（有机化学专业论文）杯芳烃的结构修饰及其在离子识别中的应用.pdf

中文摘要 作为第三代超分子主体化合物的杯芳烃比环糊精和冠醚更加容易进行化学修 饰 通过对杯芳烃的上沿 下沿和桥碳亚甲基的修饰 能得到很多种功能各异的 杯芳烃衍生物 这些衍生物显现出独特的物理和化学性质 在分子离子识别 超 分子自组装 纳米材料 催化性能等领域有广泛的应用 因此杯芳烃的功能化修 饰及其应用引起国内外研究者极大的兴趣 经化学修饰杯芳烃对重金属 过渡金 属离子具有良好的配位识别性能 具有广泛的应用前景 本文从间苯二酚型杯芳 烃和四甲氧基间苯二酚型杯芳烃母体出发 设计合成了一系列含n o 杂原子的 杯芳烃衍生物 并研究了它们在金属离子的识别方面的性能 取得了较有意义的 成果 1 以间甲氧基苯酚和对烷氧基苯甲醛为原料 在浓盐酸的催化下 得到间甲 氧基苯酚杯芳烃母体 将母体与3 溴丙基 4 溴丁基邻苯二甲酰亚胺在碳酸钾 c h 3 c o c h 3 体系中反应 生成杯芳烃邻苯二甲酰亚胺醚类衍生物 肼解得到伯 胺类衍生物 再与水杨醛 吡啶醛缩合生成相应的席夫碱衍生物 用熔点 红外 光谱 核磁共振氢谱对所得化合物进行表征 2 以四甲氧基间苯二酚杯芳烃母体和间苯二酚杯芳烃母体为原料 与氯乙酸 甲酯在碳酸钾 c h 3 c o c h 3 体系中反应 生成全取代的杯芳烃醚酯类衍生物 醚酯类衍生物与水合肼 乙二胺反应 得到相应的酰肼 酰胺衍生物 再与水杨 醛 吡啶醛反应生成酰腙类衍生物及席夫碱衍生物 3 以合成的杯芳烃席夫碱衍生物为多齿配体 考察了它们与过渡金属离子和 重金属离子的配位情况 通过紫外光谱法研究了席夫碱衍生物与z n 2 c u 2 等金 属离子的络合比 确定了配合物的结构 在此基础上测定金属配合物的配位常数 结果表明 杯芳烃席夫碱衍生物与过渡金属离子 重金属离子有良好的配位作用 其中以z n 2 c u 2 h 9 2 c 0 2 n i 2 等最为明显 关键词杯芳烃席夫碱金属配合物离子识别 c o l l e g eo fc h e m i s t r ya n dc h e m i c a le n g i n e e r i n g y a n g z h o uu n i v e r s i t y y a n g z h o u c h i n a t h e s i sf o rm a s t e rd e g r e e f u n c t i o n a lm o d i f i c a t i o na n da p p l i c a t i o no ni o n r e c o g n i t i o n o fc a l i x a r e n e a u t h o r l i a n g l i s u p e r v i s o r y i n gh a n d a t e m a y 2 0 1 0 a b s t r a c t c a l i x a r e n e s t h et h i r dg e n e r a t i o ns u p r a m o l e c u l a rc o m p o u n d a r em o r el i a b l et o c h e m i c a lm o d i f i c a t i o n m a n yk i n d so fc a l i x a r e n ed e r i v a t i v e sw i t hv e r s a t i l ep r o p e r t i e s c a nb ed e r i v e db ym o d i f y i n gt h eu p r i ma n dt h ed o w n r i mo ft h ec a l i x a r e n e s w i t l l s p e c i a lp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s t h e yh a v eb e e nf o u n dv e r s a t i l ea p p l i c a t i o n si n n u m b e ro fr e s e a r c hf i e l d s i n c l u d i n gm o l e c u l a rr e c o g n i t i o n s e l f a s s e m b l y n a n o m a t e r i a l sa n dc a t a l y s t s oi th a sb e e na t t r a c t e dg r e e ti n t e r e s t si nh o m ea n da b r o a d c a l i x a r e n e sm o d i f i e db yh e t e r o a t o m c o n t a i n i n gg r o u p sh a v eg o o dc o m p l e x a t i o na n d r e c o g n i z a t i o na b i l i t i e st o w a r d sh e a v ym e t a la n dt r a n s i t i o n a lm e t a