（有机化学专业论文）杯4芳烃及其含硫衍生物的合成研究.pdf

摘要 摘要 杯芳烃是一类由苯酚单元与甲醛缩合而成的大环化合物 这类化合物具有易 修饰 空腔大小可调 对离子或分子客体均能识别等特性 日益受到人们的重 视 被认为是继冠醚 环糊精之后的第三代主体化合物 功能化杯芳烃衍生物 在生命科学 分离技术 环保工程 医药技术等领域有广阔的应用前景 杯芳 烃可借助于氢键 静电作用 分子作用力 堆积等非共价键作用 超分子力作 用 来识别客体分子 因此国内外众多学者对杯芳烃及其衍生物以及超分子化 学十分感兴趣 并开展了广泛的研究 本文合成的含硫杯 4 芳烃衍生物 由于含硫基团的引入具备了更好的络合能 力 在重金属离子识别 模拟酶应用方面具有很好的应用前景 为此设计了如 下的合成路线 并对合成工艺进行了优化 对叔丁基苯酚与甲醛在碱性条件下直 接缩和的方法制备了5 1 1 1 7 2 3 一四叔丁基 2 5 2 6 2 7 2 8 四羟基杯 4 芳烃 然 后 用无水三氯化铝催化在无水甲苯中通过反向f r i e d e l c r a f t s 反应脱去上缘的 叔丁基得到2 5 2 6 2 7 2 8 四轻基杯 4 芳烃 然后 在硫酸和冰乙酸中中加入多 聚甲醛 脱叔丁基的杯 4 芳烃 通入氯化氢气体 得到氯甲基化的杯四芳烃 然后 氯甲基化的杯四芳烃与c h 3 c o s k 反应生成硫代乙酸酯 再在乙醇和乙 醇钠的作用下水解生成末端巯基 然后再与对甲基苯磺酸一缩 7 醇酯反应 即得目标分子 关键字 杯芳烃 含硫衍生物 合成 a b s t r a c t a b s t r a c t c a l i x a r e n e s w h i c ha l eb a s k e t s h a p e dm a c r o c y c l i ec o m p o u n d so fp o t e n t i a li n t e r e s tf o r h o s t g u e s tc o m p l e x a t i o ns t u d i e s r e p r e s e n tt h en e wt y p eo fr e c e p t o ra f t e rc y c l o d e x t r i n sa n dc r o w n e t h e r s d u et ot h e i re a s yf u n c t i o n a l i z a t i o na n ds t r o n gc o m p l e x i n gp r o p e r t i e st o w a r d sc a t i o n s a n i o n sa n dn e u t r a lm o l e c u l e s t h e yh a v er e c e i v e dp a r t i c u l a ri n t e r e s t so fn u m e r o u sc h e m i s t si n r e c e n ty e a r s f u n c t i o n a lc a l i x a r e n e sh a v eb e e na p p l i e ds u c c e s s f u l l yt ob i o m i m e t i cr e s e a r c ha n d s e p a r a t i o ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r t 1 1 en o v e lc a l i x 4 a r e n ed e r i v a t i v e sw h i c hb r a n c hc h a i ni n c l u d e ss u t f y d r y la n dn i 仃y l g r o u pw a sd e s i g n e da n ds y n t h e s i z e d w ea l s oo f f e ra l li m p r o v e ds y n t h e t i cr o u t et ot h i sc o m p o u n d f r o mp t e r t b u t y l c a l i x g a r e n e 1 p t e r t b u t y l c a l i x 4 a r e n e 1 i sr e a d i l ya c c e s s i b l es y n t h e s i z e db y r e a c t i o no fp t e r t b u t t p h e n o la n df o r m a l d e h y d e t h er e m o v a lo ft h ep b u t y lg r o u p sf r o m 1 h a s b e e ns h o w nt op r o c e e ds m o o t h l yt oa f f o r dc a l i x 4 a r e n e 2 t h e n i nt h es u l f u r i ca c i da n di c y a c e t i ca c i d w ea d d e di ns o m ec l u s t e ra l d