（有机化学专业论文）基于手性联萘模板的螺旋分子的设计与合成.pdf

硕士学位论文 摘要 上世纪5 0 年代初，科学家根据x 射线衍射图样及各种化学分析数据，证明了 与生命现象有密切联系的d n a 呈双螺旋结构，这是当代生物科学领域取得的极其 重大的成就之一，然而如何通过化学方法在实验室“制造”出结构优美的双螺旋 分子依然是有机合成化学和结构化学领域的一个重要挑战。近年来，具有单一手 性的光学活性的环芳( c y c l o p h a n e ) 分子，诸如拓扑有趣的螺旋和笼状环芳分子是一 类非常引人注目的分子母体，这不仅仅是因为其分子结构优美和在合成上富有挑 战性，更重要的是它们独特的结构特征( 如7 t 共扼和螺旋手性等) 预示出这类化合物 作为新型功能材料的应用潜力。现有的文献报道中构筑双螺旋结构的常用方法是： 将含有配位官能团的分子链索与金属离子进行络合自组装。尽管配体链分子与金 属离子的络合反应对于“螺旋化( h e l i c a t e ) 过程非常有效，但缺少不对称因素诱 导的自组装很难选择性地给出单一手性形式的右旋( 尸：p l u s ) 或左旋( 坛m i n u s ) 螺旋 结构，异构体需要经过繁琐的光学拆分来实现分离。本论文在大量的文献调研和 本实验室过去研究结果的基础上，设计了一种以光学活性的2 ，2 二取代1 ，1 联萘 为模板、以具有较好空间定向作用的各类芳基乙炔键为连接桥，合成了一类拓扑 有趣且具有光学活性的分子内双螺旋化合物。 在论文的第二章，主要讨论了具有单一手性 ( 月) 构型或( 回构型】的2 ，2 二乙炔 基1 ，1 联萘模板的合成。光学纯的( 尺) 或( d 联萘二酚可以方便地购买，是一个理 想的起始原料。本章以光学活性的2 ，2 。二羟基1 ，1 i 联萘为起始原料，经过酯化、 k u m a d a 偶联、溴化、水解和w i t t i g 消除反应五个步骤，成功地获得了具有单一手 性的的2 ，2 二乙炔基1 ，1 联萘。 在论文的第三章从俾) 2 ，2 二乙炔基1 ，l 联萘模板出发，通过保护基的控制导 入，连接桥的链接以及分子内的s o n o g a s h i r a 反应等步骤设计并合成了以间位和邻 位亚苯基为连接桥的具有双螺旋结构的化合物( 尺，尸) 5 0 a 和( r ，尸) 5 0 b 。对于最后一 步分子内的s o n o g a s h i r a 反应，我们采用定时注射泵来控制反应物滴入的速率，从 而达到控制反应物浓度的目的，以防止因为反应物浓度过高而造成的分子间的 s o n o g a s h i r a 反应和两分子炔氢的偶联反应。通过此种方法，本文大大提高了最后 一步的分子内关环反应的产率。 ( r ，尸) 一5 0 a 俾，尸) 一5 0 b 基于手性联萘模板的螺旋分子的设计与合成 所有的目标化合物的结构经过1 hn m r ，1 3 cn m r 和d e p t 组合测定以及i r 得到确认。并通过计算化学的方法对目标分子结构进行了模拟。为了对目标化合 物的结构和性质做进一步的研究，我们测定了各目标化合物的生成焓( h ) 、u v - v i s 和圆二色( c d ) 谱。 本论文以光学活性的2 ，2 二乙炔基1 ，l 联萘为模板，通过炔键和各种不同的 连接桥的连接成功合成了此类具有有趣拓扑结构的双螺旋分子，并对其性质进行 了初步研究。 关键词：拓扑；双螺旋化合物；光学活性环芳；1 ，1 一联萘；模板合成；s o n o g a s h i r a 反应；交叉偶合； a b s t r a c t i ti so n eo ft h eg r e a t e s ta c h i e v e m e n t si nl i f es c i e n c e st h a ts c i e n t i s t sh a dt e s t i f i e d t h es t r u c t u r eo fd n a b yx r a yd i a g r a ma n dc h e m i c a l 印p a r a t u si nt h e6 f t i e so ft h e t w e n t i e t hc e n t u r y h o w e v e r ，i ti ss t i l iag r e a tc h a l l e n g ef o rc h e m i s t st os y n t h e s i sd o u b l e h e l i c a t em o l e c u l e si n l a b o r a t o r y r e c e n t l y ，o p t i c a l l ya c t i v ec y c l o p h a n e s ， s u c ha s h e l i c a lm o l e c u l e sa n dt h r e e d i m e n s i o n a l ，c a g e l i k ec y c l o p h a n e sh a v eb e e