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(有机化学专业论文)间苯二酚杯芳烃功能衍生物的合成及其性质研究.pdf.pdf 免费下载
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中文摘要 闻苯二酚杯芳烃是一类具有优越物理和化学性质的大环化合物,在络合萃 取、分子器件、分子识别、超分子自组装和纳米材料等领域有广泛的应用前景。 我们开展了间苯二酚杯芳烃功能衍生物的合成及其性质的研究。取得了一系列 有意义的实验结果: 1 本文以甲基、苯基、对羟基苯基和二茂铁基桥连间苯二酚杯芳烃母体为原料, 通过直接烃基化反应得到间苯二酚杯芳烃的醚酯类、氯丙基类、氰丙基类、 酰胺类衍生物。并以醚酯类衍生物为原料,通过与脂肪族二胺、水合胼等化 合物的氨解反应合成了间苯二酚杯芳烃酰胺、酰肼类衍生物。酰胺、酰肼类 衍生物再通过末端氨基与吡啶醛、二茂铁甲醛等进行缩合反应,得到了一系 列s c h i f f 碱、酰腙类衍生物。通过瓜、1 hn m r 和元素分析等方法进行了 结构表征,并用单晶x r a y 衍射法测定出1 1 个间苯二酚杯芳烃衍生物的单 晶分子结构。 2 设计合成出在间苯二酚杯芳烃上缘、下缘及上下缘都含有二茂铁基团且有着 良好电化学活性的间苯二酚杯芳烃衍生物,并通过电化学测试方法:循环伏 安( c v ) 和脉冲极谱法( d p v ) ,对它们的电化学性质进行了研究。 3 提出了两种合成间苯二酚杯芳烃酰胺衍生物的简洁方法,一是用i v , n - - - 二烃 基氯乙酰胺直接使间苯二酚杯芳烃在在k 2 c 0 3 k i 丙酮体系中烃基化。二是 间苯二酚杯芳烃醚酯衍生物和脂肪胺进行胺解反应。 4 对连苯三酚杯芳烃及其衍生物的合成进行了初步研究。通过单晶x - r a y 衍 射法得到两个连苯三酚杯芳烃衍生物分子的晶体结构,发现两种截然不同的 杯芳烃分子构型。 关键词:杯芳烃、间苯二酚杯芳烃、连苯三酚杯芳烃酰胺、s c h i f f 碱、二茂铁、 单晶分子结构、分子构型、电化学、循环伏安 c o l l e g eo f c 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 s t u d yo ns y n t h e s i sa n dp r o p e r t i e so ff u n c t i o n a l c a l i x 【4 】r e s o r c i n a r e n ed e r i v a t i v e s a u t h o r :j u nh a r t m a j o r :o r g a n i cc h e m i s t r y t u t o r :p r o f c h a o g u oy a n d a t e :m a y , 2 0 0 7 a b s t r a c t c a l i x 4 r e s o r c i n a r e n e sr e p r e s e n ta l li m p o r t a n tc l a s so f s y n t h e t i ch o s tm o l e c u l e sa n d h a v ev e r s a t i l ea p p l i c a t i o n si ns u p r a m o l e c u l ec h e m i s t r ys u c ha s c o m p l e xe x t r a c t i o n , m o l e c u l a rd e v i c e s ,m 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 ya n dn a n om a t e r i a l s w e i n i t i a t e dt h es t u d i e sc o n c e r n i n gt h es y n t h e s i sa n dp r o p e r t i e so fs o m ef u n c t i o n a l c a l i x 4 r e s o r c i n a r e n ed e r i v a t i v e s ,a n dh a v em a k e nas e r i e so fs i g n i f i c a n ta n dc r e a t i v e r e s u i t s t h em a i nr e s u i t sa r es h o w e da sf o l l o w s : 