lc a t i o n s t h u sc a nb e w i d e l yu s e di nv a r i o u sf i e l d s i nt h i st h e s i sw eh a v es y n s i z e das e r i e so fc a l i x a r e n e d e r i v a t i v e sc o n t a i n i n gn i t r o g e na n do x y g e na t o m s t h e nw ea l s oh a v es t u d i e dt h e c o m p l e x i n gp r o p e r t i e so ft h ep r e p a r e df u n c t i o n a lm o l e c u l e sf o rt r a n s i t i o nm e t a li o n s s o m em e a n i n g f u lr e s u l t sw e r eo b t a i n e d 1 u n d e rt h ec a t a l y s i so fc o n c e n t r a t e dh y d r o c h l o r i ca c i d 3 m e t h o x y p h e n o lw a s r e a c t e dw i t ha l d e h y d et of o r mt e t r a m e t h o x y r e s o r c i n a r e n e t h et e t r a m et h o x y r e s o r c i n a r e n ew a sa l k y l a t e dw i t hn 3 b r o m o p r o p y la n dn 4 b r o m r o b u t u l p h t h i m i d et og i v e t e t r a s u b s t i t u t e dd e r i v a t i v e s t h e n 嘶mr e a c t i o n so fh y d r a z i n o l y s i s c o n d e n s a t i o n 晰t h s a l i c y l a l d e h y d e 2 p y r i d i n e c a r b o a l d e h y d es u c e s s e f u l l y as e r i e so fc a l i x a r e n es c h i f f b a s e sw e r eo b t a i n e d t h e i rs t r u c t u r e sw e r ec h a r a c t e r i z e db yn m ra n di r 2 t e t r a m e t h o x y r e s o r c i n a r e n ea n dr e s o r c i n a r e n e sc a nb ee f f i c i e n t l ya l k y l a t e dw i t h c h l o r o a c e t a t et og i v ea c t i v a t e de s t e rd e r i v a t i v e s w h i c hi nt u r nw e r ea m m o n o l y z e d i t h h y d r a z i n eo rd i a m i n e st og i v eh y d r a z o n ea n da m i d ed e r i v a t i v e s t h e nt h es c h i f fb a s e s c o u l db ep r e p a r e db yt h ec o n d e n s a t e do f a b o v eh y d r a z o n ea n da m i d ed e r i v a t i v e s 析t i l s a l i c y l a l d e h y d ea n d2 p y r i d i n e c a r b o a l d e h y d e b e s i d e sc h a r a c t e r i z i n gt h e i rs t r u c t u r e sb y n m ra n di r s i xs i n g l ec r y s t a ls t r u c t u r e sw e r ed e t e r m i n e db yx r a yd i f f r a c t i o nm e t h o d 3 t h ec o m p e x i n gp r o e p t i e so ft h et e t r a m e t h o y r e s o r c i n a r e n ea n dr e s o r c i n a r e n e s s c h i f fb a s e sf o rt r a n s i t i o nm e t a li o n sw e r