nt h es u b i e c t o fe x t e n s i v ei n v e s t i g a t i o nf r o mt h es t a n d p o i n t so fs t r u c t u r a lc h e m i s t r ya n dm a t e r i a l s c i e n c e t h ef - u n d a m e n t a ls o u r c e so ft h ei n t e r e s ti nc y c l o p h a n e si n c l u d et h ec o n c e p t i o n o fn o v e l ，a e s t h e t i c a l l yp l e a s i n ga n d i n t e r e s t i n gs t r u c t u r e s ，t h ec h a l l e n g eo fs y n t h e s i z i n g t h e m ，a n dt h es t u d yo ft h e i rp r o p e r t i e so n c et h e yh a db e e np r e p a r e d t h e i ru n i q u e s t r u c t u r a l f e a t u r e s ( 7 【一c o 坷u g a t e d ，h e l i c i t y ) i n d i c a t et h e i rp o t e n t i a la p p l i c a t i o n si n o p t i c sa n de l e c t r o n i c s t h ef h m i l i a rm e t h o dr e p o r t e dt ob u i l dt h ed o u b l eh e l i c a l m o l e c u l e si s f o r i i l i n gc o m p l e xc o m p o u n d sa n ds e l f - a s s e m b l i n gb e t w e e nt h el a g a n d s m o l e c u l ea n dm e t a li o n s t b u g ht h er e a c t i o nb e t w e e nl a g a n d sa n dt h em e t a li o n sa r e e f 艳c t i v ef 0 rt h eh e l i c a l i n gp r o c e s s ，g i v i n gs i n g l ec h i r a lh e l i c a t ec o m p o u n d ( p ： p l u so r m ： m i n u s ) s e l e c t i v e l ya r ed i m c u l to w i n g t ol a c k i n go fa s y m m e t r i cf a c t o rt oi n d u c et h e a s s e m b l ya n dt h ei s o m e rs p e r a t i o na r et e d i o u s i n t h i st h e s i s ，b a s e do nt h ep r e c e d i n gr e s e a r c ho fo u rl a b o r a t o r y ，an e w t y p eo f h e l i c a l m o l e c u l e s ， c o n t a i n i n g1 ，l _ b i n 印h t h y lu n i t ， t h es o u r c eo fc h i r a l i t y a n d l ，2 - b i s ( 4 i o d o p h e n y l ) a c e t y l e n ec o n n e c t e db ye t h y n y lw a sd e s i g n e da n ds y n t h e s i z e d s u c c e s s f u l l ya n dt h e i ro p t i c a lp r o p e n i e sw e r ep r e l i m i n a r i l ys t u d i e d i nt h es e c o n d c h a p t e r ， ar a t i o n a l s y n t h e t i cr o u t ef o re n a n t i o p u r e2 ，2 d i e t h y n y l - 1 ，1 - b i n a p h t h y lw a se s t a b l i s h e d e n a n t i o p u r e ( r ) o r ( $ b i n a p y t h o lc a nb e p u r c h a s e dc o n v e n i e n t l ya n dw a sag o o dm a t e r i a l f r o mt h e o p t i c a l l y a c t i v e 2 ，2 d i h y d r o x y 。