（有机化学专业论文）含硫、硒、碲等杂原子的杯4芳烃受体分子的合成与性能.pdf

摘要 本论文分别研究了含硫、硒、碲等杂原子钳状受体和冠醚状受体杯 4 1 芳烃 的合成、结构，对过渡金属离子的选择性识别，对中性小分子的包结作用，讨论 了杯【4 芳烃的结构与离子选择性的相互关系，讨论了二茂铁基钳状杯 4 芳烃受 体和l ，1 二茂铁冠醚状杯 4 】芳烃受体的合成，用单晶结构分析及核磁共振等方 法证实了它们的结构讨论了它们的电化学行为。 1 文献综述部分概括介绍了超分子化学的起源、基本概念和与超分子化学 相关的一些具有重大应用前景的研究成果，讨论受体设计时应该考虑的一些基本 原则。 2 第二章讨论了硫冠醚杯 4 芳烃受体的合成和结构，钳状取代苯基硫杯 4 芳烃受体分子的合成、结构和离子选择性，研究了取代苯基上不同种类、不同为 值、不同数目的卤素原子对取代苯基硫杯f 4 芳烃受体分子的离子选择性能的影 响。研究了一些化合物的晶体结构。 3 第三章讨论了苯基、邻甲氧基苯基、二苯醚基、吡啶乙基、萘基等烃基 取代基硒基钳状杯 4 芳烃受体的合成讨论了】，3 二硒基和毗啶侧链的二硒基冠 醚状杯【4 芳烃受体的合成，研究了部分邻甲氧基苯基和苯基的硒基钳状杯 4 芳 烃受体的离子选择性能。 4 第四章讨论了苯基、萘基和二苯醚基等碲基钳状杯 4 芳烃受体分子，并 讨沦了一些苯基碲基钳状杯 4 芳烃受体分予的离子选择性能。 5 第五章讨论了二茂铁基硒基、二茂铁基碲基钳状杯 4 】芳烃和1 ，l 一二茂铁 基硒基、碲基冠醚状杯【4 】芳烃受体分子的合成及结构，用单晶结构分析证实化 合物均为锥式构象。讨论了部分二茂铁基化合物的电化学行为。 关键词： 杯【4 】芳烃，离子选择性，超分子化学。 a b s t r a c t t w e e z e r s - l i k ec a l i x 4 a r e n er e c e p t o r sc o n t a i n i n gc o n t a i n i n gs ，s e ，t ea t o m sa s w e l la sc a l i x 4 a r e n ec r o w ne t h e r sc o n t a i n i n gs ，s e ，t ea t o m sw e r es y n t h e s i z e da n d w e l lc h a r a c t e r i z e db y1 hn m r 1 3 cn m ra n dx r a yc r y s t a l l o g r a p h y i t si o n o p h o r i c p e r f o r m a n c e st o w a r d ss i l v e ri o nw e r ee v a l u a t e db yt h ei o n s e l e c t i v ee l e c t r o d e ( i s e s ) a n dt h e s t r u c t u r e s e l e c t i v i t yr e l a t i o n s h i p o ft h e s e i o n o p h o r e s w a sa l s od i s c u s s e d t w e e z e r s - l i k e c a l i x 4 a r e n er e c e p t o r sc o n t a i n i n g c o n t a i n i n g s e ，t e a t o m sa n d f e r r o c e n y l a sw e l la s c a l i x 4 a r e n e c r o w ne t h e r s c o n t a i n i n gs e ，t e a t o m sa n d 1 , 1 f e r r o c e n d i y lw e r es y n t h e s i z e da n d w e l lc h a r a c t e r i z e db y1 hn m r ，3 cn m ra n d x r a yc r y s t a l l o g r a p h y t h e i re l e c t r o c h e m i c a lp r o p e r t i e sw e r e d i s c u s s e d i nc h a p t e r1 ，w ed i s c u s s e ds o m ei s s u e sa b o u ts u p e r m b l e c u l a rc h e m i s t r y ，s u c ha s i t so r i g i n ，i t sa p p l i c a t i o n si nm o l e c u l a rc o m p t e r , e t c i n c h a p t e r2 ，w ed i s c u s s e dt h es y n t h e s i s ，s