es t u d i e dw i t hu v v i ss p e c t r o s c o p y f r o m w h i c hw ec o u l do b t a i nt h ea s s o c i a t i o nr a t i oo ft h eh o s t s 诵t i lc u 2 a n dz n 2 t h e nt h e a s s o c i a t i o nc o n s t a n t so ft h ec o o r d i n a t i o nc o m p l e xa l s oc o u l dh ec a c u l a t e d t h er e s u l t s t u r n e dt h a ts c h i f fb a s e sh a dd i s t i n c ts e l e c t i v i t i e sf o rt r a n s i t i o na n dh e a v ym e t a li o n s s p e c i a l l yf o rz n 2 c u 2 h 9 2 c o n i 2 k e y w o r d s c a l j x a r e n e s c h i f fb a s e s c o m p l e x i o nr e c o g n i t i o n 李亮杯芳烃的结构修饰及其在离子识别中的应用 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明 所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研 究成果 除文中已经标明引用的内容外 本论文不包含其他个人或集体已经发表 的研究成果 对本文的研究做出贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 客毛 签字日期 西桫年h2 莎日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档 允许论文被查阅和借阅 本人授权扬州大学可以将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 汇编学位论文 同时授权中国科学 技术信息研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库 并通过网络向 社会公众提供信息服务 学位论文作者签名 李毫 签字日期 b l o mr 月历日 导师签名 尊午 签字日期0 驴年y 月y 6 日 李亮杯芳烃的结构修饰及其在离子识别中的应用 第一章前言 第一节杯芳烃的研究进展及分类 一 杯芳烃的研究进展 杯芳烃是一类具有特殊环腔结构的大环化合物 是由苯酚单元通过亚甲基在 酚羟基的邻位连接而构成的环状低聚物 它们具有可调节大小的疏水空腔 上沿 的烷基和下沿的酚羟基易于进行化学修饰 能够衍生出许多不同结构 不同性质 的化合物 这些衍生物具有识别各种分子离子和包结有机分子的超分子化合物特 征 是一种引人注目的大环主体化合物 并且在配合物 1 1 分子离子识别 2 手性 识别 3 1 相转移催化剂 4 5 1 分子催化睁铂 纳米材料1 9 1 模拟酶 i o 及化学传感器 1 1 1 方面有广泛的应用 因此 杯芳烃的研究越来越受到人们的关注 杯芳烃的合成最早可以追溯到1 8 7 2 年 德国化学家b a e y e r l l 2 将间苯二酚和苯 甲醛在酸性条件下反应 得到一种红色固体 由于受实验条件的限制 产物的结 构没有得到证实 随着元素分析仪 单晶x 衍射仪的发明 杯芳烃的结构逐渐被 认识 1 9 4 0 年 v o g e l 通过元素分析研究了间苯二酚和脂肪醛的反应产物 推断 产物中酚和醛的比例应该为4 4 1 9 6 8 年 e r d t m a n 1 4 j 等人通过单晶x 衍射仪最终 证实了杯芳烃的环状结构 随后 h u n t e r h a y e r 及j c o m f o r t h 1 5 j 先后做了大量 详细的研究 表明可以设计和合成一系列具有不对称取代基团的杯芳烃 但并没 有引起科学界广泛的兴趣 直到七八十年代 随着对环糊精 冠醚等大环化合物 的深入研究以膨超分子化学 概念的提出 杯芳烃引起美国化学家c d g u t s c h e i l 6 j 极大的兴趣 并在该领域做出了出色的成绩 他提出并优化了 一锅煮 的合成 方法 大大提高了杯芳烃的产量 给人们进一步对杯芳烃进行化学修饰提供了原 料基础 他在杯芳烃的衍生化方面也做了很多工作 指出该类化合物具有大小可 调节的空腔 应该是一类具有广泛适应性的模拟酶 至此 杯芳烃的结构修饰和 应用才引起人们的广泛关注 2 扬州大学硕 t 学位论文 八十年代后 杯芳烃的衍生化及其应用迅速发展 鉴于杯芳烃有多个反应活 性点 可以从上沿 下沿 桥碳亚甲基及酚羟基间位进行修饰 上沿的修饰一般 是先脱去烷基 然后通过磺化 1 7 1 8 氯甲基化 1 9 1 亲电取代反应 2 m 2 1 等反应来进 行 下沿的酚羟基由于分子间氢键的作用而酸性不同 可以通过控制反应条件 如 碱的用量 碱的种类 反应时间及反应物的化学计量比等将杯芳烃酚羟基转 化为醚 