1 ，l - b i n a p h t h y l ，t h r o u g he s t e r i 丘c a t i o n ，k u m a d ac o u p l i n g ，b r o m i z a t i o n ， h y d r o l i z a t i o na n dw i t t i ge l i m i n a t i o nl e a c t i o n ， 2 ，2 一d i e t h y n y l1 ，1 b i n a p h t h y l w a s o b t a i n e d i nt h et h i r dc h a p t e r ，c o m p o u n d s ( 尺，p ) 一5 0 aa n d ( 尺，尸) 5 0 bw i t hd o u b l eh e l i c a l s t r u c t u r ew e r ed e s i g n e da n ds y n t h e s i z e df r o m ( r ) - 2 ，2 d i e t h y n y l l ，1 一b i n a p h t h y lb yt h e i n t r o d u c t i o no fp r o t e c t i n gg r o u p ，t h ec o n n e c t i n go fl i n k i n gb r i d g e sa n di n t r a m o l e c u l a r s o n o g a s h i r ar e a c t i o n i nt h el a s ti n t r a m o l e c u l a rs o n o g a s h i r ar e a c t i o n ，as y r i n g ep u m p t h a tc a nc o n t r o lt h ed r o p p i n gr a t eo fr e a c t a n ts o l u t i o nw a su s e di no r d e rt oa v o i dt h e - i v 基于手性联萘模板的螺旋分子的设计与合成 h i g hc o n c e n t r a t i o no fr e a c t a n t t h eh i g hc o n c e n t r a t i o no fr e a c t a n tw i l lp r o d u c e i n t e n n o l e c u l a rs o n o g a s h i r aa n de g l i n t o nr e a c t i o n b yu s i n gt h es y r i n g ep u m p ，t h e y i e l d so ft h el a s ts t e po fi n t r a m o l e c u l a rs o n o g a s h i r ar e a c t i o nw e r eg r e a t l yi m p r o v e d t h es t r u c t u r e so ft h en e wi n t e r m e d i a t e sa n dt a r g e tm o l e c u l e sw e r ei d e n t i f i e db y1 h n m r ，l3 cn m r ，d e p t ，i ra n dt h es t m c t u r e so ft h et a 唱e tm o l e c u l e sw e r es i m u l a t e di n ac o m p u t a t i o n a lc h e m i s t r yw a y ( 尺，尸) - 5 0 a ( r ，尸) - 5 0 b t of u r r t h e rs t u d yo ft h e i rp r o p e r t i e s ，t h ef o r m a t i o ne n t h a l p y ( h ) ，u v - v i sa n d c i r c u l a rd i c h r o i s m ( c d ) s p e c t r ao ft h et a 唱e tc o m p o u n d sw e r em e a s u r e d s o ，i nt h i st h e s i s ，an e wt y p eo f d o u b l eh e l i c a lc o m p o u d sw i t hn o