e h y d e c a l i x 4 a r e n e t h eh y d r o g e ng a s t h e nw ec o u l dg e t c h l o r i n e m e t h y l a t i o nc a l i x 4 a r e n e t h e n c h l o r i n em e t h y l a t i o n c a l i x 4 1 a r e n er e a c t e dw i t h c h 3 c o s kt og e ts u l f u ra c e t a t e a n da g a i ni ne t h a n o la n da l c o h o la n dg l y c o le s t e r ss h r i n k st w o r e s p o n s et a r g e t m o l e c u l e s u n d e rt h ea c t i o no fs o d i u mh y d r o l y s i s t h e n g e n e r a t e e n d m e r c a p t o a c e t i c t h e n r e a c t e dw i t hp t o l u e n e s u l f o n i cd i e t h y l e n eg l y c o l t h et a r g e tm o l e c u l a ri s g o t k e yw o r d c a l i x a r e n e s u l f u r b e a r i n gd e r i v a t i v e s s y n t h e s i s i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集 保存 使用学位论文的规定 同意如下各项内容 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版 并采用影印 缩印 扫描 数字化或其它手段保存论文 学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版 在不以赢利为目的的前 提下 学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动 窀q 乡 名 j 鲥 捐 利多 作 年 姊俨 论 位一z 学 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下 进行 研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的 已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体 均已在文中以明确方式标明 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担 虢尹孑彩 沙口7 f 年多月少日 第1 章前言 第一章前言 1 1 杯芳烃的产生及其发展 杯芳烃 c a l i x a r e n e 是一类由苯酚单元与甲醛在碱性条件下缩合而成的大环 化合物 它的出现是与酚醛树脂的研究密切相关的 1 8 7 2 年 德国化学家a d o l p h y o nb a e y e r 1 发现苯酚与甲醛水溶液经加热可得到一种坚硬 树脂状难纯化的物 质 但由于受当时实验条件的限制 产物结构没有鉴定 3 0 年后 在1 9 0 5 1 9 0 9 年间 比利时化学家l e ob a e k e l a i l u i 2 1 重新对苯酚和甲醛水溶液反应进行详尽的 研究 制备了酚醛树脂 并将其产品化合取得专利 这种树脂塑料被取名为 b a k e l i t e 从此开创了合成高分子的新纪元 由于酚醛树脂固化之后是不溶和不 熔性的高分子 对它的结构和固化过程的研究都是困难的 1 9 4 2 年 奥地利化 学家a l o i sz i n k e 3 在前人工作的基础上设想 如果将底物苯酚改为对位取代的苯 酚 便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 产物不是他预期的线型酚醛树脂 而是 一个高熔点的晶状化合物 经鉴定为环状的四聚体 如图1 1 这是杯芳烃发现 的渊源 1 图1 1 杯 4 芳烃 在此后的数十年中 对这类化合物虽有一些研究 如k a m m e r e r 4 l j f f lh a p p e l l 5 利用多步法合成了一些具有4 7 个苯环结构单元的类似物 但这类化合物的潜在 第1 章前言 用途并没有引起广泛的兴趣 直到2 0 世纪7 0 年代末 随着冠醚 环糊精等大 环化台物研究工作的深入 特别是它们有作为模拟酶的可能性 这类大环化合 物引起了美国化学家cd 嘶d g u t s c t m 极大的兴趣 在其合成与性能研究方面开 展了细致且深入的工作 才使这类大环化台物引起化学界的注意 由于其环四 幕体的c p k 分子模型在形状上与称作c a l i cc r a t c r 的希腊式酒杯相似 如图1 2 因此g u l s e h e 将这类化合物命名为 杯芳烃 c a l i x a t