酯 酰胺等基团 得到具有选择性功能的产物 杯芳烃衍生化方法多种 多样 因此各种各样杯芳烃衍生物均有报道 2 2 2 4 1 如 水溶性杯芳烃 杯芳烃冠 醚 杯芳烃穴醚 双杯芳烃 三杯芳烃 杯芳烃聚合物 基于杯芳烃的树枝状分 子 手性杯芳烃等 日本化学家s h i n k a i t 2 弛6 j 等人在此方面做了系统 详细的研究 这些是基于杯芳烃的基本骨架保持不变的研究 随着对杯芳烃的深入研究 人们考虑用不同的单体代替苯环 改变杯芳烃的骨架形成杯杂芳烃 如用吡咯 吡啶 呋喃 萘酚可以得到杯吡咯 杯吡啶 杯呋喃 杯萘酚 2 7 3 0 或用n s eo 等杂原子取代桥碳上的亚甲基而形成杂杯芳烃 这使杯芳烃及其衍生物分子在识 别方面有了更广阔的应用前景 也使得杯芳烃在有机化学 分析化学 催化化学 及材料化学及这些学科的交叉领域都显示了其作为超分子中一类优良受体化合物 的特殊价值 3 1 弓4 1 二 杯芳烃的分类 由于杯芳烃具有易于修饰 结构灵活多变的特点 使得杯芳烃数目繁多 我 们根据形成杯芳烃母体的单体种类的不同 将杯芳烃分为以下几种 1 间苯二酚杯芳烃l a f i g u r e l 1 间苯二酚杯芳烃是用间苯二酚与醛在酸性条件下加热回流生成的 反应产率 较高 早在1 8 7 2 年 德国化学家b a e y e r 就合成了间苯二酚杯芳烃 但由于受实验 条件限制 没有确定其分子结构 直到1 9 6 8 年e r d t m a n 等人通过单晶x 衍射仪最 终证实了它的环状结构 近年来 人们尝试使用更温和 更环保的方法来合成间 苯二酚杯芳烃母体 k o n i s h i t 3 5 等人将对甲苯磺酸加入到间苯二酚和醛的混合物中 在无溶剂的情况下研磨一小时 放置两小时后即可得到产物 而且产率较高 采 李亮杯芳烃的结构修饰及其在离子识别中的应用 用三氟甲磺酸金属盐作为催化剂或在微波加热下也可以完成间苯二酚与醛的缩合 反应 3 6 3 9 1 间苯二酚杯芳烃的修饰一般是在其上沿 下沿或者两个酚羟基之间的 碳原子上 大多数杯芳烃易溶于有机溶剂而不溶于水 但在杯芳烃上引入磺酸基 胺基和羧基等亲水基团则可以明显改善杯芳烃的水溶性 使得杯芳烃的应用不止 局限于有机溶剂 2 0 0 0 年 k a z a k o v a 4 0 l 将间苯二酚杯芳烃母体 甲醛溶液 亚硫 酸钠在水中反应 得到了c 2 取代的杯芳烃磺酸盐 该磺酸盐不仅具有良好的表 面活性 还可以与一系列氨基酸形成配合物 拓宽了杯芳烃的应用范围 八个羟基全部被甲氧基取代的间苯二酚杯芳烃的合成也有报道 1 9 9 2 年 b r u n ob o t t a 4 1 l 用b f 3 e t 2 0 催化2 4 二甲氧基苯基丙烯酸酯得到了此类杯芳烃1 b l al b f i g u r e1 1 杯芳烃母体化合物 2 四甲氧基间苯二酚杯芳烃2 m a t t h e w i 蜊等人在2 0 0 0 年用b f 3 e t 2 0 作催化剂 将间甲氧基苯酚和脂肪醛在 二氯甲烷中常温搅拌反应 得到了四甲氧基问苯二酚杯芳烃 f i g u r e1 2 相比间苯 二酚杯芳烃 四甲氧基间苯二酚杯芳烃不仅提高了在有机溶剂中的溶解度 且为 杯芳烃在手性识别 不对称催化和对映体分离等方面的应用开辟了更广阔的道路 o m e o r h f i g u r e1 2 四甲氧基间苯二酚杯芳烃的合成 r 4扬州大学硕士学位论文 3 对叔丁基杯芳烃3 f i g u r e1 3 对叔丁基杯芳烃是目前研究最多 最详细的一类超分子化合物 其合成方法 主要分为一步合成法和多步合成法 使用最广泛的是一步合成法 2 0 世纪4 0 年代 z i n k e l 4 3 用对叔丁基苯酚和甲醛在碱性条件下反应得到了对叔丁基杯芳烃 到7 0 年代 g u t s c h e 删对z i n k e 的合成方法进行改进 他使用不同的碱 不同的溶剂及 不同的温度分别选择性的合成了对叔丁基杯 4 杯 6 杯 8 通过控制反应条件 可以得到单一产物 而且产率较高 反应步骤简单 但这种方法只能制备对叔丁 基杯芳烃以及对位上有相同基团的杯芳烃 但手性杯芳烃的合成和应用一直是杯 芳烃的发展方向 所以 h a y e s 和h u n t e d 4 5 1 最早用多步骤法合成了对甲基杯芳烃 该方法同样适合对叔丁基杯芳烃的合成 k a m m e r e r 和h a p p e l 对该方法进行优化 他们用1 6 个步骤合成了对位上含有不同取代基的杯芳烃 尽管用多步骤合成方法 可以得到不对称的杯芳烃 但因为该方法步骤繁多 导致反应产率很低 该方法 没有得到普遍的应用 对叔丁基杯芳烃下沿的酚羟基整齐排列 能够较好识别碱 金属和碱土金属 4 6 形成的碗状疏水空腔能够包结相对应尺寸的金属离子和有机 小分子 4 硫代杯芳烃4 f i g u r e1 4 硫代杯芳烃是硫原子取代传统杯芳烃中的桥联亚甲基而形成的 类主体化合 物 是目前杯芳烃研究领域中的一个新方向 硫代杯芳烃最早是1 9 9 1 年由s o n e t 4 r l 等人通过多步反应合成的 但产率很低 仅有4 1 1 9 9 7 年 k u m a g a i l 4 8 等将对 叔丁基苯酚和硫粉在碱性条件下直接缩合 得到了对叔丁基硫代杯 4 芳烃 1 9 9 8 年 m i y a n o