t r u c t u r e sa n dt h e i ri o ne l e c t i v i t yo f s u l f u rc r o w na n dt w e e z e r s - l i k e p h e n y l s u l f u rc a l i x 4 a r e n er e c e p t o r s i n c h a p t e r3 ，w ed i s c u s s e dt h es y n t h e s i s ，s t r u c t u r e sa n dt h e i ri o ne l e c t i v i t yo f t w e e z e r s l i k e c a l i x 4 a r e n e r e c e p t o r sc o n t a i n i n gp h e n y l s e l e n i u m ， 2 - m e t h o x y p h e n y l s e l e n i u m ，2 - p h e n o x y p h e n y l s e l e n i l i m ， p y “d y l e t h y l s e l e n i u m ， n a p h t h y l s e l e n i u ma n d c r o w ne t h e r sc o n t a i n i n gp y r i d y l ，e t c i nc h a p t e r4 ，w ed i s c u s s e dt h es y n t h e s i s ，s t r t l c t u r e sa n dt h e i ri o ne l e c t i v i t yo f t w e e z e r s 1 i k e c a l i x 4 a r e n er e c e p t o r s c o n t a i n i n gp h e n y l t e l l u r i u m ， 2 - m e t h o x y p h e n y l t e l l u r i u m ，2 - p h e n o x y p h e n y l t e l l u r i u m i n c h a p t e r5 ，w ed i s c u s s e dt h es y n t h e s i s ，s t r u c t u r e a n dt h e i re l e c t r o c h e m i c a l b e h a v i o ro ft w e e z e r s 1 i k e c a l i x 4 a r e n er e c e p t o r s a n dc r o w ne t h e r c a l i x 4 a r e n e r e c e p t o r sc o n t a i n i n gf e r r o c e n y l k e y w o r d s ：c a l i x 4 a r e n e ，i o ns e l e c t i v i t y ，h o s t g u e s tc o m p l e x ，s e l f - a s s e m b l y 南开大学2 0 0 0 级博士论文 1 1 前言 第一章文献综述 许多年以来，化学家都是先合成出各种分子，再研究这些分子的物理和化 学性质，而对分子之间存在的相互作用却没有给予足够的注意。随着研究的深入 和人们认识的拓展，这种局面有了改变。1 9 8 7 年诺贝尔化学奖授予了c j p e d e r s e n j - m l e h n 和d j c r a m 就是一个标志，它标志着对于非共价键弱相互 作用力键合起来的复杂有序且具有特定功能的分子集合体，即超分子化学的研究 取得了重要的进展。由此，发轫于p e d e r s e n 对冠醚的基本陛发现而分别由c r a m 、 l e h n 发展起来的主一客体化学( h o s t - g u e s tc h e m i s t r y ) “1 、超分子化学( s u p r a m o l e c u l a r c h e m i s t r y ) 。”的重要意义也因此爿被人们认以到。1 9 9 2 年学术刊物s u p r a m o l e c u l a r c h e m i s t r y 创刊，且有专著问世“1 。1 9 9 6 年由j 一m l e h n 任总编、j l a t w o o d ，j e d d a v i e s d d m a c n i c o l ，fv 6 9 t l e 任主编的十一卷本的超分子化学大全 r c o m p r e h e n s i v es u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y ) 6 3 出版面世，可说是超分子化学发展史 上的重要里程碑。2 0 0 1 年南开大学刘育等人出版了超分子化学合成受体 的分子识别与组装一书。