1 t e t r a m e t h y l ,t e t r a p h e n y l ,t e t r a - p h y d r o x y p h e n y l a n d t e t r a f e r r o c e n y l c a l i x 【4 r e s o r c i n a r e n e sa r ea l k y l a t e dw i t hd i f f e r e n ta l k y l a t i o nr e a g e n t st og i v e as e r i e so ff u n c t i o n a ld e r i v a t i v e ss u c ha se s t e r s ,c h l o r o p r o p y l ,c y a n o p r o p y l , a m i d e s t h e nt h ec a l i x 4 r e s o r c i n a r e n e se s t e r sd e r i v a t i v e sr e a c t e dw i t h d i a m i n e so rh y d r a z i n et og i v ea m i d ew i t ht e r m i n a la m i n o g r o u p s ,o rh y d r a z o n e d e r i v a t i v e s ,w h i c hi nr u mc o n d e n s a t e dw i t hp y r i d i n e c a r b o x a l d e h y d ea n d f e r r o c e n e c a r b o x a l d e h y d e ,a c e t o a c e t o n et oy i e l d ss c h i f fb a s e sa n dk e t o i m i n e d e r i v a t i v e s t h e i rs t r u c t u r e sa r ec h a r a c t e r i z e db yn m ra n di ra n de l e m e n t a l a n a l y s i sa n dc o n f i r m e db yd e t e r m i n a t i o no f e l e v e ns i n g l ec r y s t a l s 2 e f f i c i e n tp r o d e d u r ew a sd e v e l o p e df o rs e l e c t i v e l ya n de f f i c i e n t l yi n t r o d u c i n g f e r r o c e n y lg r o u p so nt h eu p p e rr i m ,o ro nt h el o w e rr i m ,o rb o t ho nt h eu p p e r a n dl o w e rr i m so fr e s o r c i n a r e n e s t h ee l e c t r o c h e m i c a lp r o p e r t i e so ft h e s e f e r r o c e n e c o n t a i n i gr e s o r c i n a r e n e sw e r es t u d i e db yc y c l i cv o l t a m m e t r y ( c v ) a n dd i f f e r e n t i a lp u l s ev o l t a m m e t r y ( d p v ) 3 t w oe f f i c i e n tp r o c e d u r e sw e r ed e v e l o p e df o rs y n t h e s i n gr e s o r c i n a r e n ea m i d e d e r i v a t i v e s o n e p r o c e d u r e i sd i r e c ta 1 1 ( y l a t i o no fr e s o r c i n a r e n sw i t h n - d i a l k y la - c h l o r o a c e t a m i d ei nt h es y s t e mo fk 2 c o s k i a c e t o n e t h eo t h e r i sa m i n o l