l 4 9 1 等对其反应条件进行优化 大大提高了反应产率 为人们深入研究 硫代杯芳烃及其衍生物打开了方便之门 由于用桥联硫原子取代了桥联亚甲基 使得芳香大环结构的刚性和极性都发生了较大的变化 硫桥比亚甲基桥具有更好 的柔软性 硫原子具有很好的配位性能 对重金属和过渡金属离子有极好的选择 性 李亮杯芳烃的结构修饰及其在离子识别中的应用 f i g u r e1 3 对叔丁基杯 4 芳烃 f i g u r e1 4 硫代杯 4 芳烃 5 其他新型杯芳烃 f i g u r e1 5 用某些杂环化合物代替苯环形成杯杂芳烃是杯芳烃研究领域中的另一个新方 向 杯萘酚 杯呋喃 杯吡咯及杯吡啶等是近年来越来越受关注的新型杯芳烃 1 9 9 5 年 g e o r g h i o u l 5 0 等人用1 萘酚与甲醛以碳酸钾作碱 在d m f 中加热回流即 可得到杯 4 萘酚 将萘环导入杯芳烃 不仅扩展了空腔的尺寸 同时也增大了p 电子的离域程度 多个取代基的引入有利于改善杯萘酚的性质 对分子识别有重 要意义 杯吡啶 杯吡咯 杯呋喃等是由吡啶 吡咯 呋喃与酮在低温或室温及 酸性条件下合成的 5 1 1 此外 在杯芳烃中引入硅元素可以改变其构象 醌式母体 5 2 1 不仅能够构成新的氧化还原体系 而且还可以形成具有电荷传递功能的新化合物 随着杯芳烃的深入研究 各种具有不同性质的新型杯芳烃层出不穷 极大地促进 了杯芳烃的发展 o ho h 杯 4 萘酚杯 n 吡啶 6扬州大学硕士学位论文 杯 4 吡咯杯 4 呋喃 f i g u r e1 5 几种具有代表性的杯杂芳烃的结构 二 杯芳烃及其衍生物的分子离子识别 随着生命科学 信息科学和材料科学的发展 分子识别已成为现代科学技术 中的一个热门课题 5 3 1 分子识别可以理解为底物与给定客体选择性的键和 杯芳 烃分子的识别过程在于其与客体的精巧互补 5 4 1 我们在其上沿或下沿引入各种基 团 衍生出一系列以杯环为骨架的带有亲水性 亲酯性和离子载体的受体1 5 5 这 些受体能与不同大小 不同性质的客体分子相匹配 包括金属离子1 5 6 1 有机小分 子 5 7 阴离子 5 8 及一些生物活性分子 5 9 1 其识别作用取决于杯环的大小 分子的 构象及杯环上的取代基 6 0 1 由于杯芳烃的易于修饰 杯环柔韧性 使其具有良好 的诱导适应能力 因此 杯芳烃及其衍生物是一类优秀的识别受体 一 对金属离子的识别 鉴于杯芳烃容易进行化学修饰的特点 人们将酯基 酰胺基 羧基 硫脲等 含o n s 等杂原予基团引入杯芳烃形成新的人工受体 此人工受体对碱金属及 碱土金属 过渡金属 镧系 锕系甚至放射性金属离子表现出良好的选择识别能 力 6 1 6 5 研究发现 影响杯芳烃选择性和亲和力的因素可总结为三点 1 杯芳烃 空腔的大小与离子的匹配程度 2 杯芳烃的构象和离子的配位构象 3 杯芳烃下 沿取代基的种类和个数 李亮杯芳烃的结构修饰及其在离子识别中的应用7 1 对碱金属及碱土金属的识别 碱金属及碱土金属一般为球形客体 球形空腔主体对它们的识别能力要优于 平面空腔主体f 删 一般来说 呈锥式构象的未经修饰的杯芳烃能较好的识别碱金 属 其下沿的酚羟基整齐排列 能够与相应尺寸的碱金属离子配位 随着杯芳烃 空腔的扩大 半径较大的离子也能够被识别 大量研究发现 杯 4 芳烃对n a 显 示最大选择性 杯 6 芳烃对n a 的选择性要小于k 同时还可以识别r b 和c s 而杯 8 芳烃对碱金属离子没有表现出明显的选择性 此外 杯冠醚对碱金属表现 出很高的选择性 其选择性与金属离子和杯冠醚空腔匹配程度有关 l e e 等 6 7 1 人用 紫外光谱法研究了杯冠醚对碱金属离子和过渡金属离子的识别作用 b c 5 对金属 离子选择性顺序是k r b c s n a c a 2 l i 而b c 6 的选择性顺序为 c s r b k c a 2 l i n 矿 b c 5 对k 的选择性最高 而空腔较大的b c 6 对c s 的选择性最高 f i g u r e1 6 b c 5 b c 6 f i g u r e1 6 两种含不同醚桥链的杯冠醚与金属离子作用的紫外光谱图 2 0 0 6 年 n i s s i n e n 掣6 8 1 人对间甲氧基苯酚杯冠醚的识别作用进行研究 得到 了类似的结论 k i m 叫等用紫外光谱法研究了上沿含有双偶氮基的杯 4 1 7 芳烃衍生 物与碱土金属的相互作用 在p h 为7 1 1 的条件下 杯 4 芳烃与c a 2 配位后的紫 外吸收峰由4 3 7 n m 红移到6 0 5 n m 可以看出杯 4 芳烃对c a 2 表现出极高的选择 件 8 扬州大学硕士学位论文 2 对过渡金属离子的识别 过渡金属离子也是常用的球形客体 对于它们的识别 除了静电作用 空间 因素外 极化和诱导作用起着重大的作用 未经修饰的杯芳烃母体对过渡金属离 子没有明显的识别作用 所以人们在杯芳烃上引入酯基 羧基 酰胺基 偶氮基 等柔性基团 为过渡金属离子提供特殊的配位环境 扩大了杯芳烃的应用范围 i s a b e l l e 7 0 j 课题组合成了含酯基 酰胺 双噻唑基 双吡啶基的偶氮杯 4 芳烃 并 研究了它们在一定条件下与过渡金属离子的作用情况 研究表明 在p h 为5 3 的 条件下 配体能够和c u 2 a g p b 2 n