对超分子化学的研究进展进行了综述”1 。超分子化学 可以看作是广义的配位化学，即将出版的1 0 卷本的配位化学大全i i ：从生物 学到纳米技术( c o m p r e h e n s i v e c o o r d i n a t i o nc h e m i s t r yi i ：f r o m b i o l o g y t o n a n o t e c h n o l o g y ) ”1 是对超分子化学最新的全面的综述。从其目录看，对配体与金 属离子的配位作用的讨论尤为全面。 与分子化学相对照，分子化学基于原子间的共价键，超分子化学( 图1 ) 则基 于分子间的相互作用，即是两个或两个以上的建筑块依靠分子间作用力缔合。运 用在特定的结构区域内的非共价键，即多种分子间的相互作用( 如静电力、氯键、 范德华力等) 的能量和立体化学方面特性的知识能够设计出人工受体分子，它们 可以通过形成超分子结构，既具有明确结构和功能的“超分子”，选择性地与底 物结合。 第一章文献综述 分子化学 = = = = = = = = = = = = j 超分子化学 共价键形成非共价键形成 x 合成 + 卜 价结合 超分子 图1 1 超分子化学 通过弱相互作用力的协同作用而进行的分子间识别和分子组装( 包括分子 自组装和自组织) 是自然界的普遍现象。例如，酶对底物的高度专一性识别，脱 氧核酸碱基的互补配对形成双螺旋结构以及生物膜和核酸酶的形成等。在细胞的 早期进化中，分子识别和自组装起着重要的作用。超分子化学家把相对简单的共 价键分子作为建筑块，通过分子间作用力自发组装成特定的分子配合物整体，每 一种分子建筑块都包含有识别信息和与其他分子进行相互补偿作用的要素”1 ，从 而创造出功能化的聚集体。这些识别和补偿作用主要是由氢键等非共价相互作用 构成的。 由于超分子化学是一门高度交叉的学科，所用的术语来自各种学科，如无 机化学、有机化学、物理化学和生物化学等。这导致数量众多的术语被用来描述 主体( h o s t ) 和客体( g u e s t ) ，例如一个受体分子( 生物化学中的酶) 也指主体分子或粘 合剂。分子粘合的底物也指客体物种。下面是常常用到的同义词 主体( h o s t )客体( g u e s t ) 配体( 1 i g a n d 】金属( m e t a l ) 酶( e n z y m e )底物( s u b s t r i t e ) 受体( r e c e p t o r )底物( s u b s t r a t e ) 南开大学2 0 0 0 级博士论文 受体( r e c e p t o r )药品( d r u 9 1 抗体( a n t i h 。d y )抗原( a n t i g e n l 1 2 超分子化学概述 1 2 1 超分子化学起源 受体概念的引入是由于人们认识到：分子如不结合，就不会起作用”1 。但结 合一定是有选择的这是e m i lf i s c h e r 在1 8 9 4 年明确提出的观点”o ，其著名 的表明几何互补性的“锁和钥匙”立体匹配原理( 图1 2 ) 是对此观点的形象拙述， 从而为分子识别打下了基础。选择确定性最终需要相互作用，即参与者之间的亲 和力，这可能与a l f r e dw e m e r 提出的配位的观点“”相关。在这一点上，可以把 超分子化学看成是广义的配位化学“。 超分子化学起源于碱余属阳离子被天然“”和人工合成的大环和多环配体， 即冠醚“”增口穴醚“”的选择性结合。它拓展后导致了分子识别“”的出现和证明 为一新的化学研究领域，进一步延伸到分子间相互作用和过程，并广泛扩展到其 他领域后诞生了超分子化学。分子识别化学也是“主客体化学”“”的核心内容。 图12f i s c h e r 的锁钥原理：主体中的受点( 锁) 和客体( 钥匙) 互补 1 2 2 超分子化学基本概念 1 2 2 1 分子识别 分子识别( m o l e c u l a rr e c o g n i t i o n ) 是超分子化学的核心概念，既是分子器件信 息处理的基础，又是组装高级有序结构的必由途径。所谓分子识别就是主体( 或 第一章文献综述 受体) 对客体( 或底物) 选择性结合并产生某种特定功能的过程，是组装及组装体 功能的基础。分子识别可分为对离子客体的识别和对分子客体的识别。最近在简 币的醇一股配合物中发现了分子识别的存在，表明了分子识别具有普遍性”“。分 子识别依赖于分子形状、尺寸和化学官能团之间的相互补偿作用。分子识别的范 围很广，从化学到生物，从天然主体到人工合成受体，从较简单体系的分子识别 到复杂生物体系的分子识别，以及催化过程等“。 1 1 2 2 分子组装 组装过程以及组装体的研究是超分子化学的核心问题。生物的奥秘和神奇 不是由于特殊的结合力、特殊的分子与体系，而是存在于特殊的组装体之中，这 种通过组装所形成的稳定结构具有一些根据其个别组件的特征无法预测的新特 性。天然体系所具有的自组装性、应答性、协同性与再生性，也正是人工体系所 追求的目标。