v e l ，a e s t h e t i c a l l y p l e a s i n ga n di n t e r e s t i n gs t r u c t u r e s ，i nw h i c ht w od i f f e r e n tl i n k e r sw e r ec o n n e c t e dt o t h e2 一a n d2 - p o s i t i o n so fal ，1 - b i n a p h t h a l e n et e m p l a t ew i t he t h y n y lw a sd e s i g n e da n d s y n t h e s i z e ds u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：t i o p o l o g i c a l ； d o u b l eh e c a t e ； o p t i c a l i y a c t i v e c y c i o p h a e ； l ，1 - b i n a p h t h y l ；t e m p l a t es y n t h e s i s ； s o n o g a s h i r a r e a c t i o n ； c r o s s - c o u p i i n g v 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：聪 ，x 7 v ，p 醐：节蝴嘶 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 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：蕴言彦作者签名：熬黾卜哆 导师签名勘乏一 日期：噼l1 月“ 日期：多卯争年，月2 日 硕j ：学位论文 第一章绪论 自然界一直在利用模板效应和自组装机制来构筑一些具有精确结构和特定功 能的集合体，如生物体通过碱基配对的模板作用来合成与d n a 核苷酸序列相对应 的r n a ，_ 部分r n a 再通过模板效应来指导蛋白质的合成。然而，怎样认识和 利用这些作用形式来设计和合成一些精确有序的结构对当代化学家们来说仍然是 一个巨大的挑战。近年来随着超分子化学( s u p e r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y ) 的兴起与快速 发展，有机化学、无机化学、生物化学等学科的交叉更进一步密切，模板效应作 为构筑超分子结构的一个强有力的工具，得到了广泛的研究和应用。n o y o r i i i z j 正 是由于在创制和应用以联萘为模板的不对称催化剂这一领域中取得了开拓性成就 而荣获2 0 0 1 年诺贝尔化学奖。 结合本学位论文的研究方向，本章简要综述近年来以联萘为模板在构造分子 器件方面研究所取得的成果，着重介绍螺旋分子的研究现状，并对它们的结构及 性质作一定的分析。在此基础上，提出了本论文的研究目标一种光学活性的 分子内双螺旋化合物的合成。 1 1 手性、联萘及类缘体 1 1 1 手性及螺旋性 手性“c h i r a l 一词来源于希腊语中的“c h e i r ，“c h e i r 在希腊文中即是手 的意思。手性分子或不对称分子是指不具有对称面和对称中心的分子，这类分子 的一个重要的特征就是实体和镜像不能重叠，其关系正和左、右手的关系相似【3 j 。 例如，最常见的丙氨酸l ( 如图1 所示) 存在着互为镜像两种构象，即( 回一丙氨酸 与( 尺) 丙氨酸。 矿一? ? c o o h h 3 c n h 2 ( $ - 丙氨酸镜面 h 2 n c o o h c h 3 ( r ) 一丙氨酸 图1 1 ( 研- 丙氨酸与( 尺) 丙氨酸的镜像关系 螺旋性是自然界中普遍存在的一种现象。r s c a h n 写到：“螺旋具有三个特 征：一个轴，一个螺纹特性( 也就是它的空间螺旋特性) 和一个斜度( 也就是，t h er a t i o 基于手性联萘模板的螺旋分子的设计与合成 o f a x i a l l yl i n e a rt oa n g u l a rp r o p e r t i e s ) 。由此可见，螺旋性是一种特殊的手性【引，它 可以是右手螺旋的( p ：p l u s ) ，也可以是左手螺旋的( 坛m i n u s ) 。双螺旋和多螺旋结 构一样如此。1 9 5 3 年w a t s o n 和c r i c k 根据x 线衍射图样及各种化学分析的数据， 证明了d n a 呈双螺旋结构，这是当代生物科学取得的极其重大的成就之一【5 l 。d n a 分子通常是由两条核苷酸链组成，这两条多核苷酸链环绕同一长轴并联盘旋而形 成右旋的双螺旋结构。两链同一水平面上的一对碱基借碱基间形成的氢键互相连 接，每1 0 个碱基对使螺旋上旋一圈，上下相邻的碱基对之间呈样板堆积( 如图2 所 示) 。 