y s i so fe t h y lr e s o r c i n a r y la c e t a t e sw i t ha l i p h a t i cm o n o a n dd i a m i n e s i ne t h a n 0 1 4 t e t r a p h e n y l ,a n dt e t r a f e r r o c e n y lp y r o g a l l o l 4 a r e n e sa r ep r e p a r e de f f i c i e n t l y a n dt h e i rs t r u c t u r e sa r ec o n f i r m e db yd e t e r m i n a t i o ns i n g l ec r y s t a l so fa c y l d e r i v a t i v e s f r o mw h i c hi t i s i n t e r e s t i n gt o f i n dt h a tt e t r a p h e n y l ,a n d t e t r a f e r r o c e n y lp y r o g a l l o l 4 a r e n e s e x i s ti nt w od i f f e r e n tk i n d so f c o n f i g u r a t i o n k e y w o r d s :c a l i x a r e n e ;c a l i x 4 r e s o r c i n a r e n e ;p y r o g a l l o l 4 a r e n e ;s c h i f fb a s e s ; f e r r o c e n e ,s i n g l ec r y s t a ls t r u c t u r e ;c o n f i g u r a t i o n ,e l e c t r o c h e m i s t r y ;c y c l i c v o l t a m m e t r y 韩军:间苯二酚杯芳烃功能衍生物的合成及其性质研究 第一章间苯二酚杯芳烃的研究进展 间苯二酚杯芳烃是一类由间苯二酚的4 ,6 位通过亚甲基桥联的环状四聚体。 早在1 9 世纪末,人们就用间苯二酚和乙醛及高级脂肪醛在酸性情况下制得,但直 到1 9 4 0 年才由n i e d e r l 掣1 1 人证实其为环状结构。随后除各种脂肪醛外,芳香醛 2 】 和二茂铁甲醛【3 1 等被用于间苯二酚杯芳烃的合成,极大地丰富了间苯二酚杯芳烃家 族的成员,它们被命名为c a l i x 4 r e s o r e i n a r e n e 或r e s o r c i n a r e n e 。反应式如下: h o 。h + r c h 。堡- s c h e m e l 根据分子中r ( s c h e m e1 ) 所处位置不同可分为c c c 、c c t 、c t t 、t o t 四种异构体p c 西,t - t r a n s ) ( 见图1 ) ,这些异构体可以依靠桥联次甲基的n m r 信号加以区分,也 可以根据对称性不同分为冠式( c 4 v ) 、椅式( c 2 h ) 、金刚石式( c 。) 、船式( c 2 ,) 、 鞍式( d 2 d ) 五种异构体嗍。 r r c e t 鸥w i ! r c o t t c t 图1 眇。 2 扬卅大学硕十学位论文 近年来,间苯二酚杯芳烃的合成和功能化修饰,以及对其性能和应用的研究得 到了充分的重视与发展【5 1 。随着主客体化学从单点识别发展到多重识别或多点识 别,并正向不对称识别方向发展,间苯二酚杯芳烃的合成也向着功能化的方向发 展,使整个分子体系成为集特定结构和功能于一身的受体6 1 ,并在配位化学闭、分 子催化嗍、分子识别【9 】及化学传感器1 1 伽方面取得许多可喜的成果。 1 1 间苯二酚杯芳烃的功能化修饰 间苯二酚杯芳烃的酚羟基、处于间苯二酚环上活泼的c 2 位置及下缘的桥连 基团是问苯二酚杯芳烃功能化衍生的三种主要途径。间苯二酚杯芳烃的八个酚羟 基可以与多种试剂发生烃基化反应制备各种衍生物,最早的衍生化工作是将酚羟 基转化为带有活性基团的醚,所得衍生物相对母体通常有更低的熔点和更好的溶 解性1 ;处于间苯二酚环的c 2 和酚羟基的官能团转化反应是两种上缘化学修饰 途径,c - 2 较为活泼,可以通过亲电反应接上其他功能性基团;桥连基团的化学改 性是下缘化学修饰的主要位置。它可以是脂肪链,也可以是芳香环,对于一些较 长的脂肪链的修饰可以实现对杯芳烃的远程功能化改性。 