i 2 发生明显的配位作用 r e m im t 7 1 等合 成了带有四个单酰基团的杯 4 芳烃 并用荧光光谱研究了它们对过渡金属离子的 识别效果 结果表明此杯芳烃可以很好的选择识别p b 2 并且配体和a b 2 形成l 2 和2 3 的配合物 其中络合比为2 3 的配合物更加稳定 f i g u r e1 7 l i 彻 f i g u r e1 7 四丹酰杯 4 芳烃的机构及其与p b 2 的配位方式 将重氮 偶氮等引入杯芳烃 生成一系列有选择识别作用的受体 此受体与 金属离子配位时颜色发生变化或者生成有色物质 这一特性在分析化学及化学传 感器方面有广泛的应用 如c h a w l a 7 2 等报道了一系列含生色基团的杯芳烃与n i 2 c u 2 c 0 2 f e 2 生成黑色 棕色 红色的配合物 l 1 3 c f i g u r e1 8 基于杯 4 芳烃的荧光传感器 李亮杯芳烃的结构修饰及其在离子识别中的应用 9 黄志镗 7 3 1 等合成了以萘为荧光基团 以咪唑为配位单元基于杯 4 芳烃的荧光 传感器 能够很好的识别c u 和z i l 2 在甲醇和水的混合液中 受体和c u 配位 时发生荧光猝灭 与z n 2 配位时荧光增强 f i g u r e1 8 3 对镧系 锕系金属原子的识别 目前 人们对杯芳烃识别镧系 锕系金属离子的研究主要集中在e u 3 p r 3 t h 4 y b 3 等离子上 s h i n k a i 研究组 b e e r 研究组以及r e i n h o u d t t 7 4 1 研究组在这方 面做了出色的研究 此外 杯芳烃对放射性的重离子也有识别作用 如b c 6 b 对 f 有很高的选择性 f i g u r e1 9 f i g u r e1 9 b c 6 b 二 对有机小分子的识别 分子识别是以氢键 疏水作用及c h 兀作用等为主要推动力 以空穴的大小 分子的构象 空间几何匹配为主要选择依据 在作用方式方面 主要形成穴状空 腔笼型包结物 管状笼型包结物等 八十年代以来 g u t s c h e 7 7 1 等人系统研究了 杯芳烃与有机分子的包结识别作用 结果发现 杯芳烃能与许多有机小分子形成 稳定的包结物 这些小分子包括甲苯 氯仿 二氯甲烷 苯 吡啶 氧化吡啶 甲醇等 1 9 9 0 年 g u t s c h e i 瑁 报道了对叔丁基杯 4 芳烃与甲苯形成稳定的包结物 他们还发现杯芳烃对芳香族客体的包结作用很大程定上依赖于杯芳烃上沿的取代 基 如对叔丁基杯芳烃与甲苯的包结物要比上沿没有取代基的要稳定的多 杯芳 烃还可以识别有机胺类分子 m u s t a f i n a l 7 9 1 等人研究了水溶性的间苯二酚杯芳烃磺 酸盐对四甲胺 四乙胺 四丁基胺 n 一甲基毗啶在不同p h 下的识别作用 结果 表明 不管在中性还是碱性环境中 杯芳烃磺酸钠对四甲胺的包结程度大于四乙 胺 四乙胺大于四丁基胺 n 一甲基吡啶与主体分子在中性条件下形成稳定的包结 物 原因是在碱性条件下 n 一甲基吡啶上的甲基插入到杯芳烃空腔中 而在中性 条件下n 甲基吡啶上的吡啶环深入到杯芳烃中 形成了更牢固的 键 此外 杯芳烃也可以识别较大的分子 与 二茂铁 甾体 v b l 2 及多种染料分子 8 0 8 2 1 形成 配合物 具有广阔的应用前景 三 对阴离子的识别 关于杯芳烃对阴离子的识别报道还不多 主要是由于杯芳烃自身的结构及电 荷特征所致 因为杯芳烃的富电子空腔 未修饰的杯芳烃对阴离子无亲和性 但 如粜将带有阳离子 酰胺 冠醚 硫脲的基团引入杯芳烃 则修饰后的杯芳烃也 能很好的i q 月 j n 离子 其识别主要通过氢键作用和静电作用来进行 l a n g i 博在 杯芳烃上滑引入卟啉环和脲的组合基团 通过紫外光谱法发现它们对卤素离予有 显著的尺寸选择性 z l a t u s k o v a t 圳等人在对叔丁基杯芳烃上引入含酰胺及硫脲组合 的基团 能够同时识别k 和c i f f i g u r e1 1 0 1 f i g u r e l l 0 四 对生物活性分子的识别 杯芳烃不仅可以识别金属离子 阴离子及有机小分子 还可以识别生物活性 分子 对生物活性分子的识别包括对氨基酸的识别 8 5 8 7 1 糖类化合物的识别 8 8 8 9 1 肽链的识别 州 蛋白质的识别 及手性药物的识别1 9 o d a s h i m a l 9 3 增在杯 6 1 芳烃 上引入酯基合成了多巴胺传感器 对几种结构相似的儿茶酚类手性药物中的多巴 胺具有高度的选择性 我们希望随着杯芳烃生物活性分子识别的不断发胜 将对 药学 仿生化学等领域起着重大的影响 西 融懿骖 虿 罄 李亮杯芳烃的结构修饰及j c 在离子识别中的应用 三 杯芳烃及其衍生物的应用 1 提取 回收金属离子 s h i n k a i 峰人研究发现 水溶性的杯芳烃磺酸盐对过渡金属离子n i 斗 z n 2 c u 2 及镧系元素表现出良好的选择性 其中对0 0 2 2 的选择性最强 其配合物的稳 定常数k 高达1 0 4 1 92 此类受体可作为亲铀剂从海水中提取铀 2 0 0 0 年i z a t t 等 5 蜥 人最早使用对叔丁基杯8 芳烃从核废物溶液中回收c s 后来 他们又利用杯冠醚对c s 离子的高选择性 从小和n a 相对含量较高的溶液 