a 卜面结构 姣丞露f 踅逝 l 1 双螺旋慰构 图1 2d n a 的双螺旋结构 不仅是d n a ，生物界中许多其它的天然聚合物，如多糖类、核酸类和一些多 肽类化合物都同样存在着手性和螺旋性【6 】。 分子螺旋结构的形成，空间位阻因素是主要原因之一。例如，稠环芳烃化合物 菲的三个苯环本来在同一平面上，但4 ，5 位上导入两个甲基后，由于甲基的体积较 大，不能容纳在环所在的平面内，因此一个甲基在另一个的上面，这样就引起了 环的扭曲，使整个分子象螺丝中的一圈，既没有对称面，也没有对称中心，因此 形成了具有手性的螺旋结构。如下面的化合物已拆开成对映异构体【7 j 。 图1 3 菲衍生物的螺旋结构( 圆圈内的甲基代表在上方) tilihrii上 硕七学位论文 1 1 2 联萘的结构及衍生物 早在1 9 6 3 年，c 0 0 k e 和h a r r i s 就研究了光学活性的1 1 联萘 ( r ) 或( 研3 】外 消旋作用的动力学机制【引。他们发现在5 0 0 c 时，3 的外消旋作用半衰期是1 4 5m i n ， g = 2 3 5k c a l m o l 。1 9 7 1 年，p i n c o c k 发现，当从熔融态结晶时，3 自发地产生了 光学活性的尺或s 对映异构体。p i n c o c k 做了两百次结晶实验，发现产生优势的 足或异构体的几率是相等的【9 1 。 ( s p ( 月) 3 图1 42 3 的消旋化的动力学机制 当3 的2 ，2 位被引入官能团时，l ，l 联萘的手性构型变得非常稳定。例如： 在d m f 中，化合物4 即使在1 7 5 。c 下也不发生外消旋化【1 0 1 。 45 图1 52 ，2 二取代的联萘构型 y a m a d a 等则通过对( 尺) ( + ) 5 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【1 1 1 。在( 尺) 5 中，两个萘环所夹的二面角约为 7 7 度。 正是由于2 ，2 二取代1 ，l 联萘衍生物在手性构型上的高度稳定性，它们也被 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的对外消旋苯基苷氨酸酯进行拆 分。在某些m i c h a e l 加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。 2 ，2 二取代1 ，1 。联萘衍生物最重要的应用之一是作为不对称催化剂。1 9 8 0 年， n o y o r i 和t a k a y a 【2 1 发表的一篇论文中报道了二膦配体b i n a p 两种对映体6 的合 成( 图1 6 ) ，其与铑络合而得的复合物能催化特定氨基酸的合成，对映体过量率高 基于手性联萘模板的螺旋分子的设计与合成 达9 6 一1 0 0 。 队乜 0 o 了队r 2 6 ( 回。b i n a p6 ( 回b l n a p 图1 6n o y o r i 发明的手性配体b i n a p 1 9 8 6 年n o y o r i 和t a k a y a 合成b i n a p 钌络合物并成功用于官能团化烯烃及酮 的不对称催化氢化，更使这种具有联萘骨架的手性双膦配体的优越性能得以表现 【1 2 。1 5 】。九十年代中期，n o y o r i 合成r u ( i i ) b i n a p 双胺络合物并用于非官能化酮的 不对称催化氢化，得到大于9 9 e e 的对映选择性【l6 1 。同时，该体系在催化氢化含 碳碳双键或三键的酮时，只选择性氢化羰基而对碳碳双键或三键无影响【l7 1 ，这使 b i n a p 在不对称催化氢化方面得到又一质的突破。在n o y o r i 工作的鼓舞下，一些 研究小组又设计和合成出许多具有联芳环骨架的双膦配体。如：m i y a s h i m a 【1 8 2 0 】合 成了b i c h e p ，并将该配体成功用于铑和钌催化的不对称催化氢化反应；s c h m i d 等也报道了b i h e m p l 2 l j 的合成。 一些科研成果的迅速工业化，更是给人类健康事业和物质文明带来了难以估 量的财富。如1 9 8 4 年，日本的t a k a s a g o 制药公司使用b i n a p 铑做催化剂得到了 e e 值高达9 6 9 9 的( r ) 型薄荷醇。其后的b i n a p 钌配合物代替铑，这个反应 成功地应用于一些药物和药物中间体的制备。例如萘普生、维生素e 、吗啡和碳 青霉素中间体等【2 2 1 。正是这些令人振奋人心的成果，使联萘类化合物成为了有机 合成和不对称催化界的明星分子。 1 2 模板效应 “模板效应”( t e m p l a t ee f f e c t ) 是在6 0 年代初由t o m p s o n 等【邪j 首先提出的。 所谓模板效应是指由于配体与模板剂配位而改变电子状态，并取得某种特定空间 配置的效应。最初的模板剂是指金属，8 0 年代科学家们发现有些中性分子也具有 模板效应。