c n c c a l i x 源于希腊文酒杯 r c n e 为芳香烃类 在杯芳烃豹命名中 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 l i x 与m e l l e 之间 将苯酚上的取代基放在 c a l b i n a 1 e 1 1 e 的前面 例如 化合物1 被命名为p t e r t b u t y l c a l i x 4 a l c i f l e 关于杯 芳烃的命名细则 见文献州 田1 2 杯 4 芳烃与希腊式酒杯的对比 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 d 它是一类合成的低聚物 它的空穴结构大小的调节具有 较大的自由度 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 不但可以在杯芳烃下缘的酚羟基和上缘的苯环对位发生衍生化反应 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合能力和模拟酶活力 4 它的热 稳定性及化学稳定性很好 可溶性虽较差 但这各有利弊的一面 通过衍生化之 后 某些衍生物具有很好的溶解性 5 杯芳烃不但能与离子 且能与中性分子形 第1 章前言 成主客体包合物 这是容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 基于杯芳烃上述的一些特点 自7 0 年代末至整个8 0 年代 杯芳烃的研究工 作发展非常迅速 到现在已有多本专著和多篇综述性文章报道杯芳烃在液膜传 输 络合萃取分子探针一 分子器件 传感器 液晶 非线性光学等领域的应 用潜力 1 2 杯芳烃的制备 杯芳烃的合成方法一般可分为三类 一步合成法 逐步合成法和片段缩合法 一步法指酚类化合物一与甲醛 或其它醛 在酸 碱的催化下合成杯芳烃 z i n k e 开创了杯芳烃的一步合成法 他率先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 1 后来g u t s c h e 对z i n k e 的方法进行了 改进 用对叔丁基苯酚和甲醛在适当的碱和适当的溶剂中加热反应4 6 小时 即可选择性地合成出杯 n 芳烃 n 4 6 8 t m n 步法除了能有效地合成上述三种 杯芳烃外 还能合成杯 5 芳烃 产率1 6 8 杯 7 芳烃 9 杯 9 芳烃直到杯 1 2 芳烃 1 0 1 1 l 只是产率一般较低 杯 3 芳烃及杯 1 3 1 6 芳烃都已通过一步法在 合成产物中检测到 但迄今还没有分离得到纯品 n c h 2 0 o h 图l 2 一步合成对叔丁基杯 n 芳烃 现在我们通常用一步法制备对叔丁基杯 n 芳烃 i l 4 6 8 并且反应条件 已经相对很清楚 但对于其反应机理还存在许多问题 例如为什么反应条件的微 小变化即可以得到不同的特定产物 现在一般认为杯 4 芳烃是热力学控制产物 它可以通过杯 8 或杯 6 芳烃作为起始物 在一定条件下经过芳环亚甲基的断裂 第1 章前言 和重组而形成 其中杯 8 芳烃转化的速度大大超过杯 6 芳烃 1 2 1 杯 6 芳烃的形 成与模板效应关系较大 无论采用钾 铷还是铯的氢氧化物 杯 6 芳烃都是产 物的主要成分 特别是用氢氧化铷 可制得高收率的化合物杯 6 芳烃 这可能 是由于杯 6 芳烃的孔穴与铷离子的直径相匹配的原因 1 3 1 采用较高的碱浓度有 助于杯 6 芳烃的生成 杯 8 芳烃是动力学控制产物 它是通过一对羟甲基化的 线型四聚体以半杯 8 芳烃形式缩聚而成 1 4 一步法合成杯芳烃最突出的优点是方法简单易于操作 是目前最常用的合成 杯芳烃的方法 但由于酚与醛之间反应的复杂性 虽迭经研究 不明之处仍甚 多 致使该法适应性较差 本来杯芳烃是一类合成的大环化合物 应可方便地 调节环的大小来得到不同空穴的主体分子 但用一步法就较难获得1 1 为奇数的 杯芳烃 因此对一步法合成中影响结构的因素及反应机理等 尚有进一步深入 研究的必要 以使该法能适用于更多的取代酚类和合成各种大小环的杯芳烃 但同时也存在明显的缺陷 不能直接合成带有不同取代基的杯芳烃 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拥有不同取代基的杯芳烃 逐步法 合成杯芳烃首先是由h a y e s 和h u n t e r 1 5 j 提出的 该方法是以邻卤代对取代苯酚 通过亚甲基逐步与对取代苯酚相连 得到一端是卤素 另一端是羟甲基的线型 低聚物 然后脱卤关环成为杯芳烃 由于合成步骤太多 此方法的总产率一般 很低 合成线路见图1 3 4 第1 章前言 b 岭o h b r r b o h o h o h r 图1 3 逐步合成杯 n 芳烃 针对上述缺陷 k a m m e r e r t l 8 1 提出了以邻双 羟甲基 对取代苯酚一步合成线 型三聚体 然后与邻双 卤甲基 对取代苯酚关环的方法 使反应步骤大大简化 逐步合成法的反应步骤虽然多且总收率较低 但特别适用于合成一些特殊 的带有不同取代基的杯芳烃 如手性杯芳烃 这个优势是一步法所不能取代的 尽管多步合成法可以合成特定单元数目和对位有不同取代基的杯芳烃 但是这 种方法本身存在不可弥补的缺点 如反应路线太长 