师法自然去开发与创造新的功能与天然体系媲美甚至优于天然体系 的人工体系，是人类的永恒追求。因为大自然并没有穷尽化学的所有可能性，如 超分子功能材料及智能器件、分子器件与机器、d n a 芯片、导向及程控药物释放 与催化抗体、高选择性催化剂等等，乃至于分子计算机、生物计算机，甚至量子 计算机的实现也将会成为现实。 分子组装一般是通过模板效应、自组装、自组织来实现的。在讨论分子组 装时，涉及两个基本概念：组织和自组织。组织就是一个系统的要素按着特定的 指令，形成特定的结构或功能的过程；而自组织是指系统的要素按彼此的相干性、 协同性或某种默契形成特定结构与功能的过程。组织与自组织的区别在于有无外 界特定干预或信息来源的不同，自组织不是按系统内部或外部的指令完成的，而 是根据事物运动变化的规律和特定条件来完成的。超分子化学的重要目标是研究 组装过程以及组装体体系，并且通过分子组装形成超分子功能体系。 分子识别和自组装是超分子化学中相互依存的两个特征。为了使一组分子 白组装，它们必须首先聚集起来。这种聚集是由分子识别来完成的，例如通过分 子间力使分子选择性缔合成具有更明确清楚的结构。分子识别本身依赖于分子形 状、尺寸和化学官能团之i 司的补偿作用。自组装则是从小的建筑块自发构建成具 有明确结构的非共价排列方式。受开发在电子工业上具有记忆能力的纳米元件 f n a n o s c a l ed e v i c e s ) 以及分子计算机等的驱动，分子导线、氧化还原开关”“、纳米 南开大学2 0 0 0 级博士论文 电子开关、发光二极管、超分子磁性材料、分子印迹材料、分子马达( m o l e c u l a r m o t o r ) 1 、自组装界面上的手性识别“”以及其他的纳米元件等超分子化学领域， 研究进展极为迅速”。 1 2 3 超分子化学研究进展概述 超分子化学研究中采用的技术有晶体结构、核磁共振、计算机模拟以及高 分辨质谱技术等。通过这些技术研究形成各种超分子体系之间的若干相互作用， 加深对这些作用特征的理解对于进行有目的的设计各种组装体系具有指导作用， 而且对于药物化学家、分子生物和生物科学家进行药物分子设计、酶模拟及推测 生物大分子的二级、三级乃至于四级空间折叠及自组装具有指导作用，因为研究 配体分子和受体生物大分子相互作用的机理是药物设计的基础。使某些小分子与 蛋白质结合并改变蛋白质的功能，例如使某些蛋白酶的功能关闭，就可以通过不 改变产生某一蛋白质的基因密码而研究它们的功能。因此小分子配体与生物大分 子受体的相互作用的机理，也具有十分重要的意义。 超分子化学对研究纳米效应也将起着重要作用。在纳米尺度，热运动的涨 落和布朗运动将起重要作用。因此许多热力学性质，包括相变和“集体现象” f c o l l e c t i v ep h e n o m e n a ) ! i 口铁磁性、铁导性、超导性和熔点都与粒子尺度有重要的 关系。纳米粒子的比表面很大，由此引起性质的变化，例如纳米铂黑催化剂可使 乙烯催化反应的温度从6 0 0 降至室温。这一现象为新型常温催化剂的研制提供 了基础，又具有非常重要的应用前景。电子或声子的特征散射长度，即平均自由 程，在纳米量绒。当纳米微粒的尺度小于此平均自由途径时，电流或热的传递方 式就发生质的改变。与微粒运动的动量p = m v 对应的d eb r o g l i e 波长l = t v p ，通 常也在纳米量级，由此产生许多所谓“量子点”( q u a n t u md o t s ) 的新现象。此外， 还有诸如纳米尺度磁性( n a n o s c a l em a g n e t i s m ) 等问题。 对于化学家来说，一些有趣的工作是从主一客体化学( h o s t - g u e s tc h e m i s t r y ) 这 一领域引发出来的。冠醚是经典主体分子的一个例子，在它的极性腔中能融合入 客体分子或离子“，称之为第一代超分子。继冠醚之后，由于环糊精固有的疏水 性空腔可以容纳和识别更多的有机分子和离子而成为第二代超分子“。二十世纪 九十年代以来，由于g u t s e h e 、u n g a r o 、r e i n h o u d t 、b 6 h m e r 等人在杯芳烃化学 领域中的先期工作引起了超分子化学家的广泛兴趣，杯芳烃化学有了长足的进 第一章文献综述 步，成为第三代超分子。这方面的工作主要集中在修饰杯芳烃的性能研究和开发 利用以及由杯芳烃为母体构建的可逆或不可逆胶囊对客体分子、离子的包结等领 域中“。这些类型的超分子体系在作为输送元件、微小反应器、分子开关上具有 明显的潜力。”。 1 3 杯芳烃的历史背景、类型、合成、构象及包结识别性能 1 3 1 杯芳烃的历史背景 杯芳烃是由苯酚类化合物和甲醛在一定条件下缩合的产物。苯酚类化合物与甲醛 的反应途径较多。早期工作主要集中在酚醛树脂的合成上，本世纪初，通过比利 时化学家l e ob a c k e l a n d 。对苯酚与甲醛水溶液反应的详细研究而开创了酚醛树 脂合成的新纪元。从二十世纪四十年代开始，奥地利化学家z i n k e ”在研究对叔 丁基酚与甲醛水溶液在氢氧化钠存在下的反应时发现反应产物中有四聚体产物 生成。