模板反应则是指借助于模板效应进行的合成反应。作为超分子化学这 一崭新学科的重要组成部分，模板效应在材料科学、生命科学、免疫学、分子生物 学、分子设计等领域已显示出巨大的潜能。在化学和生物学领域涉及到的金属离 子配体的络合、氢键的作用、疏水作用、加万相互作用等行为或过程都可以归纳 为模板效应。模板效应具有非凡的高效性和选择性，在合成超分子器件中起着巨 大的作用。一些由数学家或艺术家首先描绘的具有拓扑结构的分子，如索烃 ( c a t e n a n e ) 、轮烷( r o t a x a n e ) 、类轮烷( p s e u d o r o t a x a n e ) 、分子结( m o l e c u l a rk n o t ) 和螺 硕士学位论文 旋( h e l i x ) 等超分子化合物已经能够利用模板方法成功构筑。随着超分子化学的进一 步发展，化学家们还希望能够通过自识别、自组装等手法合成具有分子开关、分 子器件和逻辑门性能的超分子，并在此基础上探讨这些具有特异构造的物质的实 际应用。上述的超分子化合物大都属于环芳化合物，为得到这些具有拓扑学结构 的新型化合物，人们已经进行了许多不懈的努力。早在四十多年前就有人研究这 类分子的合成，但是产率很低。直到上个世纪八十年代中期发展的模板合成策略 才极大地简化了这几类物质的合成。 1 2 1 联萘模板效应 联萘类化合物可以作为一个很好的模板，这主要是基于这类分子在手性构型 上具有高度稳定性。这些合物已在合成中经常被用作构筑光学活性化合物的起始 原料成，已成为创制不对称催化剂的最成功的前体【2 ，1 2 15 1 。同时一些具有拓扑结构 功能化合物也相继被合成出来，如d r o z 等【2 4 】利用光学纯的联萘为模板合成了化合 物7 及其立体异构体，这些分子的空腔中，六个汇聚在一起的羟基构成一个环状的 笼带，可以识别某些碳水化合物。d i e d e r i c h 等【2 5 】以手性联萘为手性模板合成了，单 一手征构型的( r ，r ，r ，尺) 四联萘笼状化合物8 。 r 2 a )b ) 7 图1 7a ) d r o z 报道的具有分子识别功能的三角形空腔联萘化合物 b ) d i e d e r i c h 报道的环芳( r ，尺，r ，尺) 一8 l i n 等【2 6 1 以铂乙炔化物为连接子合成了具有光学活性的金属环芳9 a c ，并初 步研究了其不对称催化活性。 基于手性联萘模板的螺旋分子的设计与合成 r r e t 3 p p e t 3 o r o r 9 a ：r = e t 9 b ：r = a c 9 c ：r = h 图1 8 以联萘为模板构筑的金属环芳 本课题组报道了一种以2 ，2 二乙炔一1 ，l 一联萘为模板，具有拓扑结构的四联萘 笼状环芳分子1 0 的合成【2 7 1 。随后我们又报道了一种具有“铰链结构腔形状且大 小可自由张合的环芳分子1 1 【2 8 1 的合成，这种具有空腔变形潜能的共轭性环状分子 对于研究主一客体7 c 一尢弱相互作用的包合物超分子将有特殊的意义。 冠r 固一l o ( 冗足r 足冗r 足固一l l 图1 9 “铰链”结构与腔形状、大小可变的环芳分子l o 。1 1 硕十学位论文 1 2 2 金属离子模板效应 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“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得到重视。图1 1 0 表 示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。 c ，+ + ) 卜、 牛+ ) 卜 一邂， 啼。 一 一 图1 1 0 金属离子模板合成索烃示意图 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【2 9 】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 ，他们成功的制得含铜离子的索烃1 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。 1 2 图1 1 l 金属离子模板法制备索烃1 2 基于手性联萘模板的螺旋分子的设计与合成 s a u v a g e 等【3 0 j 利用金属离子模板法设计并成功地得到了第一个简单的分子结 1 3 ( 又称：t r e f o i lk n o t ) 。他们的设计非常新颖且富有想象：首先设计了含有两个l ，1 0 菲咯啉单元的分子链，在具有配位效果的菲咯啉单元之间相隔4 个碳，目的是使 得链索既有一定柔性又很难折叠产生分子内配位。当两条分子链与两个c u ( i ) 络合 ( 分子间络合) 时，两条链相互缠绕形成了一个双螺旋结构。通过与多聚醚环合，然 后脱除金属离子c u ( i ) ，即可得到一种拓扑学上非常有趣的目标分子1 3 。这种分子 与相应的大环同分异构体在拓扑上是完全不同的，并且形成的两种拓扑异构体不 能相互转化。