环化反应需要在极低浓度 下进行 总反应收率非常低等等 因此目前这种方法在杯芳烃的合成中并不太 常用 为保持逐步合成法的灵活性 而又克服其步骤多的缺点 德国化学家b o 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 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 常采用还有 2x l 2 x1 1 1 9 c 2 2 x1 2 0 l c 4 l 2 l 等几种方 法 洲 r洲杰yr 第1 章前言 o h b r b r 2 r 3 图l 4 片断法合成杯芳烃 片段缩合法具有逐步法的优势 也简化了逐步法的步骤 但环化缩合产 率不高 现主要用于合成一些具有特殊结构的杯芳烃 1 3 杯芳烃的构象特点 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 对杯芳烃的化学性能及反应来说都具有非常重要的意义 6 第1 章前言 1 3 1 构象可变性 杯 4 芳烃有四种主要构象 图1 3 杯芳烃的构象 g u t s c h e 把它们分别定义为 锥式 c o n e 部分锥式 p a r t i a lc o n e 1 2 一交替 1 2 一a l t e r n a t e 和1 3 交替 1 3 a l t e r n a t e t 7 锥式 1 3 2 影响构象的因素 半锥式1 3 交替1 2 交替 图1 3 杯芳烃的构象 杯 4 芳烃的衍生化必然会对构象产生影响 其影响程度取决于取代基的性 质和衍生物的母体类型 而杯 4 芳烃的构象变化直接影响其在主一客体化学中 的行为 因此 可以采用引入限制性基团的方法将其构象加以固定1 8 1 2 1 当杯 4 芳烃酚羟基上的官能团体积大于乙基时 各种构象之间不再可能相互转变 这样 四取代杯 4 芳烃的构象在合成过程中就被固定下来了 1 3 1 4 1 如当杯 4 芳烃的氧 原子上连接体积较大的正丙基时 由于空间位阻作用 使芳基围绕c 2 c 6 轴的 转动受到限制 从而可以阻止构象的变化 1 2 对于混合取代或不对称取代的杯 4 芳烃 则有可能分离出多种构象异构体 1 l 配位状态有时也能影响杯芳烃的构象 如手性杯芳烃 如图1 4 7 第1 章前言 图1 4 手性杯芳烃举例 加入正己醇 环己醇或正庚醇后 由于配合了小分子 可以观察到从 交替 构象到 锥式 构象的转型1 2 反应条件对产物的构象也有影响 在2 5 2 6 2 7 2 8 羟基杯 4 芳烃的羟基芳酰 化产物中 同时存在 锥式 部分锥式 和 1 3 交替 构象 但各构象异构 体的比例则与试剂 温度 溶剂等因素有关 1 5 此外 采用不同的碱催化反应 也可以得到同一化合物的不同构象产物 l 们 1 3 3 构象和性能的关系 杯芳烃的性能与构象有很大关系 不同环大小的杯芳烃存在的同分异构体数 目不同 总体上可分为 锥式 半锥式 和 交替式 三种类型构象 所有 酚羟基处于同一平面称为 锥式 构象 其中一个酚羟基处于不同平面者为 半 锥式 构象 两个以上处于不同平面者为 交替式 构象 由于杯芳烃锥式构 象酚羟基之间存在着氢键 它们易与金属形成兀键 目前应用最广泛 1 4 杯芳烃的化学修饰 1 4 1 酚羟基对位上的化学修饰 即原叔丁基所在位置 1 酚羟基上对位上引入特性基团 大量实验表明 杯芳烃衍生物的分子识别选择性主要是由空腔大小和杯四 芳烃的取代情况所控制 通常情况是在缓和碱性溶剂存在下 杯芳烃与卤代物 第1 章前言 进行取代反应 从而导入各种基团 这些基团包括醋 胺和羧酸类衍生物并用 于金属离子和铵离子的包合配位作用 杯芳烃易于修饰性使其很容易引入含n s p 等软碱原子的官能团 从而衍生出对p b 2 c d 2 h 矿 a u 3 等重金属离子有特 殊识别作用和分离能力的衍生物 例女1 d i e l e m a nc d 1 7 1 等人在羟基上引入含p 和n 的官能团 如图1 5 汤又文 等人在羟基上引入含s 的官能团 如图1 6 p p h 2 4 图1 5 含磷的杯芳烃衍生物 图1 6 含硫的杯芳烃衍生物 2 酚羟基的冠醚化 在各类杯芳烃衍生物中 杯芳冠醚是最令人瞩目的一类 因为杯芳冠醚中 同时含有杯芳烃和冠醚两种主体分子的亚单元 它们之间的协同作用导致其结 9 恤 卅 n n 气 i 一 专洲 第1 章前言 构不仅仅是这两个主体单元的简单加和 而往往表现出与单个杯芳烃或冠醚不 同的性质和对于某些客体更加优越的配合与识别能力 最为简单的杯芳冠醚一 杯芳单冠醚 它门是下缘分别以多氧亚乙基链相连的1 3 桥连和1 2 桥连的杯 4 芳烃 如图1 7 1 9 1 采用引入多个空腔 构成体积可调节的化合物及导入杂原 子等方法使杯冠化合物扩展了对物质 特别是对金属离子 识别的可能性 此外 桥 连还限制了苯酚单元的转动 可获得构象稳定的化合物 因此 这类杯芳烃化 合物开拓了多功能的主体分子的合成思路 对于进行多点识别具有十分重要意 义 1 4 2 上沿的化学改进 图1 7 杯 4 1 3 一冠醚和杯 4 1 2 冠醚 士 赤 n 3 4 上沿的功能化是将叔丁基杯芳烃脱去叔丁基后再在叔丁基的原来位置上进 行衍生反应 往往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 亲电反应 