中选择性的除去c s 2 在催化方面的应用 水溶性杯芳烃是一种良好的相转移催化剂 s h o i c h is l l i m i z u f 9 7 l 用间苯二酚杯芳 烃磺酸盐在水溶液中作为m a n n i c h 反应的催化剂 使反应在温和 无有机溶剂的 条件下进行 e n r i c od a l c a n a l e 峥8 增人用杯芳烃做催化剂 将伯胺成功转化为带一个甲基的 仲胺 由于杯芳烃在有机反应中的化学选择和位阻选择 伯胺被转化为带一个甲 基的仲胺后不再继续反应 使得反应能停留在生成仲胺的步骤上 达到了预期目 的 f i g u r ei 1 1 3 厂 3 化学传感器 l e l a y 叫在杯 4 芳烃的下沿引入一个含葸环的荧光基团和三个酯基 得到一个 餐 扬州人学颢i 学位论文 受体 通过对其进行光谱分析和测定耦台常数证明了此受体对n a 有高选择性 l e e i i 等报道了种新型的含芘胺基的杯芳烃冠状衍生物 既能与p b 2 和c 0 2 形成配合物 义可以通过氢键对f 进行选择识别 并且呈现出不i 司的荧光行为 f f i g u r e1 1 2 q f i g u r e1 1 2 4 手性识别 手性分离 手性杯芳烃在手性分离 对映体分离等方面有广泛的应川 2 0 0 2 年l t o i 掘 过环化反应将氨肇酸引入到杯芳烃中 合成了一类手性杯芳烃 以a 甲基苯基三 甲基铵离子作为客体研究了杯芳烃受体的手眭识别效果 从核磁共振谱幽上发现 外淌旋的客体中n c h 3 3 的信号峰由单峰裂分为双峰 表明此受体具有一定的手性 识别能力 f i g u r e1 1 3 r a r c h r h r c h c h 3 b r c h r h r 1 c h 2 p h c r c h 3 r hr c h z c 6 h 4 p o h d r c h r h r c h i n d o l e e r c h l r r h r r c c h c 3 h 3 r b c r h r c h 3 h 2 8 2 i h r c c h 3 3r hr c h c h 3 2 i r c c h a hr h r c h 2 p h i r c f c h i r hr c h 2 i n d o l e 李亮杯芳烃的结构修饰及其在离子识别中的应用 1 3 第二节四甲氧基间苯二酚杯芳烃的研究进展 杯芳烃是一类与环糊精 冠醚有相似功能的主体化合物 但由于具有模拟酶 的潜在用途 引起科学人员极大的兴趣 酶最重要的性质之一是具有手性识别和 不对称催化能力 杯芳烃本身不具有手性 因此 手性杯芳烃的合成 拆分及其 在手性识别方面的应用成为杯芳烃研究化学中的重要课题 合成手性杯芳烃主要 有两种方法 一是在杯芳烃上直接引入手性基团 二是破坏杯芳烃的对称性 使 其自身具有手性 通常把这种杯芳烃称之为固有手性杯芳烃 由于杯芳烃的上下 沿都易于修饰 可以直接引入具有光学活性的基团来合成手性杯芳烃 由于原则 上可利用所有的手性基团与杯芳烃共价连接 故可获得种类丰富多样的手性杯芳 烃 而且不需手性拆分就可以得到光学纯手性产物 目前 人们已经将剜1 0 2 l 氨 基酸f 10 3 1 肽f 1 删 甾体 1 0 5 等手性基团引入到杯芳烃上 得到了众多具有优良手性 识别和催化能力的手性杯芳烃 此方法简单易行 具有广泛的应用前景 固有手 性杯芳烃的合成一般通过在杯芳烃苯酚单元间位引入一个取代基 在上下沿引入 不同的基团或者使杯芳烃具有不同构象等方法来完成 合成步骤较长 反应产率 不高 反应产物还要做进一步的拆分才能成为光学活性对映体 但其结构独特新 颖 在手性识别方面显示出巨大的潜力 从而引起越来越多研究者的关注 一 四甲氧基间苯二酚杯芳烃的合成 2 0 0 0 年 m a t t h e w 1 0 6 1 等人设计合成了一类固有手性杯芳烃 四甲氧基间苯二酚 杯芳烃 他们用b f 3 e t 2 0 催化间甲氧基苯酚和脂肪醛反应得到四甲氧基间苯二酚 杯 4 芳烃外消旋化的混合物 但并没有对其进行手性拆分 f i g u r e1 1 4 扬州凡学碰f 学化浍土 0 一 吣 髓r o h i 龆h 3 r h ab f 3 e k o ze q tc h 2 c i an 2h f 拳目 2 旱t 置牌p 3 82 n 8 2 f i g u r ei 1 4 m a l a y 等f 1 0 7 1 人用c d 圆二色谱 分析了四甲氧基间苯一酚杯芳烃的构象 结果 发现溶剂极大的影响其壮j 象 在质子溶剂中分子呈船型构象 而在非质子溶剂中 呈皇冠构象 f i g u r e1 1 5 汽案张 二 四甲氧基问苯二酚杯芳烃的手性分离 由于不易找到合适的拆分方法获得光学纯的对映异构体 固有手性杯芳烃研 究进展较缓慢 但因为其固有手性不同于一般的中心手性 轴手性 是 种由于 对称面缺失引起的特殊的平面手性 无论从立体化学还是手性识别和不对称催化 方面都引起了人们的关注 1 9 9 0 年s h i n k a i 等1 1 0 8 1 首次对苯环间位不对称取代的固 有手性杯芳烃进行了分离 他们将问位不对称取代杯芳烃下沿的酚羟基全醚化 得到锥形构象的外消旋产物 并用h p l c 对其进行了手性拆皇 f i g u r e1 1 6 李亮杯芳烃的结构修饰及其在离子识别中的应用 