具体的设计思路如图1 1 2 所示。 。9 毒品产o 1 3 图1 1 2 金属离子模板法制备分子结1 3 1 2 3 大环冠醚模板 7 r 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地依赖于氢键相互作用。在1 9 8 9 年，s t o d d a r r t 等【3 l j 报道了 一个通过冗供体受体法合成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1 0 ( b p p 3 4 c 1 0 ) 的混合物，然后加入过量的l ，4 二( 溴甲基) 苯搅拌4 8h ，通过简单的后处理后可以以7 0 的高收率得到目标产物1 4 。此索 烃呈深红色，表明电荷转移相互作用( 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 硕上学位论文 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 1 4 图1 1 3 大环冠醚模板法制【2 】索烃1 4 质的形成中起了重要的作用。1 9 9 4 年s t o d d a r t 小组【3 2 1 报道了一个被命名为奥林匹 克环的五环索烃1 5 的合成。奥林匹克环的自组装为我们打开了通向更复杂、更奇 特的内锁环领域的大门，激发人们充分利用想象力去合成更富有特色的化合物。 图1 1 4 “奥林匹克环”1 5 此外，在b p p 3 4 c 1 0 存在下将端基溴化物分子与联吡啶分子发生烷基化反应， s t o d d a r t 研究小组【3 3 】也合成出许多冠醚类轮烷。1 hn m r 图谱中质子信号向高场移 动，表明存在着较强的尢供体受体相互作用。 1 2 4 酰胺氢键模板 1 9 9 2 年，h u n t e r 【3 4 】报道了一种利用酰胺氢键为基础的一类新型2 索烃】的合 成。二胺化合物与间苯二甲酰氯在极低浓度下反应，除了以5l 的收率得到预期的 大环产物1 6 外，还以3 4 的收率得到一种意料之外的未知物质。经结构鉴定后证明 是一种新的2 【索烃】。在这个化合物的结构中，存在的6 个氢键及兀兀相互作用确定 了这个索烃的超分子结构。以氢键为基础的索烃合成法，方法简便，目前这方面 基于手性联萘模板的螺旋分子的设计与合成 的研究十分活跃。1 9 9 5 年，l e i 曲等【3 5 1 报道了到这类含有酰胺单元的最简 oo + _ 1 6 图1 1 5 酰胺氢键模板法制【2 】索烃1 6 单的2 【索烃】的合成。他们用间苯二甲酰氯与对二甲胺基苯在极低浓度下反应，以 2 0 的收率得到2 - 【索烃】1 6 。l e i 曲等人已经在最初体系的基础上合成了很多有趣 的索烃，并且这种方法已经扩展到了轮烷和分子结的合成上。如f r i t zv 6 9 t l e 【3 6 】报 道了t r e f o i lk n o t1 7 的简单制备方法。这也是第一个利用酰胺氢键合成t r e f o i lk n o t 的例子。 a 弋产- + c h 2 c 1 2 e t 3 n 图1 1 6 酰胺氢键模板法制t r e f o i lk n o t1 7 1 2 5 环糊精模板 环糊精具有独特的空腔状疏水结构，利用疏水作用、范德华力、氢键等共同 作用，环糊精可以作为一个很好的模板与线性分子形成超分子结构。尽管化学家 在二十多年前就合成了以环糊精为环状结构的多轮烷，但以环糊精为环状结构的 2 【轮烷】在1 9 9 7 年才首次被合成出来。最近，华东理工大学的田禾等人合成了一个 具有双荧光波长识别的“分子算盘 。环状部分为0 【环糊精，链状部分为偶氮苯单 元，以两个能发射不同荧光波长的萘酰亚胺中心为端基。在外界光刺激下，环糊 精部分能在两个位置状态间移动，且运动前后与两种荧光对应。这些成果有希望 在分子逻辑门和信息存储方面得到应用【3 。 硕士学位论文 1 3 具有环结构分子的合成进展 1 3 1 轮烷、索烃、分子结和环芳 轮烷( r o t a x a n e ) 是一类让合成化学家和结构化学家深感兴趣的分子。它是由一 个或多个环状分子套在一线状分子上，在线状分子的两端用尺寸足够大的端基加 以封闭而成的超分子体系。最简单的轮烷结构由一个线状分子和一个环状主体构 成；由1 个线状分子和n 1 ( n 芝2 ) 个环则构成【n 】轮烷。由于轮烷具有两个相互独立 的部分( 线状分子轴和环状主体) ，因而环可以相对地在轴上自由滑动。在线状分子 两端配置的大端基，可以防止环从线状部分脱出。常见的端基大多为位阻较大的 有机官能团，如卟啉、葸、二茂铁或c 6 0 等，也可通过形成过渡金属配合物的方式 构筑足够尺度的端基【3 8 】。类轮烷( p s e u d o r o t a x a n e ) 结构则没有端基。轮烷结构是构 成分子梭( 一种分子机器) 的基础。通过适当的分子设计，可以使得分子轴和环状主 体之间产生某种力学键( m e c h a n i c a lb o n d ) 。