四甲基季胺盐阳离子的配位作用， 他们的结果表明，对叔丁基杯【8 】芳烃的三价负离子与这些阳离子在乙腈溶剂中产生相对较 强的相互作用，其结合常数约为3 2 1 0 5 d m 3 - m o l 。而在相同溶剂中则观察不到对胆碱和 四甲基季胺盐阳离子的选择性。 对金属阳离子的识别 杯芳烃本身具有紧密相邻的多个羟基和一个，c 体系洞穴，使杯芳烃及其衍生物几乎能 与所有的金属形成配合物，并展示独特的性能，因此杯芳烃主体化合物被广泛用于对主族 金属、锕系、镧系以及过渡金属元素的识别研究。 杯芳烃及其简单修饰物可以对碱金属和碱土金属离子具有选择性识别作用，可作为输 送阳离子的理想载体。一般亲和力和选择性的相关因素可概括为：( 1 ) 杯芳烃及空腔大小 和离子大小的匹配性；( 2 ) 杯芳烃构象和阳离子大小的配位选择性。1 w 锄o t o 和s h i n k a i 【2 9 】 7 西北大学硕士学位论文 提出锥型异构体对n a + 和l i + 的选择性高，部分锥型和1 ，3 交替构象对k + 的选择性高。然 而随后他们发现有时1 ，3 交替异构体和部分锥型异构体的亲和力高于相应的锥型异构体， 其识别作用是通过阳离子一兀作用实现的。( 3 ) 对位取代基不同对离子选择性的影响；( 4 ) 杯芳烃下缘取代基的种类和数目的影响。如通常醚、酯、酮对碱金属的亲和力大于对碱土 金属的亲和力，而酰胺的情况则与此相反。 对阴离子的识别 杯芳烃不仅可以识别中性分子和阳离子客体，而且适合的受体对阴离子也有选择性识 别能力。但对阴离子的识别不同于阳离子：首先，阴离子的半径都很大，即使单原子的阴 离子如f ( o 1 3 6 啪) 、c 1 ( o 1 8 l 姗) 、b r - ( o 1 9 5 n 面和i ( o 2 1 6 n r n ) 也是如此，因此它们 的电子云密度较低；其次，它们具有不同的几何构象，包括球型( 如f 、c l 、b r 和i ) 、 直线型( 如n 3 、c n 和s c n ) 、平面型( 如n 0 3 、c 0 3 玉和r c 0 2 ) 以及四面体型( 如p 0 4 3 、 s 0 4 2 和c l 。4 - ) ；此外，它们有很强的溶剂化趋势，并且受酸度的影响很大，大多数阴离子 只能存在于一定的p h 值范围内。故在设计配体时，必须考虑全部的影响因素。 杯芳烃为受体的分子催化和模拟酶的研究 杯芳烃之所以再次引起人们的兴趣，很大程度上归因其潜在的超分子催化和模拟酶功 能【3 0 】。第一和第二代超分子化合物中，冠醚在溶液中通常表现为环状结构，而不是穴状结 构，不能为底物提供有效的结合空腔；环糊精是一类半天然产物，其空腔骨架过于刚性， 对底物的结合能力受到一定的限制。杯芳烃是完全通过实验合成的大环化合物，与冠醚和 环糊精相比有内在的优势；其疏水的空穴可通过简单地改变单元数目而调节尺寸、构象易 变并可受到调控、边缘可以引入功能基团进行修饰和衍生化。因此，杯芳烃及其衍生物已 经被成功地用作催化剂和模拟酶，在这方面的研究工作充分显示出杯芳烃用作催化剂的巨 大潜力。 相转移催化 许多杯芳烃及其衍生物具有萃取和转移金属离子的功能，因此，其在相转移催化方面 有潜在的应用价值。高效的相转移催化剂的最基本要求是同时具有亲脂和亲水性基团，可 以在两相介质中进行物质的传递。在杯芳烃的上缘和下缘进行适当的修饰后，可以满足这 种要求。