随着六十年代兴起的冠醚化学的不断发展，人们对主客体现象的深入认识。 二十世纪七十年代末，美国化学家g u t s c h e 开始认识到杯芳烃这类具有亲脂性可 调空腔的化合物应该具有广泛的酶模拟性能。 1 3 2 杯芳烃的类型和命名 杯芳烃一词最初就是由g u t s c h e 引入的，它专门用来命名对一烷基苯酚和甲 醛在碱性条件下缩合形成的环状寡聚物。“c a l i x ”在希腊文和拉丁文中都是指杯 的意思，“a r e n e ”则表示大环中芳香残基。此类化合物分子结构形状象一个杯子。 由于四聚体采取可以包结客体的碗状或杯状构象，所以杯芳烃一词主要是用来更 加直观说明这些寡聚物的形状，从而也大大简化了这类化合物的国际标准通用命 名法带来的书写不方便等缺陷。如图1 3 所示： 南开大学2 0 0 0 级博士论文 r h b 杯 4 吡咯杯 4 呋哺x = s ，s o z ，s i r ： 图14 几种具有代表性杯芳烃以及杂原子取代杯芳烃的结构 第一章文献综述 带有叔丁基的一端被称为杯 4 芳烃的上缘( u p p e rr i m ) ，而带有羟基的一端 被称为杯 4 芳烃的下缘( l o w e rr i m ) 。对于其他杯芳烃的上下缘也按此方法进行 指认。其化学命名编序按图1 3 c ，d ，e 所列的顺序进行。 目前，根据分子外形来命名为杯芳烃的化合物大致有如下几类；杯 n 芳烃、 杯 n 雷琐酚、杯 4 吡咯、杯 4 呋喃、杯 4 吡啶以及一些杂原子取代的杯芳烃 等( 图1 4 ) 。 使用杯芳烃这一名称，其命名规则是这样的，苯酚对位的取代基放在“杯芳 烃( c a l i x a r e n e ) ”之前，插在“杯( c a l i x ) ”和“芳烃( a r e n e ) ”之间，用方括号括起 来的数字表示苯酚残基的数目。如对叔丁基杯 4 芳烃 ( p - t e r t - b u t y l c a l i x 4 a r e n e ) 、对叔丁基杯 6 芳烃( p t e r t b u t y l c a l i x 6 a r e n e ) 、对叔丁 基杯 8 芳烃( p t e r t b u t y l c a l i x 【8 a r e n e ) 。这是最简便的命名。 一般说来，对于对一叔丁基杯芳烃和脱去叔丁基的杯芳烃使用最简单的俗名 即可，而对在上、下缘有取代基修饰的杯芳烃衍生物来说，使用系统命名最好( 当 然对于全取代的衍生物可以省略取代基的位置) ，而至于i u p a c 命名，则是很少 使用。 1 3 3 杯芳烃的合成 虽然在六十年代就有人从事杯芳烃的合成，但由于分子量太大，其结构确定 往往不准确。七十年代末到八十年代中期，经过g u t s e h e 和b 6 h m e r 等人在合 成方法方面的发展。目前，杯芳烃的合成方法已有很多，主要有：一锅法、分步 法、碎片缩合法等。 一锅法合成杯 n 芳烃主要归功于g u t s c h e 博士的杰出工作。一锅法不但 简化了其它方法的繁琐操作步骤，而且大大提高了反应的产率，给人们进一步进 行化学修饰提供了原料基础。在以对叔丁基苯酚和甲醛或多聚甲醛为原料的情况 下，通过改变反应的溶剂体系、反应温度和碱的浓度和种类分别可以高产率的得 到对一叔丁基杯 4 芳烃、对一叔丁基杯 6 芳烃和对一叔丁基杯 8 芳烃( 反应式 1 1 ) 。也可以以可接受的产率得到对一叔丁基杯 5 芳烃。和对一叔丁基杯 7 芳烃 a 7 】 南开大学2 0 0 0 级博士论文 一：蒜n a o h u 反应式1 1 杯 n 芳烃的制备 t b u 形成杯 4 芳烃的最佳碱浓度( n a o h ) 为对叔丁基苯酚的o 0 3 ( 摩尔比) ， 而且反应温度很高( 2 6 04 左右) ，其产率可以达到6 0 以上；生成杯 6 和杯 8 芳烃的反应温度相对较低，只需在二甲苯中回流即可，但形成杯 6 所需的碱 ( k o h ) 浓度较大，与对叔丁基的摩尔比为0 4 ，其产率可达到8 0 以上。而对 于奇数杯芳烃如杯 5 芳烃和杯 7 芳烃等，虽然经过不断的努力，无论是一锅法 还是分步法其产率均未能大大提高：与杯 n 芳烃相比、杯 4 雷琐酚、杯 4 吡 咯、杯 4 呋喃的合成条件则相对简单得多。杯 4 雷琐酚可以通过醛和间苯二酚 在酸性条件下于乙醇一水体系中反应而高产率的得到( 反应式1 2 ) 。 r h o r + r ，? 三 h l e w i sa c i d 反应式1 2杯 4 雷琐酚的合成 杯 4 吡咯和杯 4 呋喃的合成条件与杯 4 雷琐酚的合成条件差不多，但产 率较低，分离也较烦琐。但由于杯 4 吡咯卓越的性能仍然促使了这一研究领域 的快速发展。1 。 碎片缩合法不但可以用来合成象杯 4 芳烃、杯 6 芳烃、杯 8 芳烃这类常 第一章文献综述 见杯芳烃，而更多的是用来合成除了上述一锅法可得到较高产率的杯芳烃以外的 其它一些杯芳烃，象最近所报道的到目前为止环状结构最大的杯 2 2 芳烃就是采 用碎片缩合法合成的。 