通过改变和控制环组分与线性组分的相 互作用，可以在分子水平上实现特定性质的可逆转换，化学、光学或电化学的手 段都可以用来实现这个目的。目前，化学家已经获得了一些可以控制分子环固定 在分子轴的一些特定位置的轮烷，并且探讨了它们在外部条件刺激下环在这些特 定位置之间的相对滑动。这些轮烷将来有可能成为可以实际应用的分子器件。 一 争 图1 1 7 轮烷和类轮烷示意图 索烃( c a t e n a n e ) 是另一类具有特异构造的超分子化合物，它们具有连环套那样 的拓扑结构，通常环与环之间没有共价键联系。它们不仅具有漂亮而特殊的拓扑 学几何图形，并有可能在超分子识别及分子电子器件等方面得到应用。在轮烷或 类轮烷中环状主体可以以线状分子为轴发生旋转或平动，同样在索烃中一个环能 够在另一个环中滑动或转动。在轮烷或索烃中引入特殊的功能片断或识别位点， 在一定信号的刺激下，其分子内部可能发生机械运动或相对位置的变化，造成某 些不同的“态”。如果这些“态”之间的转化是可逆的，并且可以通过光谱等方法 检测，这些特殊物质就有可能具有分子机器或分子开关的功能【3 9 1 。 一 图1 1 8 【2 】索烃及【3 】索烃示意图 基于手性联萘模板的螺旋分子的设计与合成 相对于以上描述的两类化合物，人们对环芳的研究可以追溯到18 9 9 年。p e l l e g r i n 发现了第一个环芳化合物【2 2 m e t a c y c l o p h a n e ，其后c r 锄和s t e i b e 唱通过w u n z 【4 0 1 偶 联反应第一次成功合成了化合物【2 2 】p a r a c y c l o p h a n e 。 h 2 b r h 2 b r 1 8 图1 1 9w u r t z 偶联反应获得的化合物1 8 随着对环芳理化性质的认识的不断深入和新的合成方法学，特别是过渡金属 配合物催化下的偶联反应的发展，4 2 1 ，环芳化学得到了极大的发展。目前它已经成 为超分子化学、分子识别学、有机催化剂构筑学、分子接受器的模板构筑学、冠 醚化学和穴状配体的构筑学等领域的重要组成部分。在材料科学方面，环芳化学 可以提供一些其他化合物非常有用的砌块，比如环芳化合物被用作单体通过c v d 技术来制备功能性聚合物。 作为环芳体系重要组成部分，具有刚性结构并含有不饱和碳氢主链的大环近 年来受到了广泛关注，其中，以c 童c 为连接桥的环芳化合物更是研究的热点。这类 由芳环和乙炔撑单元有序构成大环化合物，由于分子中多个c 三c 的存在，从而造 成整个分子中碳氢比例的增加，当c h 1 时，此类化合物将属于碳富材料化学的研 究范畴【4 3 1 。芳环和乙炔撑单元的有序构成使得该体系具有良好的分子导电性，同 时由于环构造的刚性结构使得该体系具有尽量小的环应力、较大的直径厚度和纳 米尺度的内环体积，另一方面这类大环容易发生非共价驱动的自缔合而形成超分 子结构。正是芳炔环诸多的特殊性质从而引发一系列关于三维纳米结构、液晶、 管状通道、主客体化合物和多孔有机固体的研究。 1 3 2 具有螺旋手性化合物的合成进展 光学活性的环芳( c y c l o p h a n e ) 分子，诸如拓扑有趣的螺旋和笼状环芳分子是一 类非常引人注目的分子母体，这不仅仅是因为其分子结构优美和在合成上富有挑 战性，更重要的是它们独特的结构特征( 如兀共轭和螺旋手性等) 预示出这类化合物 作为新型功能材料的应用潜力。虽然从8 0 年代末以来，环芳分子就已经是国外几 个有影响的实验室深感兴趣的研究目标，并逐渐成为他们在合成方法、结构理论 和应用探索研究中的焦点，但见报道的多是非手性的环芳分子或一些消旋化的混 合物。 关于单螺旋分子，已经有一些报道，而对于单一手性的螺旋分子只有零星的 报道。例如，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1 9 a 。s l a v e n 等 硕士学位论文 f 4 5 1 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1 9 b 。对于化合 物1 9 b ，起始原料联萘衍生物的光学性质决定了1 9 b 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。 。岛。 1 9 a 。r 啡二 非馓三r 1 9 b 图1 2 0 单螺旋化合物的1 9 a 和1 9 b v o l l h a r d t 及其合作者【4 6 1 报道了第一个具有螺旋手性芳环的合成， 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n = 7 时，首尾两个苯环重叠。图 1 2 l 为 7 p h e n y l e n e2 0 。此外，他们还报道了 8 】- ，【9 p h e n y l e n e 的合成4 7 1 。 基于手性联萘模板的螺旋分子的设计与合成 图1 2 l 具有螺旋手性的 7 】p h e n y l e n e2 0 在为数不多的关于双螺旋分子