早在1 9 7 7 年，b 岫k s 等【3 1 1 发现，下缘连有乙氧链的对叔丁基杯芳烃在非极性介 质中具有相转移催化的能力，可以解决油水乳化问题，并可应用于石油精馏。 模拟酶 西北大学硕士学位论文 杯芳烃及其衍生物还可以作为人工酶模型模拟生物酶的催化功能。s h i n k a i 等m 1 较早 地开展了这项工作，基于磷酸甘油醛3 一脱氢酶催化部分氢化的腺嘌呤二核营酸烟酰胺的水 解过程中，酶为底物提供质子并同时拥有带负电荷的基团以稳定生成的正电荷中间体的考 虑，他们将上缘被磺酸基取代的杯 6 】芳烃7 用作这种酶模型，发现其能够显著地催化1 苄基1 ，4 二氢烟酰胺的水解( 图s ) 。 图5 酸催化1 苄基1 。4 = 氢熘酰胺的水解示意 新的结构中包括杯吡咯口3 1 、杯吡啶【3 4 】还有其它杯杂芳香族化合物口5 1 。特别是杯吡啶 已经展示出它是一种非常有效的离子受体。与分子量较低的大环化合物比较，杯芳烃合成 难度较高，而针对含杂原子【3 6 】例如n 、s 或者吡咯、毗啶等的亚甲基桥键取代杯芳烃，由 于具有优良空穴的结构，从而新的研究已经全面展开，由此合成了许多奇特的大环化合物 ( 硫杂杯芳烃【3 7 】、杯毗咯1 3 8 】) 。为了迸一步发展新型有效的主体分子，设想将o 或者n 引 入杯杂芳烃作为桥键应该可以提供优良的空穴结构，由于o ，特别n 采用s p 3 杂化可以与 临近苯环或者毗啶环相结合，这种大环化合物的形成是通过各种空腔相应客体存在或者缺 失进行自组织的。桥连氨基的组分增加这种凹分子的7 c 电子云密度，因而提高了键向富勒 烯的缺电子曲线耳电子表面的亲和力，从而合成了具有新型分子结构和独特富勒烯配位特 性的氮杂杯吡啶。自从1 9 9 4 年a t 、v o o d 和s i i i n l ( a i 等【3 明各自在甲苯中发现对叔丁基杯 8 】 芳烃对c 6 0 的包结作用，由于它在化学、生物以及材料科学【4 0 j 潜在的实用性，所以在超 西北大学硕士学位论文 分子富勒烯化学中得到广泛关注。主体分子能够识别富勒烯，其中最具挑战的研究主要是 基于互补原则。凹凸相互作用的利用，从而产生一些大环c 6 0 富勒烯的接受体，例如杯 n 】芳烃【4 ”、同氧杯【3 】芳烃 4 2 、y 环糊精( y c d ) 4 3 1 、环三藜芦烯( c t v ) 【4 4 1 和冠酣4 5 1 。 由钯作催化剂的3 - 澳_ n 甲基胺的氨基化反应产生的氮杂杯【n 芳烃( n = 3 8 ) 的产率极 低i 删；l ，3 二氯4 ，6 二硝基苯与间苯二酚生成四硝基取代的四氧杂杯【4 芳烃( 产率 1 3 ) 。硅桥杯芳烃是由联苯或者l ，3 二溴苯和二氯二甲基硅烷合成的，其产率 1 2 1 6 【4 3 】。合成得到一些杂原子桥连杯杂芳烃，其中硅桥杯 n 】磷代芳烃可以充当配体， 同时是冗电子受体的特性值得关注。然而杂原子桥连大环化合物的合成产率不超过2 0 是 目前的一大难题。由于杂桥杯芳烃的合成困难，其结构和识别特性仍未得到很好的开发。 利用“片段偶联法”合成了氮杂杯【2 1 芳烃 2 】吡啶8 和氮杂杯【4 】芳烃【4 】毗啶化合物9 的新型大环主体化合物。该类化合物具有独特的分子和晶体结构：氮杂杯【2 芳烃 2 】吡啶 采取高度扭曲的l ，3 - 交替构象( 图6 ) ，而氮杂杯【4 】芳烃【4 】毗啶化合物采取类似双头汤 匙”形状的1 ，2 ，3 _ 音口分锥式构象( 图7 ) 。