间苯二酚杯芳烃的八个酚羟基是功能化衍生的第一选择。r e b e k 等【1 2 1 用苯并咪 唑基将相邻苯环上的两个酚羟基桥连起来,形成穴状分子( 图2 ) 。这样的分子 可以包合许多中性分子,由于其自身是水溶性的,它还可以从有机相中选择性的 萃取某些中性有机分子。 图2 g i b b 等 1 3 】用3 , 5 二溴二溴甲基苯这一有着多反应位点的试剂,经过两步反应制 韩军:间苯二酚杯芳烃功能衍生物的合成及其性质研究 3 得具有较深孔穴的间苯二酚杯芳烃衍生物分子( 图3 ) 。 图3 r i s s a n e n 掣1 卅利用间苯二酚杯芳烃母体直接和丹磺酰氯在室温下反应,得到半 数和全部酚羟基被取代的产物( 图4 ) 。通过对其晶体结构和核磁谱图的分析可知, 半数酚羟基被取代的产物无论在溶液中还是在固体中都是以船式构型存在,而全 取代产物在溶液中分子主要呈c 4 ,对称,而在固态时为c 2 ,对称。此外,它们都有着 很好的荧光吸收作用。 触魄 图4 间苯二酚杯芳烃分子中位于两个酚羟基之间的c 2 较为活泼,可以通过亲电取 代反应接上其他功能化基团,如磺酸基、巯基、氨基、偶氮基等。b e e r 等【15 】在间 苯二酚杯 4 】芳烃上缘导入二茂铁酰胺单元,制得穴状受体( 图5 ) 。该分子可以 和c l 形成1 :1 的配合物,四个二茂铁酰胺单元像四支臂膀一样参加了配位作用。 w a r m u t h 掣1 司在c 2 位置导入醛基并使之和二胺反应,制得一个有着八面体构型、 可作为包合纳米颗粒受体的大分子( 图6 ) 。分子中憎水空腔足够的大以至可以使 4 扬州大学硕士学位论文 多芳基化合物能够自由进出,这预示着这种分子在药物的溶解释放等方面有着巨 大的应用前景。 图5图6 g a r d n e r 等 1 在c 2 位置引入腈基( 图7 ) ,利用腈基上n 与钯离子配位形成笼状 分子。配合物经核磁共振和质谱分析证实,在溶液中确实存在。此外,他们还在 同样位置引入了双吡啶甲基胺的结构( 图8 ) 。所形成的配合物分子与图7 分子具 有相同的笼状结构。 图7图8 对下缘桥连基团的化学修饰由来已久。由先前德国化学家b a y e r 在合成碱性染 料时,将苯甲醛与间苯二酚的混合溶液在酸性条件下得到一种红色树脂状产品时 所使用的苯甲醛开始,目前用于合成间苯二酚杯芳烃的醛的种类己数不胜数,大 致可分为脂肪醛 1 s | 1 9 1 、芳香醛 2 0 - 2 1 3 及带有特殊官能团口2 之川的复合醛三大类。其中, 用脂肪醛制得的间苯二酚杯芳烃的溶解性较好,能够溶解于乙醇等极性溶剂,这 韩军:间苯二酚杯芳烃功能衍生物的合成及其性质研究 5 使得间苯二酚杯芳烃母体自身有被利用的价值。利用酚羟基之间的氢键作用,间 苯二酚杯芳烃分子间或与其他分子之间发生作用形成分子组装体 2 s - 3 3 1 或包合物 3 4 - 3 0 2 。a t w o o d 等【3 刀利用甲基、十一烷基及异丁基桥连的间苯二酚杯芳烃母体酚羟 基与八个水分子间的氢键作用制成含六个杯芳烃母体的分子胶囊( 图9 ) 。h o l m a n 等【3 8 l 在此基础上向该分子胶囊中掺a 2 乙基己醇( 图1 0 ) ,六个2 乙基己醇替代原 来水分子的位置,而分子构型基本保持不变,所不同的是处在对位的两个杯芳烃 分子由相互交错4 5 0 转变为两分子完全重叠。 图9图1 0 1 2 间苯二酚杯芳烃衍生物识别作用和金属络合物 以杯芳烃为平台,经有目的的结构修饰衍生的主体分子在分子识别和离子识别 方面取得了丰富的研究成果。杯芳烃作为新一代的主体分子,已在主客体化学中 占据一席之地。它能借助氢键、静电作用、范德华力、疏水作用、阳离子吼作用、 兀讯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 化和能量转换等特殊功能。 问苯二酚杯芳烃衍生物被用于分子识别的例子很多,它不仅可以识别中性有机 小分子口9 4 6 1 而且在离子识别方面也有着广泛应用 4 7 3 1 。目前,杯芳烃在对阴离子 6 扬卅i 大学硕士学位论文 识别方面的研究还比较少,一方面是因为识别阴离子的同时,如何消除阳离子的 干扰;另一方面,阴离子的结构多变,有时不仅要实现多点识别,甚至手性识别 等。但随着主一客体化学和超分子化学的发展,阴离子识别研究正成为它们研究的 重要课题【5 躺6 1 。 间苯二酚杯芳烃衍生物在金属络合物研究方面也取得了比较大的进展 5 7 - 6 5 】,不 断有结构新颖的金属络合物被合成出来。b e e r 等惭】将二硫代氨基甲酸盐结构引入 到间苯二酚杯芳烃中,利用双硫原子强的配合作用使之与z n ”和c u ”配合,得到 了基于间苯二酚杯芳烃,金属离子为主导的自组装分子链( 图1 1 ) ,配合物分子 大小已达到纳米级。