1 3 4 杯芳烃的构象 对杯芳烃的构象研究是随者下缘羟基的烷基化而逐渐发展起来的。对于未修 饰的杯芳烃而言，由于下缘存在着具有活泼氢的羟基，所以极易形成环状氢键而 成为锥式构象。当下缘羟基被烷基化后，由于氢键的消除，其构象也就发生多种 可能变化。对于杯 4 芳烃而言，下缘引入烷基后就可能存在如下：锥式( c o n e ) 、 部分锥式( p a r t i a l c o n e ) 、l ，2 一交叉( 1 , 2 一a l t e r n a t e ) 、l ，3 一交叉( 1 ，3 a l t e r n a t e ) 四 种可能构象异构体。”。但是只有当r 基团大于正丙基时，各种构象异构体才能 够被固定下来。 锥式构象部分锥式构象1 ，2 一交叉构象 ”一b u 1 ，3 - 交叉构象 图1 5 杯 4 芳烃的四种可能构象结构 当r 为甲基、乙基时，各种构象之间存在着动态平衡。但是通过金属离子或 胺盐离子可以将这种动态平衡的构象暂时固定成某一种构象。“”( 图1 6 ) 。 南开大学2 0 0 0 级博士论文 m k + ，a g + 图1 6离子对杯 4 芳烃构象的固定 对于采用下缘取代基来固定杯 4 芳烃构象而言，一般是采用不同的缚酸剂， 并且以缚酸剂的阳离子为模板，在下缘引入烷基的同时，将构象固定下来的。采 用k 。c o ：。作缚酸剂在下缘引入取代基时，主产物一般均为l ，3 - - - - - 取代的锥式构象 产物，采用c s 。c 0 。作缚酸剂时产物一般都为l ，3 一交叉构象的四取代产物。对于要 想得到部分锥式和1 ，2 一交叉构象异构体来说，一般没有较好的方法，而且因引 入的取代基类型不同而对产物产率的影响很大。所以目前文献中研究的主要是杯 4 芳烃的锥式构象和l ，3 一交叉构象两种异构体的性能。 对于形成杯芳烃骨架的环状结构大于杯 5 芳烃以上的杯芳烃而言，其构象 变化的自由度很大，可控制构象转换的基团也相应增大，而很难控制条件使某一 构象为反应的主产物，所以研究它们构象的工作也相对较少。即便是采用相同的 反应条件因取代基的不同产物往往会发生戏剧性的变化。 1 3 5 杯芳烃的衍生化 杯芳烃的两个区域分别被称为上缘( u p p e rr i m ) ，即苯酚对位区域，和下缘 ( l o w e rr i m ) ，即苯酚羟基区域。目前已在杯芳烃的上、下缘进行了广泛的化学修 饰，【4 3 】在下缘可通过选择性的成酯、成醚反应形成各种各样的酯、醚；在上缘 则可先通过无水三氯化铝脱去叔丁基， 4 4 , 4 5 蚀而进行氯化、硝化、磺酰化 4 6 4 8 】、 磺酰氯化【4 9 】、氯甲基化、氨甲基化、酰化以及与偶氮盐的偶合等，所引入 的取代基并可发生进一步的反应。f 5 2 】现在已合成出杯芳冠醚和杯芳穴醚 5 3 - 5 6 】、双 杯芳烃1 5 7 引1 以及杯芳烃与其他受体分子如环糊精、球碳c 6 0 【6 3 、卟啉、环庚 三烯正离子6 ”、糖删等结合的结构较复杂的功能化分子，还有由杯芳烃单元组 第一章文献综述 成的纳米管道。 6 7 1 杯芳烃在对位的磺酰化可以产生易溶于水的杯芳烃磺酸盐。6 4 7 。还有一些其他类型的水溶性杯芳烃被合成出来。【5 。5 ” 另外，对杯芳烃的苯酚羟基进行氧化得到杯芳烃醌， 6 8 - 7 0 对杯芳烃进行部 分或全还原，把苯酚单元转变成环己醇，得到杯芳烃的饱和烃类似物。1 7 i 】目前已 合成出多种由其他芳香单元组成和或杂原子( 硫、硅等) 连接的杯杂芳烃，如吡咯 7 2 、n k 啶 7 3 】、1 。萘酣74 1 、环庚三烯、磷杂芳香单元等【7 67 7 1 组成的杯芳烃类似 物。 1 3 6 杯芳烃的超分子化学进展 由于杯芳烃下缘羟基容易形成分子内环状氢键，所以杯芳烃总是以图1 3 a 所示的杯式构象存在的，杯芳烃的包结行为就是指上缘疏水性空腔对其它有机小 分子以及某些金属离子的识别性能。例如，对一叔丁基杯 4 芳烃对甲苯具有选择 性包结作用，而且形成的包结物非常稳定，只有在1 l o 。c 以上才能将其彻底破坏。 经过修饰的对一叔丁基杯 4 芳烃对有机小分子的选择性包结范围就更为广泛，它 们对二氯甲烷、丙酮、乙腈、二硫化碳、一氧化氮”、水和惰性气体等小分子以 及金属离子具有选择性包结作用( 图1 7 ) ”。形成这些包结物的稳定因素主要 有两个：1 ) 、包结物小分子与形成杯芳烃环状结构的苯环具有c h n 、杂原子一n 以及阳离子一兀( c a t i o n 7 c ) 等弱相互作用；2 ) 、上缘叔丁基对包结物具有向杯内 的挤压作用，从而使包结物更为稳定。对于上缘脱叔丁基的杯 4 芳烃而言，文 献一直认为其空腔太浅而对小分子不具有包结行为。对于杯 5 芳烃以上的具有 更大空腔结构的杯芳烃而言，可以被它们包结的客体分子对象就更为广泛。它们 甚至于可以与各种富勒烯( f u l l e r e n e s ) 形成包结物”“1 。这种包结作用甚至于被 用柬分离纯化c 。，和c ，等富勒烯”“。 i ip ，广、， 7 汐一鳊 “ 荔 01f 、气。 