桥连氨基的引入不仅造成上述有趣的构象特征， 而且通过与相连毗啶环的共轭效应造成该类大环主体分予的空腔表面电荷密度的增大。通 过大环主体分子的空腔与球形的c 一6 0 分子的相互识别作用，氮杂杯 4 】芳烃 4 】吡啶化合物 能够与c - 6 0 形成稳定的复合物，稳定常数高达7 0 6 8 0 士2 0 6 0 m 1 ，该类识别作用引起的颜 色变化非常显著，其紫色到浅棕色的变化可用肉眼直接观察( 图8 ) 。由于氮杂杯 4 】芳烃 4 】吡啶化合物的空腔更具椭圆或菱形结构，它能更为高效地识别c 7 0 分子，稳定常数高 达13 6 6 2 0 士3 7 7 0 m 1 。 8 l o 9 西北大学硕上学位论文 图6 化合物8 的x 射线衍射晶体结构图图7 化合物9 的x 壤线衍射晶体结构图 图8 氮杂杯【4 】芳烃【4 】吡啶识别c - 砷过程中的颜色变化 近期发现，三嗪在分子识别和自组装中是一种非常有利用价值的化合物，因为三嗪基 分子包括三聚氰胺衍生物，它能够充当氢键的提供者和接受者，从而使像碳水化合物、三 聚氰酸、尿嘧啶衍生物等客体分子通过复合氢键的相互作用更加牢固【4 9 1 。除外，近期的理 论计算和铜( i i ) 的三嗪配合物单晶分子l 删结构已经表明它作为一种缺电子的一芳香族 化合物结构与阴离子相互作用的潜能。尽管三嗪类化合物已经纳入大环分子，但对三嗪作 为杯芳烃中的结构嵌段的评价是过低的，实验证明三聚氰氯的亲核取代具有很高的反应速 1 1 西北大学硕士学位论文 率。预测三聚氰氯在所期望的杂原子桥联杯芳香族化合物中具有合成优势。 由于在合成和制备上方便易得、在结构上空腔尺寸可以精细调控、在功能上容易进一 步修饰和改造等特点，杂原子桥连的杯【2 】芳烃【2 】三嗪大环主体分子可望在分子识别与传 感、超分子组装、模拟酶和催化等方面的研究中得到广泛应用。 二四氮杂杯芳烃的合成 王梅祥等人拓展了“片段偶联合成法”，成功地合成了这一系列空腔大小可精细调控 的新型超分子大环主体分子。他们以简单易得的价廉原料、在温和的条件下高效和高产率 地合成了氮和( 或) 氧原子桥联杯【2 】芳烃【2 】三嗪化合物( 图9 ) 。这些新一代杯芳烃或环 蕃类大环化合物形成了独特的结构：两个与桥连杂原子共轭的三嗪平面与两个苯环平面以 1 ，3 交替( 1 ，3 咀l t e m a t c ) 排列形式构成空腔；桥连氮原子和氧原子通过电子效应、共轭性 能和立体位阻等性质共同作用，精细调节着空腔的大小，空腔上沿两个苯环之间的距离从 5 0 1 1 到7 9 7 9 a ( 图l o ) 不等。此外，受桥连杂原子的影响，此类大环分子通过分子问 多重氢键的相互作用可形成形式多样的组装结构，如n ，n 二甲基化的四氮杂杯【2 】芳烃【2 】 三嗪在固相中形成一维无限链状结构( 图1 1 ) ，而桥连氮上不含甲基的四氮杂杯【2 】芳烃【2 】 三嗪则形成无限的二维层状锯齿结构( 图1 2 ) 。 l x z y = o 2x = o y = n h 3 x = y = n h 4x = y = n m e 图9 通用和高产率的片段偶联法合成杂原子桥连杯芳烃 图1 0 空腔受杂原子精细调拄的一些杯【2 l 芳烃【2 】三嗪的实例 卜爿 众u nn 两北犬学硕士学位论文 圈l l 固态中通过分子间氢键形成的一维链状结构 图1 2 固态中通过分子间氢键形成的二维“之”字型层状结构 他们所合成的杂原子桥连杯芳烃化合物还可以很方便地进行进一步功能化衍生和修 饰，构筑结构更为多样性的各类功能性主体分子。 