此外,他们还利用类似结构的配合物分子将c 6 0 分子包裹于其 中【6 刀,结果表明这种结构的配合物分子对c 6 0 这样球形大分子有很好包合作用。 图n p u d d e p h a t t 等6 8 1 在间苯二酚杯芳烃酚羟基上引入硫磷酯基,与a 9 2 + 等离子配合 时配体显现双齿配体性质,空间结构中s - m s ( m = a g ) 呈线型排列( 图1 2 ) 。配 合物在溶液中还表现出一定的动力学行为,如间苯二酚单元的构型变化和配体分 子间能量的交换等。 韩军:间苯二酚杯芳烃功能衍生物的合成及其性质研究 7 图1 2图1 3 p u d d e p h a t t 等嘲还通过炔丙基溴和间苯二酚杯芳烃的烃基化反应,合成了含有 八个炔丙基的间苯二酚杯芳烃,再利用炔键和过渡金属的配位作用,合成了钴和 金的树状化合物( 图1 3 ) 。 d a l c a n a l e 掣6 明将吡啶基单元引入到间苯二酚杯芳烃上缘相邻和相对两个不同 位置,并制备得到以之为配体,受金属离子控制的超分子组装体( 图1 4 ) 。 图1 4 8 扬州大学硕士学位论文 1 3 间苯二酚杯芳烃的其它应用 由于间苯二酚杯芳烃的超分子和自组装作用所形成的腔口直径可达到纳米等 级,所以它可以用于对纳米粒子的包合,防止纳米粒子的过度聚集,起到分散剂 和稳定剂的作用,在合成中也起到对所合成粒子大小的控制。它的这一功能被应 用于纳米材料的合成 7 0 , 7 h 。 d a v i s 等【7 2 1 在四葵基杯【4 】间苯二酚芳烃的下缘引入巯基,通过s a u 作用增强了 杯芳烃对金纳米粒子的包合作用,使四葵基杯【4 】间苯二酚芳烃硫醇定位在金硫醇 界面上使得金纳米颗粒稳定分散。 f a u l l 等【7 3 1 合成了两种不同的杯【4 】间苯二酚芳烃的主体,一种下缘的取代基是四 硫醚基,另一种是四硫醇基。在金纳米粒子的表面四硫醚基取代的杯 4 1 间苯二酚 芳烃有着较大的分散面积。k i m 等 7 4 1 介绍了杯 4 】间苯二酚芳烃的上缘基团的改变 对粒子稳定性等方面的影响。 在聚合物合成方面,间苯二酚杯芳烃与甲醛可发生类似酚醛缩聚反应形成交 联状聚合物。a l t s h u l e r 等首先合成具有三维固定结构的聚合物,他们还研究了 聚合物对不同阳离子的交换能力,对聚合物中含有的杯芳烃片段的量作了推断。 此外,闻苯二酚杯芳烃衍生物在液相色谱( l c ) 7 6 1 、气相色谱( g c ) 7 7 - 7 9 和毛细 管电泳( c e ) 【8 0 】等分析领域中也有一定应用。 综上所述,间苯二酚杯芳烃化学已成为主一客体化学和超分子化学的重要研究 内容。以间苯二酚杯芳烃为平台得到的众多有特定功能的衍生物已在人工酶、传 感器、光电材料等多方面有所应用。间苯二酚杯芳烃衍生物以其千变万化的分子 构造将在生命科学、催化反应、分析分离、离子载体、环境化学等众多的领域展 示出极大的研究潜力。我们的工作主要是合成具有独特结构和将二茂铁基引入到 间苯二酚杯芳烃中得到有着电化学特性的间苯二酚杯芳烃衍生物。 韩军:间苯二酚杯芳烃功能衍生物的合成及其性质研究 9 参考文献 1 n i e d e r l ,j b ;v o g e l ,h j j = a m c h e m s o c 1 9 4 0 ,6 2 ,2 5 1 2 2 h o g l o c r g ,a gs zo r g c h e m 1 9 8 0 ,4 5 ,4 4 9 8 3b e e r , ed ;t j t e ,e l t e t r a h e d r o nl e t t 1 9 8 8 , 2 9 ,2 3 4 9 4g u s c h ec d a c c c h e m r e s 1 9 8 3 ,1 6 , 1 6 1 5 黄志镗,扬联明化学迸展,1 9 9 4 ,疋1 7 3 6 吕鉴泉,何锡文,陈朗星,郭洪声,化学进展,2 0 0 1 ,1 3 ,2 0 9 7 郑炎松,化学进展 1 9 9 9 ,1 1 ,2 7 5 8 郑炎松,沈之荃,化学通报,1 9 9 8 ,t2 8 9 陈淑华,李东红,袁立华,赵华明,有祝化掌1 9 9 9 ,1 9 , 3 3 9 , 1 0 陈朗星,徐华,李一竣,何锡文,分析化学2 0 0 0 ,2 8 ,2 3 2 1 1 杨世柱,钟立,邓忠旭,厦了大学学报( 自然科学) ,1 9 9 9 ,3 8 ,3 8 7 1 2 h o o l e y , r j ;b i r o s ,s m ;r e b e k ,j r j a n g e w c h e m 。