i繇 南开大学2 0 0 0 纽博= 仁论文 图1 7 杯芳烃与甲苯、水、氩原子以及一氧化氮形成的包结物结构 未经修饰的杯芳烃下缘对金属离子不具有识别行为，但是可以通过离子对进 行识别。在杯芳烃下缘衍生化的过程中就是通过离子对的模板效应来控制杯芳烃 的构象的。当下缘衍生化之后，由于其他氧原子、氮原子、硫原子等新的给体原 子的引入。不同修饰杯芳烃的下缘往往对各种主族金属离子”“、过渡金属和稀土 离子”3 1 具有很好的选择性识别行为。相对于上缘的包结行为而言，下缘的包结识 别行为得到更为广泛的开发和利用。它们被广泛的应用于对金属的富积、分离以 及一些分子传感器中。同时，由于下缘引入取代基后对杯芳烃憎水性空腔具有调 节、重组和相列固定的作用，因而使上缘的空腔也表现出一些不同于母体杯芳烃 的识别性能。它们可以与糖、氨基酸、醌、二茂铁、甾体、氯化血红素、核黄索、 v b 。富勒稀及一些染料分子形成稳定的包结配合物”，从而显示了杯芳烃具有 很大的应用潜力。某些有机金属杯芳烃和含有脲基、磺酰胺、酰胺或羟基取代的 杯芳烃还表现出识别阴离子的性能”。在修饰杯芳烃的离子识别方面，目前的发 展趋势是：向一些具有加强孔穴( e n f o r c e dc a v i t i e s ) 、多点或多主题( m u l t i p o i n t so r m u l t i t o p i c ) 和具有开关( m o l e c u l a rs w i t c ho r o n a n d o f f ) 性能的复杂受体合成挑 战。 杯芳烃对放射性的重离子也有识别作用。如b c 6 b 对f r + 的识别”： 研究表明，b c 6 b 对f r + 有很好的选择识别。 第一章文献综述 1 4 受体的设计及其分子识别 设计受体时，为实现受体分子对于一给定底物的高灵敏度的识别，必须考 虑以下几个因素： ( 1 ) 底物与受体间的立体( 形状和尺寸) 互补，即在受体或底物的适当位置 上有凹或凸区域。 ( 2 ) 作用力互补，即在受体和底物的适当位置上有互补结合点( 如正负静 电力，电荷偶极，偶极偶极，氢键给受体等) 以便获得互补的电和核分布图( 静 电、氢键和范德华力) 。 ( 3 ) 在受体与底物间有较大的接触区域，因此含有多个相互作用位点，因 为非共价键比共价键要弱很多。 ( 4 ) 大区域强结合。虽然高稳定性原则上不代表着高选择性，但实际上往 往如此。事实上，结合自由能的差别在结合强时可能更大；高的结合效率( 即， 相对于自由的o 键高的结合分数) 要求强作用力；因此，为了获得有效的识别， 不仅要求高稳定性和高选择性，还要求受体和底物问的强结合。 冠醚( c r o w ne t h e r ) 是一类人工合成的受体( 主体) ，自1 9 6 7 年c j p e d e r s e n 在日本东京第十届国际配位化学学术会议上发表以来，由于其对碱金属、碱土金 属离子的特殊选择络合作用而被大量的合成并广泛的研究，由此开创了大环化学 这一新的学科领域。由j m l e h n 合成的穴醚( c r y p t a n d ) 更扩展了对金属离子的配 位作用，d j c r a m 合成了具有刚性结构的冠醚类化合物，以显著的主体识别能 力络合客体，推动了主一客体化学的发展，而更体现了这一新兴学科领域的充分 活力。 设计对单一离子具有高选择性，即识别某一离子的冠醚，是一个具有挑战 性的课题。人们致力于对各种碱金属、碱土金属离子以及重金属离子具有高选择 性的功能化合物的设计与合成，这对于金属离子的选择萃取、分离、输送以及检 测具有重要的应用价值。在过去的三十年中，合成了大量的各种各样的冠醚及其 杂原子类似物”，从而获得了多种对单一离子具有高选择性的体系。通过在较h i j 性的冠醚分子中，引入额外的亚甲基，改变冠醚分子的对称性，是设计和合成高 选择性主体化合物的一个新途径”“。gwg o k e l 在冠醚环上引入功能侧臂，增 加了对金属离子的配位能力，推动了一类新型冠醚一臂式冠醚( 1 a r i a te t h e r ) 的发展 南开大学2 0 0 0 级博士论文 ”。研究表明，引入功能侧臂对金属离子具有特殊的配未能力和配位选择性。”。 因此改变冠醚分子的对称性、增加功能侧臂对于高选择性的功能化台物非常重 要。 设计和合成在一个分子内拥有两个冠醚单元，即双冠醚( h i s ( c r o w ne t h e r ) s ) ， 在配位过程中通过两个冠醚单元的协同配位作用，可与较大尺寸的阳离子形成夹 心结构来增加其配位能力。因此，双冠醚的桥链长度、结构和桥头电子效应对 于配位过程起着关键作用。一系列双冠醚配位作用的热力学研究表明，双冠醚在 配位过程中类似于大环抗生素，即发生大的构型变化和广泛的脱溶剂效应，是三 维配位作用的重要特征m 1 。 杯芳烃是继冠醚、环糊精之后的第三代主体化合物，是大环的苯酚一甲醛缩 合物，是冠醚化合物的一种”1 。由于其空腔的可调节性而受到人们的重视，目前 不论是在上缘还是在下缘都已进行了大量的修饰，杯芳烃化学已进入了一个蓬勃 发展的阶段。