其目的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 是扩大或加深空穴 例如 a t w o o djl 等人合成了一系列的上沿改性的杯芳烃衍 生物 如图1 8 1 0 第1 章前言 阽 慧 e t o o c r c h 2 n m e 2 r c h 2 c o n h c c h 2 0 h 3 3 图1 8 上沿改性的杯芳烃衍生物 2 0 常见的衍生反应主要有磺化 硝化 氯烷基化等反应 目前上沿的化学改 性展现了蓬勃生机和诱人的应用前景 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 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 2 1 1 也可以通过多步法合成 2 2 1 但硝化类杯芳烃衍生物往 往作为含氨基类杯芳烃合成的中间产物而出现 杯芳烃上沿的硝基的还原可以 用s n c l 2 还原法 n a 2 s 2 0 4 还原法和r a n e yn i 联胺催化还原法 2 3 1 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沿中 产生一类 具有色变功能的杯芳烃受体 卤烷基化反应也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 乙烯基 单糖等基团和p s s i 等杂原子引入 使得杯芳烃具有新的功能 还可以通过系列反应将醛基 亚磷 酸酯等引入杯芳烃的上沿 川 1 4 3 采用新型母体的功能化 杯芳烃母体一般是苯酚或间苯二酚与甲醛或酮缩聚而成 近几年新型类苯 酚 甲醛缩聚的人工受体层出不穷 使得杯芳烃家族日益兴旺 杯萘酚芳烃 萘环 的导入既增加了大键电子共辘的离域程度 又扩展了空穴尺寸 同时多个取代 基的引入有利于改善杯萘酚的性质 对于分子识别具有较大的意义 目前合成 的主要有 羟基在外侧且类似于杯间苯二酚结构的杯 4 萘酚 c a l i x 4 n a p h t h a t e n c 2 5 1 叔丁基杯 4 萘酚 2 6 1 多个取代基的杯 4 萘酚 2 刀等 一 第1 章前言 些卟啉原及类卟啉原的类杯芳烃化合物又重新引起化学工作者的重视 如以呋 喃 吡咯代替杯芳烃中酚的位置而得到的杯杂芳烃 杯吠喃 c a l i x f u r a n 杯毗咯 c a l i x p y r r o l e b 2 8 1 目前杯芳烃研究领域中一个新的趋势是对杯芳烃的骨架实施改变 用杂原 子或含杂原子的基团代替桥联亚甲基而形成的杂杯芳烃 如硫杂杯芳烃 由于经 典的杯芳烃 不含硫桥 主要是通过其酚羟基上氧原子与金属离子发生作用的 因 而表现出对碱金属离子有特别强的识别能力 对碱土金属离子 稀土金属离子 的识别能力要差得多 而对低价过渡金属离子等软酸类金属离子则基本上无识 别能力 所以对杯芳烃进行结构改变 引入桥联硫原子以代替原来的桥联亚甲 基 可以引入对软酸类离子有良好亲和力的软碱类离子作为新的作用位点 因 此硫杂杯芳烃及其衍生物与经典的杯芳烃相比较 应能对p b 2 c d 2 h 9 2 之类的 软酸离子表现出良好的识别能力 具有较强的亲和力和分离选择性 1 5 本课题的立论依据和意义 杯 4 芳烃中具有由亚甲基相连的苯酚单元 分子结构中具有很多反应活性 点 可引入特定功能的基团 这些功能基团的导入改善了杯芳烃的各种物理化 学性能 使它在分子识别 分子催化 分析化学等方面有较好的应用 本课题对杯 4 芳烃下沿的酚羟基对位即原叔丁基所在位置进行化学修饰 引入含有巯基的支链 这种化合物的合成研究在国内外鲜有文献报道 含硫的 杯芳烃衍生物是作为具有特定功能的新型的杯芳烃衍生物 由于含硫基团的存 在 大大提高了对金属离子的识别及选择配位性能 尤其是对重金属离子的识 别 因此此类杯芳烃衍生物的合成研究对金属离子的富集分离 水污染控制 冶金方面有着潜在的应用价值 1 2 第2 章杯芳烃衍生物的应用 第二章杯芳烃衍生物的应用 2 1 在催化剂领域的应用 杯芳烃类衍生物具有结构灵活多变 尤其是构象变化 易于修饰的特点 在 环的上沿和下沿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 作用 堆积作用及诱导楔合等非共价键协 同作用来识别客体分子 从而实现配位 催化和能量转换等特殊功能 并且具 有广阔的工业应用前景这里主要介绍几种它们的催化作用 2 1 1 模拟酶 近年来 以模仿天然酶对底物识别和高效催化活性为目的的模拟酶研究是 生物化学和有机化学的重要课题 其中以环糊精模拟酶的研究最为成热 杯芳 烃及其衍生物的空腔由于既有柔韧易变的特性 又有多重结合能力 且较易修 饰 而能适应极为广谱的底物的要求 因而对由杯芳烃构筑模拟酶的开发也是 一项极具应用前景的研究 早在1 9 8 6 年s h i n k a i 等 3 l j 就开展了这方面的工作 他 发现下端连有 o r 基的磺基杯 4 芳烃 r c h c o o h h 能够催化1 苄基 1 4 二 氢尼古丁酰胺的水解 u n g a r o 等t 3 2 3 3 1 将对叔丁基杯 4 冠 5 醚成功地用作水解酶 模型 他们发现 乙酸酯的甲醇解在没有金属离子存在时反应极慢 但在加入 少量的b a 2 