我们在综合大量文献的基础上，分别以4 ，4 二氨基二苯甲烷、4 ，4 二氨基二苯醚、对 氨基苯酚、对苯二胺、4 。4 二氨基二苯砜、联苯胺等化合物为原料，通过与三聚氰氯反应， 合成了杯芳烃1 3 、1 4 、1 5 、1 6 、1 7 、1 8 。 州x n l x = a 屯 2 x = o 3 x = s o ， _ i 焱。驴。n 人从 西北大学预士学位论文 冗 。弋广7 4x = y = n h 2 5x - n h 2 ，y 邮h 1 0 x = y _ 1 lx = n h y = _ 。 。：。，4弧。 6 y d n 。众 。点。驴。2 q 。焱i k 2 c 0 3 r c 丙酮水 州字q u 字o m 4 人弘 塑韭查堂堡主堂垡望奎 。驴。n k 2 c 0 3 n 丙酮水 。n n = = d 弋) m u 。d吣卢一x 弋 1 0 x - l 姐 1 4 ) c = o 1 5 x = c h ， 1 6 x 气m 1 7 x ；0 n 1 x = c h ， 2 x = 0 n 一：“o 一一。 辟9 q 。众，+ 心。d p m 耋ln9 州众 洲n广洲 弋 nnn 。l。 x 入 。卜 人，声 声 o z 丫弋 o nn黼。丫z 西北大学硕士学位论文 k 2 c 0 3 r t 丙酮水 1 8 1 实验部分 1 1 仪器与试剂 x t 4 显微熔点测定仪，温度计未经校正：德国e l 一元素分析仪；i n o v a 4 0 0 型核 磁共振仪；e q u i n o x 5 5 傅立叶红外光谱仪；a x i m a - c f rp l u sm a l d i - t o f 质谱仪。 4 ，4 二氨基二苯甲烷、4 4 二氨基二苯醚、对氨基苯酚、对苯二胺、4 ，4 二氨基二苯 砜、联苯胺为化学纯；碳酸钾、三聚氰氯、四氢呋喃、丙酮、乙酸乙酯、石油醚、n ，n - 二甲基甲酰胺均为分析纯。 1 2 实验步骤 1 2 1 四氮杂杯f n 】芳烃【2 l 三嗪中间体7 1 2 的合成 在冰浴中，将i 6 ( 1 5 衄0 1 ) 的7 5 m l 四氢呋喃溶液滴加到三聚氰氯( 5 5 5 9 ，3 0 m m 0 1 ) 和碳酸钾( 5 1 8 9 ，3 7 5 m m 0 1 ) 的l o o m l 四氢呋喃溶液中，控制滴加时间为2 h ，滴加完毕后 继续搅拌2 5 h 。 抽滤除去盐类，将母液浓缩。残渣经丙酮重结晶。得白色晶体7 ( 4 5 l g 。6 0 9 ) ：m p 2 5 3 2 5 4 抽滤除去盐类，将母液浓缩。粗品用中性氧化铝柱分离，乙酸乙酯和石油醚洗脱，得 淡黄色晶体8 ( 4 2 6 9 。5 7 2 ) ：n 瑁2 3 l 2 3 2 由于溶液中不溶物明显增多，抽滤所得的白色固体，用水洗、干燥后经乙酸乙酯回流， 得白色固体9 ( 3 9 7 9 ，4 8 6 ) ：m p 3 0 0 抽滤除去盐类，将母液浓缩，粗品用中性氧化铝柱分离，乙酸乙酯和石油醚洗脱，得 白色晶体l o ( 3 7 6 9 ，6 2 o ) ：m p 3 0 0 抽滤除去盐类，将母液浓缩，粗品用中性氧化铝柱分离，乙酸乙酯洗脱，得白色晶体 西北大学硕士学位论文 1 1 ( 3 3 0 9 ，5 4 3 ) ：m p 2 1 3 2 1 4 