在杯芳烃衍生化、配位性质等方面g u t s c h e “、b 6 h m e r “、 r e i n h o u d t ”、s h i n k a i ”、m c k e r v e y “州等做了大量的工作。n a m o r 对杯芳烃分子 识别的热力学进行了综述“。但由于杯芳烃的溶解度的限制，目前性质研究多 局限于各种杯芳烃与金属离子( 尤其是碱金属、碱土金属及某些重金属离子) 的配 位作用研究，在有机溶剂中与中性有机分子的配位作用的研究报道较少。水溶性 杯芳烃的制得为研究其在水相中与有机分子的配位作用奠定了基础，但迄今为止 这种体系报道也较有限。另外，众多的杯芳烃的类似物( 或称杂杯芳烃) 杯合成出 来，如杯吡咯、杯吡啶、杯 4 萘“3 、砜桥联杯 4 芳烃“和硅桥联杯 r 1 磷杂芳烃“等。 人工合成功能受体还有环蕃“1 、卟啉、树状分子”等。目前所合成的大 量具有超分子功能的主体化合物展现了广泛的应用前景“”，在分析化学、传感 技术、医学诊断上用于选择性萃取剂，在分析科学上用于辐射废料、核废料的回 收与提取、材料科学上用作非线性光学材料、具有分子孔的单分子膜，在生命科 学上广泛用作酶模拟物，在环境科学上用于水污染的控制。作为第三代受体分子 f 内q q ：芳烃目& 具冠醚和坏糊精的优点“。然而，与它们的多变且诱人的结构形成 反差的是，其配台作用的研究仅集中在有机溶剂中的碱金属、碱土金属以及较少 的中性有机分子，当然这应归因于杯芳烃在水中几乎不溶的原因。d a n i ld en a m o r 第一章文献综述 等”综述了多年来数十种杯芳烃衍生物( 几乎囊括所有种类的修饰) 配合作用的 热力学参数，这些结果多是从谱学方法得到。 1 5 本论文的选题 生命体中的众多反应与过程都是通过弱相互作用力得以实现的，例如酶与 底物的相互作用，大分子蛋白酶发生卷曲、皱折通过几个作用位点产生一个对 某种特定底物有高度选择性的疏水空腔，进而与有机底物结合而进行后继的反 应，其中疏水相互作用在生命过程中起着重要作用。， 本论文在合成对特定金属离子进行选择性反应的可作为离子选择性电极的 化合物方面做些工作。在已有的o 、n 对碱金属、碱土金属大量讨论的基础上， 鉴于s 、s e 、t e 的选择性作用研究较少，拓展研究了s 、s e 、t e 对过渡金属离子 的选择性作用，尤其对a 一的选择性作用。二茂铁基团具有广泛的性能，如电化 学、二阶非线性光学性能等，因此，将二茂铁基团引入杯芳烃中形成钳状或冠醚 化合物将是很有意义的工作。 南开大学2 0 0 0 级博士论文 参考文献 1 p e d e r s e n ，c j a n g e w c h e m ，i n t e de n 9 1 1 9 8 8 ，2 7 ( 8 ) ，1 0 2 1 - 1 0 2 7 2 c r a m ，d j a n g e w c h e m i n t e d e n 9 1 1 9 8 8 ，2 7 ( 8 ) ，1 0 0 9 - 1 0 2 0 3 ( a ) l e h n ，j - m a n g e w c h e m ，i n t e d e n g l1 9 8 8 ，2 7 ( 1 ) ，8 9 - 1 1 2 ( b ) l e h n ，j - m a n g e wc h e m ，i n te de n 9 1 1 9 9 0 ，2 9 ( 1 1 ) ，1 3 0 4 - 1 3 1 9 4 l e h n j - m s u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y c d n c e p t sa n dp e r s p e c t i v e s w e i n h e i m ： v c h ，1 9 9 5 ( 莱恩( 法) 著，沈兴海等译，超分子化学：概念和展望( 中译本) ， 北京大学出版社，2 0 0 2 ) 5 c o m p r e h e n s i v es u p r a m o l e c u l a rc h e m i s t r y ，e d l e h n ，j - m ；a t w o o d ，j l ；d a v i e s j e d ；m a c n i c o l ，d d ；v 6 醛l e ，f ；v 0 1 1 1 1 p e r g a m o n ，1 9 9 6 6 刘育，尤长城，张衡益编著，超分子化学合成受体的分子识别与组装，南丌 大学出版社，2 0 0 1 7 c o m p r e h e n s i v ec o o r d i n a t i o nc h e m i s t r yi i ：f r o mb i o l o g yt on a n o t e c h n o l o g , e d m c c l e v e a y , j a ：m e y e r ，tj ，p e r g a m o n ，2 0 0 3 、b 1 - 1 - 1 0 8 l e n n i n g e r , a l b i o c h e m i s