之后可以使反应加速一百万倍以上 效率己与转酰化酶相当 其原 因是主一客体配合物中的b a 2 能稳定亲核加成时产生的负离子中间体 使速控 反应 亲核加成 的反应速率显著提高 因此该冠醚杯芳烃在被b a 2 活化后 在中 等强度的碱性条件下可作为有效的酰化转移催化剂 它可以使对硝基苯基乙酸 酯 p n p o a c 的水解速度增j j w i o 倍 第2 章杯芳烃衍生物的应用 2 1 2 反相转移催化剂 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 杯芳烃的上沿和下沿经过适当的修饰后 就可满 足这种需要 与常用的相转移催化剂比较 杯芳烃催化剂的用量更少 反应时 间更短 活性更高 早在1 9 7 7 年 b u r i k s 等1 2 8 j 就发现 下沿连有乙氧链的对叔 丁基杯芳烃在非极性介质中具有相转移催化能力 可以解决油 水乳化问题 并可应用于石油精馏 有专利报道 2 9 称 与采用季铵盐相比用杯芳烃做相转移 催化剂可以有效地提高芳基卤化物氟代反应产物的产率和纯度 c a f e o 等 3 0 合成 了杯 6 吡咯和混合杯 n 呋喃 m 毗咯 n m 6 几种新型的大环化合物 并对它们 进行了相转移实验 由于杯芳烃在其空穴中能包含有机客体分子 故还可作为 反相转移催化剂 把有机反应物从有机相转送到水相 在水相中进行反应 反 相转移试剂与普通的相转移试剂相比有两大优点 1 含水的催化剂溶液易于分离 和循环 2 如果在反应温度下有机反应物是液相 则不需要其他的有机溶剂 2 1 3 其他催化作用 杯芳烃除了在反相转移催化剂和模拟酶两方面比较突出外 在其他方面也 有不同程度的发展 n a o y am o m h a s h i 掣3 4 j 合成了对叔丁基硫杯 4 芳烃的两种双钛核配合物 一 种由于杯芳烃配体形成了锥形结构 使得两个金属中心在其所形成的狭窄的平 面上顺式排列 两者间距离很近 另一种的两个钛则为反式排列 顺式的配合 物在芳醛与甲硅烷基烯醇醚的m u k a i y a m a 丁间醇醛反应中表现出的很高的催化 活性 表明这种二齿l e w i s 酸对醛具有双倍的催化能力 在聚合反应方面 h y u n g r o k 3 5 研究了c r i i i 对叔丁基杯 4 芳烃 烷基铝 体系对乙烯聚合反应的催化性能 浙江大学报道了杯芳烃稀土 烷基铝体系对 苯乙烯 丁二烯以及乙烯聚合反应的催化性能p 6 1 郑炎松等口7 合成了n 4 6 8 的杯 n 芳烃钛化合物 以甲基铝氧烷为助催化剂 研究它们对烯烃聚合的催化 1 4 第2 章杯芳烃衍生物的应用 行为 发现杯 4 和 6 得到问规度在9 0 以上的间规聚苯乙烯 杯 8 只得无规聚 苯乙烯 说明杯环过大 不利于间规聚合 导致无规聚合物的产生 2 2 在色谱分离方面的应用 色谱分离的核心是固定相 流动相与被分离组分间的相互作用 尽管影响因 素众多 但分离效果和固定相 流动相对被分离溶质的识别及形成的超分子的 稳定性差异有关 作为一类优秀的超分子受体的代表 杯芳烃及其衍生物在色 谱分离和分析中 将有良好的应用前景 但目前杯芳烃在色谱中的应用主要还 是用作气相色谱和高压液相色谱的固定相 2 2 1 气相色谱固定相 1 9 8 3 年m a n g i a 首次报道对叔丁基杯 8 芳烃涂于硅烷化的红色硅藻土上作气 相色谱固定相 成功地实现了醇类 氯代烃和芳香烃的分离 结果表明杯芳烃 的自由羟基是影响色谱性能的重要因素 p e t r 等将对叔丁基杯 4 芳烃涂于硅烷化 的硅藻土上作气相色谱固定相 以气相色谱的定量结构 保留关系为辅助手段 对杯芳烃与醇类 烷烃 氯代烃及低烷基取代苯等物质的选择性包结特性作了 研究 得出影响包结作用的主要因素是主客体之间的p p 作用 这为杯芳烃包结 物性质的研究提供了新的研究方法 国内武汉大学吴采樱课题组以杯芳烃冠醚 和有机硅氧烷交联聚合后作毛细管气相色谱固定相 克服了小分子杯芳烃成膜 性差 熔点高和难溶等缺点 成功地分离了醇类 卤代烃及芳香族物质 了m 引 2 2 2 高压液相色谱 固定相键合硅胶固定相己经成为液相色谱发展的主流 g l e n n o n 等以功能化的 杯芳烃键合硅胶固定相h p l c 对碱金属离子的选择分离进行了研究 分析发现杯 4 芳烃键合硅胶固定相h p l c 大大增强了对n a 的分离选择性 而杯 6 芳烃键合 硅胶固定相h p l c 对c s 的分离选择性并无明显提高 随后他们将杯 4 芳烃及其 第2 章杯芳烃衍生物的应用 衍生物用于分离碱金属离子 碱土金属离子和氨基酸盐取得了很好的效果 f r i e b e 等用对叔丁基杯 4 芳烃键合硅胶固定相h p l c 分离二取代芳胺位置异构体 及肽 核苷和二肽与脯氨酸的混合物等生命分子 该填充柱在各种色谱条件下 使用了6 个月后 仍然保留了较高的分离选择性 显示了此类键合硅胶固定相的 高稳定性 g e b a u e r 等应用此类h p l c 对缩氨酸的顺反异构体和尿嘧啶及其衍生 物 雌二醇的位置异构体及立体异构体进行了分离研究 杯芳烃衍生物键合硅 胶固定相h p l c 成功地进行分离n a c s 也已有报道 2 3 有机材料的稳定剂 由于杯芳烃的热稳定性和非挥发性 杯芳烃的衍生物已成功的用作有机材料 塑料 橡胶等 的抗氧剂 抗腐蚀剂 热 光稳定剂等 