抽滤除去盐类，将母液浓缩，粗品用中性氧化铝柱分离，乙酸乙酯和石油醚洗脱，得 淡黄色晶体1 2 ( 4 6 9 9 ，6 5 1 ) ：m p 3 0 0 1 2 2 四氮杂杯【n 1 芳烃【2 1 三嗪1 3 1 8 的合成 室温下，将l ( 1 m i n 0 1 ) 的9 0 m l 丙酮溶液和7 ( 1 衄0 1 ) 的9 0 m l 丙酮溶液同速滴入碳 酸钾( o 3 3 9 ，2 4 m m 0 1 ) 及丙酮( 1 6 0 m l ) 和水( 4 0 m l ) 的混合溶液中，控制滴加时间为 4 h ，然后继续搅拌反应4 h 。将混合液抽滤。滤饼用丙酮多次洗涤得白色固体1 3 ( o 。2 7 9 ， 4 3 6 ) ：m p 3 0 0 室温下，将l 和2 ( 1 m m 0 1 ) 的9 0 1 1 1 l 丙酮溶液分别和8 ( 1 唧0 1 ) 的9 0 m l 丙酮溶液 同速滴入碳酸钾( 0 3 3 9 ，2 。4 m m 0 1 ) 及丙酮( 1 6 0 m l ) 和水( 4 0 m l ) 的混合溶液中，控制 滴加时间为8 5 h ，然后继续搅拌1 2 h 。将混合液抽滤，滤饼用乙酸乙酯多次回流，直到薄 层检测乙酸乙酯中无斑点显示为止，得白色固体1 4 ( 0 2 3 9 ，3 6 2 ) ：i n p 3 0 0 1 5 ( o 2 7 9 ， 4 3 8 ) ：m p 3 0 0 室温下，将l o ( 1 m m 0 1 ) 的9 0 m l 丙酮溶液分别和4 ( 1 n u n 0 1 ) 的9 0 m l 丙酮溶液同 速滴入碳酸钾( 0 3 3 9 ，2 4 r r 峨0 1 ) 及丙酮( 1 6 0 m l ) 和水( 4 0 m l ) 的混合溶液中，控制滴 加时间为5 5 h ，然后继续搅拌1 2 h 。将混合液抽滤，滤饼用乙酸乙酯多次回流，直到薄层 检测乙酸乙酯中无斑点显示为止，得白色固体“( o 2 0 9 ，4 5 3 ) ：m p 3 0 0 室温下，将1 1 ( 1 m m 0 1 ) 的9 0 m l 丙酮溶液分别和4 ( 1 m m 0 1 ) 的9 0 m l 丙酮溶液同 速滴入碳酸钾( 0 - 3 3 9 ，2 4 m m 0 1 ) 及丙酮( 1 6 0 n 1 l ) 和水( 4 0 m l ) 的混合溶液中，控制滴 加时间为5 5 h ，然后继续搅拌1 2 h 。将混合液抽滤，滤饼用乙酸乙酯多次回流，直到薄层 检测乙酸乙酯中无斑点显示为止，得白色固体1 7 ( 0 2 3 9 ，5 1 6 ) ：m p 3 0 0 室温下，将1 2 ( g ，l m m 0 1 ) 的9 0 m l 丙酮溶液和6 ( 1 m m 0 1 ) 的9 0 m l 丙酮溶液同速 滴入碳酸钾( 0 3 3 9 ，2 4 i 蛳0 1 ) 及丙酮( 1 6 0 m l ) 和水( 4 0 m l ) 的混合溶液中，控制滴加 时间为7 h ，然后继续搅拌8 h 。将混合液抽滤，滤饼用乙酸乙酯多次回流，直到薄层检测 乙酸乙酯中无斑点显示为止，得白色固体1 8 ( 0 2 8 9 ，4 7 9 ) ：m p 3 0 0 2 结果与讨论 2 1 核磁分析 表1 1 给出了化合物7 1 81 h n m r 化学位移和分析结果，相应的谱图在附图中给出。 堕垫查堂堡主堂堡鲨壅 7 ( c 警o c 鼍6 ) 8 ( d m s o6 ) 9 ( d