f i g u r el 1 6 2 0 0 3 年 m i c h a e lk l a e s 1 叫等参照m a t t h e w 合成四甲氧基间苯二酚杯芳烃的方 法 合成了一系列手性杯芳烃 并且首次对杯芳烃的两个立体异构体进行分离 首先 他们在杯芳烃母体上引入一个手性樟脑磺酰氯得到两个非对映异构体 然 后用h p l c 对其进行分离 再经碱解即可方便地移除手性辅助基 得到一对光学 纯固有手性杯 4 芳烃 f i g u r e1 1 7 v 邋 三 四甲氧基间苯二酚杯芳烃的应用及研究前景 m a t t a y 等又通过在四甲氧基间苯二酚杯芳烃酚羟基上引入酯基 酰胺基 吡 啶等基团1 1 1 0 1 1 1 得到了一系列四甲氧基间苯二酚杯芳烃衍生物 2 0 0 6 年 n i s s i n e n 1 1 2 在四甲氧基间苯二酚杯芳烃母体上引入乙二醇低聚物结构 将母体中相 邻的两个酚羟基连接起来形成了穴状的冠醚结构 冠醚结构中的醚桥链与杯芳烃 苯环间的空腔可以包结金属离子 包结的金属离子的种类和个数与醚桥链的长短 有关 含有较短醚桥键的杯芳烃 b c 4 对k 表现出良好的识别作用 f i g u r e1 1 8 圆 嚣忡嚣 熙一 一 黧 扬州人学颤f 学位避立 后来 他们将较长的乙一醇低聚物结构及含有苯基的乙二醇低聚物引入到间甲氧 基苯酚杯芳烃母体上 b c 5 t b b c 6 形成了具有较大窄腔的丰f 芳烃衙醚结构 此 结构不仅可以包结体积较小的k 还可以包结体积较大的r b 和c s 尤其是对 c s 袁现出极大的选择性o 另q f i g u r e1 1 9 婶一 霉 f i g u r el 1 9 手性杯芳烃不仅可以应用于分予于性识别 还可以应用于不对称催化方面 2 0 0 1 年d i e l e m a n 讣首次报道了固有手性杯 4 芳烃金属配合物的不对称催化的应 用 首先 他们将卜沿1 2 二氧化膦取代的杯 4 芳烃与手性试剂 一 r 一n 一 1 一苯乙 基 一a 溴乙酰胺反应得到得到一对非对映异构体 用常规柱层析进行了分离 再将 分离后的手性杯芳烃与铑 钯形成金属配合物用于不对称催化研究 其中钯配合 物能催化乙酸一 1 3 苯基丙 2 烯 酯和丙二酸二甲酯的烷基化反应 f i g u r e1 2 0 采夸 一 筹 誓 李亮杯芳烃的结构修饰及其在离子识别中的应用 1 7 f i g u r e1 2 0 目前 人们对四甲氧基间苯二酚杯芳烃在衍生化 识别作用及手性方面取得 了一定的成果 与其他类型杯芳烃相似 通过在四甲氧基间苯二酚杯芳烃的四个 酚羟基上引入酯基 吡啶 酰胺基 冠醚等基团可获得丰富且具有高度选择性的 主体分子 与间苯二酚犁及杯杂芳烃相比 四甲氧基间苯二酚杯芳烃及其衍生物 在一般有机溶剂中有更好的溶解性 具有更广泛的应用范围 此外 由于手性杯 芳烃是一类极其重要的主体化合物 在手性识别和对映体分离方面已经表现出优 良的性质 四甲氧基间苯二酚杯芳烃是一种固有手性杯芳烃 但对其在手性识别 分离方面的研究刚刚起步 有些重要的性能作为不对称催化的诱导剂 还有待研 究 相信随着手性杯芳烃的不断发展 四甲氧基间苯二二酚杯芳烃更多更好的性能 将不断被发现 本论文选题思想 在过去的几十年里 杯芳烃衍生化及性能研究已经得了迅猛的进展 但深度 和广度还有待进一步拓展 特别是手性杯芳烃还刚处于起步阶段 设计并合成各 种具有特定官能团的杯芳烃衍生物并研究其潜在性能一直是杯芳烃领域的研究热 点之一 其中能高选择地配位和识别离子 尤其是重金属离子 过渡金属离子 阴 离子 和中性分子特别是生物有机分子的杯芳烃衍生物的研究最受瞩目 基于以上认识 本论文设计并合成了能对重金属离子和过渡金属离子具有识 别能力的手性杯芳烃 并对其衍生物的识别性能做了系列的研究 主要包括三个 1 8 扬州大学硕士学位论文 方面 1 以间甲氧基苯酚和对烷氧基苯甲醛为原料合成四甲氧基间苯二酚杯芳烃母 体 将母体与3 氯丙基 4 氯丁基邻苯二甲酰亚胺反应 生成杯芳烃邻苯二甲酰亚 胺醚类衍生物 肼解得到伯胺类衍生物 再与水杨醛 吡啶醛缩合生成相应的席 夫碱衍生物 2 以四甲氧基间苯二酚杯芳烃母体和间苯二酚杯芳烃母体为原料 与氯乙酸 甲酯反应生成全取代的杯芳烃醚酯类衍生物 醚酯类衍生物与水合肼 乙二胺反 应 得到相应的酰肼 酰胺衍生物 再与水杨醛 吡啶醛反应生成酰腙类衍生物 及席夫碱衍生物 3 以合成的杯芳烃席夫碱衍生物为多齿配体 通过紫外光谱法研究了它们与 过渡金属离子和重金属离子的配位情况 参考文献 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 郑炎松等 化学进展 1 9 9 9 1 1 2 7 5 2 8 5 刘育 尤长城 张衡益 超分子化学一合成受体的分子识别与组装肿 南开大学出版 社 2 0 0 1 2 6 2 7 a r e n a g c o n t i n o a u n g a r o r s c i o t t od e ta 1 t e t r a h e d r o nl e t t 1 9 9 9 4 0 l5 9 7 1 6 0 0 b a u r m f r a n k m s e h a t s j 甜a 1 t e t r a h e d r o n