女1 s c i f a r t h 等发现 母体 杯芳烃对叔丁基杯 4 芳烃不仅是聚烯烃的有效光稳定剂 而且是聚烯烃和1 2 3 4 四氢化萘比较理想的抗氧化剂 其性能明显优于经典的抗氧剂2 6 二叔丁 基一甲基苯酚 在杯芳烃的磺酸衍生物存在下 丙烯酸 或其盐 与水溶性交联试 剂的共聚物具有较好的抗水腐蚀的功能 四乙基杯 4 芳烃醇是丁睛橡胶 天然 橡胶以及丁苯橡胶的光 热稳定剂 抗氧化剂和抗臭氧剂 2 4 稀有元素的选择性提取 i z a t t 3 9 等人利用杯芳烃与碱金属离子的键合能力 从核废料的水溶液中高效 回收金属艳 其回收装置包括三个液相 第一相是含艳的铀裂变降解液 第二相 是一定比例的二氯甲烷和四氯化碳 将杯 8 芳烃加入该相配成l m o l l 溶液 第三 相是二次蒸馏水 作为接受相 当第一相与第二相接触时 杯芳烃在碱性条件 下至少失去一个羟基质子 然后与艳离子络合形成中性配合物 然后艳离子能 以较慢的速度迁入纯水相 上述过程原则上可以用来从各种碱金属离子的混合 物中回收艳 1 6 第2 章杯芳烃衍生物的应用 在碱性条件 l 胺 d m f 下 铕或其它镧系金属均能与对叔丁基杯 8 芳烃 形成稳定的配合物 从而作为一种方便而有效的试剂 对叔丁基杯 8 芳烃可把 所有的镧系元素转化为易溶于有机溶剂的配合物 展示了杯芳烃在镧系元素的 钝化 溶剂萃取以及极性溶剂中镧系离子的催化反应等方面的应用前景 硫醚 杯芳烃已被证明对a g 和a u 3 有特殊的萃取能力 这些化合物对从海水 或淡水 中提取金和银有重要的意义 此外 带有硫胺 酞胺 疏基等官能团的杯芳烃 衍生物对c d 2 p d 2 h 矿 等重金属离子的识别与萃取亦有报道 另外杯芳烃衍生物可用来从海水中提取铀并已取得重大突破 到目前为止 多个日本专利报道利用杯芳烃衍生物从水溶液中提取铀 例女l l s h i n k a i t 4 0 报道对 磺酸基杯芳烃经几步化学反应键合到交联的氯甲基化聚合而得到的树脂可提取 海水中的铀 2 5 在荧光分析中的应用 l i u t 4 l 等通过研究杯芳烃与b c d 相反的荧光行为 指出带正电的客体分子 与杯芳烃带负电的取代基之间的静电作用以及氢键的形成 抑制了杯芳烃分子 的内部翻转 而这种内部翻转会导致客体分子荧光增强 氢键与静电作用导致 客体分子周围强极性或亲水性氛围的形成 从而产生了更强的荧光猝灭 d i a m o n d 4 2 1 研究发现 杯芳烃具有 全能 的三维平台 可以对其上下沿进行官 能化 在增大其水溶性的同时引入各种具有荧光性质的键合单位 以此形成分 子受体 以荧光信号的改变来选择性地络合金属离子 中性分子或者手性识别 对映体 从而具备形成光化学传感器的潜在价值 由于杯芳烃水溶性较差 在 光分析特别是荧光分析中仅限于对有机介质中的某些客体有机分子以及水溶液 中碱金属离子 碱土金属离子和某些过渡金属离子的测定 相对于杯芳烃良好 的主体性质以及荧光检测技术所具有的高灵敏度和高选择性而言 这显然是一 个很大的不足 所以 研制具有良好的水溶性和光谱活性的杯芳烃衍生物 开 发其在荧光分析中的应用已成为目前化学家们的研究热点 1 7 第2 章杯芳烃衍生物的应用 2 5 1 识别碱金属离子 向酯化杯 4 芳烃母体引入甲氧基取代的萘酯化合物 以萘作为荧光团 l e r a y l 4 3 考察了其在乙腈 乙醇 乙醇一水为溶剂的溶液中与l i n a k c e m 孑 的荧光行为 发现随着溶剂极性增加 形成络合物的量子产率均增加 并 且在乙醇一水溶液中 n r 与其络合物稳定常数约为1 3 0 0 足以测定毫摩尔浓度 的n a 而l i k c a 2 十 m 孑 的干扰可忽略 基于光诱导电子转移 p e t 过程 机理 将罗丹明b 与杯 4 骨架以胺基共轭连接形成的化合物 荧光强度与n a 浓 度在0 0 1 2 0m o f l 之间成线性关系 选择性高 可用于临床n a 的检测 4 4 1 在 以受体为基础的导电高分子 c p s 研究中 为获得良好的可逆信号 m a r s e l l a 等在 聚噻吩的主链上引入l 3 位取代的杯 4 芳烃 从而构成一个分子识别 位点 它与金属离子络合后 主体化合物的构象发生变化 导致共轭度增大 平面性 增强 能量在分子内更容易地进行传递 荧光增强 用于对碱金属离子l i n 矿 k 的测定 具有良好的选择性和灵敏度 在光化学传感器研究中 具有两个荧 光团的杯芳烃衍生物 络合n a 之后 四个羰基与n a 十成键后重新定向 两芘基 相对空间构象发生变化 间隔距离增大 破坏了激基缔合物的形成 造成荧光 强度变化 荧光光谱蓝移 l i c s r b k 等同族离子的存在不产生干扰或 干扰可忽略 可用于水溶液中痕量n a 的识别检测 葸酯四取代的杯 4 芳烃 4 5 在c h c l 3 溶液中于4 1 8n l n 处有最大单体发射 在3 9 1n m 和4 4 3n n l 处有两个发射 带 当分别向其中加入l i n a k 后 发现完全相反的荧光现象 随着l i n a 的加入 整个荧光光谱的强度显著降低 而随着k 的加入 4 1 8 胁发射峰强度 降低但4 4 3n n l 的发射带荧光增强 在4 3 2n l t l 处有一等发射点 此点的荧光强度 不随k 浓度改变而改变 上述现象可使我们选择性识别并定量测定非水溶液中的 k 