i n t e d2 0 0 6 ,4 5 ,3 5 1 7 1 3 s r i n i v a s a n ,k ;g i b b ,b c o r g l e t t 2 0 0 7 ,9 ,7 4 5 1 4 b e y e h ,n k ;a u m a n e n ,j ;a h l l l a n ,a ;l u o s t a r i n e n ,m ;m a n s i k k a m k i ,h ; n i s s i n e n ,m ;k o r p p i - t o m m o l a ,j ;r i s s a n e n ,k n e wj c h e m 2 0 0 7 ,3 1 ,3 7 0 1 5 d u m a z e t ,i ;b e e r , p d t e t r a h e d r o nl e t t ,1 9 9 9 ,4 0 ,7 8 5 1 6 l i u ,x l ;l i u ,y ;l i ,g ;w a r m u t h ,r a n g e w ,c h e m ,i n t e d 2 0 0 6 ,4 5 ,9 0 1 1 7 j o s e p h ,s ;h a r r i s o n ,r g ;l a m b ,j d ;d e a r d e n ,d v n e w c h e m ,2 0 0 6 ,3 0 , 1 2 7 6 1 8 m a t s u z a w a ,y c o l l o i d sa n d s u r f a c e s 爿:p h y s i c o c h e m e n g a s p e c t s ,2 0 0 4 ,2 4 7 , 4 7 1 9 m e u d o w i e ,m j ;m o c e r i n o ,m ;s k e l t o n ,b w ;w h i t e ,a h o r g l e t t 2 0 0 0 ,2 , 3 8 6 9 2 0 t u n s t a d ,l m ;n c k e r ,j a ;d a l c a n a l e ,e ;e ta i zo r g c h e m ,1 9 9 0 ,6 8 , 2 4 3 2 1 y a m a k a w a ,y ;u e d a , m ;n a g a h a t a , r ;e ta tj = c h e m s o c ,p e r k i nt r a n s j ,1 9 9 8 , 4 】3 5 l o 扬州大学硕士学位论文 2 2 f a u l l ,j d ;g u p t a ,v k t h i ns o l i d f i l m ,2 0 0 3 ,4 4 0 ,1 2 9 2 3 c o l l y e r ,s d ;d a v i s ,f ;l u c k e ,a ;e ta 1 j o u r n a lo f e l e c t r o a n a l y t i c a lc h e m i s t r , 2 0 0 3 ,5 4 9 ,1 1 9 2 4 b o t t a , b :c a p o r u s c i o ,f ;s u b i s s a t id ;e ta 1 a n g e w c h e m ,i n t e d 2 0 0 6 ,4 5 , 2 7 1 7 2 5 h o l m a n ,k 。t ;c r y s t a le n g i n e e r i n g , 1 9 9 8 ,8 7 2 6 m a c g i l l i o m y , l r ;r e i d , j l ;a t w o o d ,j l ;r i p m e e s t e r , j a c r y s t a l e n g i n e e r i n g , 1 9 9 9 ,2 ,4 7 2 7 m a c g i l l i o r a y , l r ;s p i n n e y , h a ;r e i d ,j l ;r i p m e e s t e r , j a c h e m c o m m u n 2 0 0 0 ,5 1 7 2 8 m a c g i l l i o r a y , l r :a t w o o d , j ,l a m c h e m s o c ,1 9 9 7 ,1 1 9 ,6 9 3 1 2 9 m a c g i l l i o r a y , l r ;d i a m e n t e ,pr ;r e i d ,j 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