且依此计算不同k 浓度背景下l i n a 浓度 第2 章杯芳烃衍生物的应用 2 5 2 识别碱土金属离子 基于p e t 机理而制得的新型杯 4 l 衍生物 4 6 1 与c e 的结合常数比与n a k c s 的结合常数大2 3 个数量级 用于c a 2 的测定 常见金属离子不干扰 在所 有杯芳烃衍生物中对c a 2 有最高响应 其识别机理在于未络合c a 2 之前 c h n 上的孤电子对不参与配位 激发态蒽的特征荧光因分子内能量转移过程而猝灭 络合c e 后 c h n 上的孤电子对要参与配位 其氧化电位增大 分子内电子转 移过程终止 葸的特征荧光得以恢复 2 5 3 识别副族及过渡金属离子 h i g u c h i t 4 7 1 等制备了分别含单 双 三叔丁基取代的硫杂杯 4 1 芳烃 m o n o d i 仃卜一t c a 并在其下沿引入丹酰基 从而得到具有很高荧光活性的主体分 子 它对水溶液中过渡金属离子如c 0 2 n i 2 c d 2 等有很高的选择性 此外 基于杯 4 芳烃的z n 2 n i 2 和c u 2 c 0 3 荧光探针也被证明有良好的选择性 在荧光免疫分析中 s a t o 等制得的 敏化 杯芳烃 不仅可以把激态能量有效地 传递给杯芳烃空腔 而且把仅对t b 3 的有效包络扩展至对几乎全部镧系元素的包 络 并且指出敏化基参与能量转移比苯酚环更为有效 u l r i c h 以5 5 双取代联 吡啶为结构单元 分别制备了两种两个 四个联吡啶取代的且以之为桥连基的 双杯芳烃 对位磺酸基取代的杯 6 芳烃与丽丝胺罗丹明b 的氯磺酰盐反应 制得新型主 体分子 4 引 具有 假 平面 六配位构型 可专一识另 u 0 2 c u 2 z n 2 p b 2 c d 2 n 1 4 n d 3 不干扰 杯 4 芳烃下沿引入荧光团丹酰基的同时引入可电离质 子的基团部卜 x s 0 2 n 卜 0 卜 n h 2 后 可在酸性水溶液中识别与分离 h g i i 溶液中的碱 碱土金属 过渡金属和重金属阳离子如a g i c d i i p b i i p d i i o a 及p t i i 等均不产生干扰 将1 3 双 5 一二甲胺基萘酚一1 一磺酰 基引入杯 4 中构成荧光探针 h 9 2 与其结合 可使荧光猝灭 1 0 0 倍常见离子不 干扰 3 以l 3 5 三甲氧基 对叔丁基杯 6 芳烃和l 3 5 三甲氧基 2 4 6 1 9 第2 章杯芳烃衍生物的应用 三溴代乙氧基 杯 6 芳烃为基本构架合成了一系列新型单 双杯 6 芳烃衍生物 研究了它们的吸光与发光特性 其中1 3 5 三甲氧基 2 4 6 一三喹啉酯一杯 6 可有效识别c u 2 与s n 2 叫 下沿含有n n 二氧联吡啶的杯 4 衍生物与e u 3 形成有色络合物 3 6 l0 4 l t o o l 1 c m 1 并有强烈荧光响应 4 9 连有鲁米诺 的杯 4 芳烃衍生物对水溶液中的a g 具有良好的响应 2 5 4 识别有机分子 连有鲁米诺的杯 4 芳烃衍生物 5 0 1 发现它在碱性水溶液中有良好的水溶性 并且与过氧化氢发生类似于鲁米诺 过氧化氢体系的化学发光反应 对过氧化氢 的检出限可达0 0 1ug m e n a g y 等t s q 研究了多种杯芳烃衍生物与有机客体分子的荧光行为 作为客体分 子模盘 各种具有斥电子基 e w g 的三氟甲苯衍生物被合成出来 利用其缺电子 芳环与杯芳烃的富电子芳环之间相互作用引起的空间构型变化进而导致荧光强 度变化 来达到对农药 杀虫剂中有效成分 氟甲苯及其衍生物 的即时测定 d i a m o n d 等 5 2 j 总结提出了可进行实时手性识别的主体分子应具备的四个条件 1 必须具备可与目标分子进行可逆相互作用的条件 如连有极性基团 酸 碱基 团 可产生氢键作用的基团等 2 这些基团可进行预组装以提供测定所需的选 择性 3 主客体的相互作用一定要给出可被外界观察并量化的信号 4 参与识 别以及信号传递的基团要以适当构型与所测分子键合 根据以上条件 他们分 别在对 叔丁基杯 4 芳烃和对 烯丙基杯 4 芳烃下沿引入手性荧光团 s 一2 萘脯氨 酸醇和p r o p r a n o l 胺 形成杯 4 芳烃衍生物 5 3 5 伽利用1 苯基乙胺 p e a 降麻黄碱 和苯乙胺醇的荧光猝灭作用对三者进行有效的手性识别 且测定 r 和 s p e a l 和d 降麻黄碱手性成分含量的误差分别小于4 1 和2 6 带有三 个芘基的杯 6 芳烃 其空腔尺寸可匹配有机胍离子的大小 并且络合过程不会 受到溶液中有机铵离子的干扰 由此得到了第一代可选择性 读出 有机胍离 子的主体荧光试剂 有望在生物分析领域得到广泛应用 5 5 j a m e s 等嘲在四烷基 第2 章杯芳烃衍生物的应用 化的杯 4 芳烃上沿引入两个2 一胺 甲萘硼酸 合成了第一代可对中性水溶液中糖 分子进行识别的杯 4 芳烃衍生物 此化合物对d 一果糖的络合常数约为l4 0 0 由 此使以杯芳烃为构筑单元的糖类荧光探针成为现实 根据包络客体前后主体激 基缔合物的形成与破坏 t a k e s h i t a 等合成了有半锥形构型的杯 3 芳烃衍生物 5 7 1 可有效识别伯铵离子并对之进行微量分析 2 5 5 识别阴离子 葸醌基引入内消旋 m e s o 一八甲基杯 4 上沿 构成有荧光功能的阴离子受