基础杯吡咯合成

1、摘要杯吡咯是由吡咯环和 sp3杂化碳原子通过吡咯环位连接而组成的大环化合物。由于其结构和性能方面具有很多的特异之处，杯吡咯构成一类别具特色的新型杯状化合物。它可以络合阴离子和中性分子，从而应用于超分子化学领域。本论文主要对以下几个方面进行了研究：1)以催化剂酸、反应溶剂、反应温度三方面作为考察因素，得到杯吡咯合成的最佳条件：以浓盐酸为催化剂，甲醇为反应溶剂，室温下合成出来了八甲基、八乙基、四环戊基、四环己基四种杯4吡咯，产率分别为：85.33%，53.14%，74.76%，61.85%。2)通过质谱和核磁数据对四种杯4吡咯的分子结构进行了确认，并利用高效液相色谱法，使用峰面积归一化原理计算四种

2、杯吡咯的纯度分别为91.19%,93.76%,89.75%,89.13%；3)在无水无过氧化物的四氢呋喃体系中，八甲基杯4吡咯与N-溴代丁二酰亚胺加热回流2 h,合成了八溴-八甲基杯4吡咯，产率42.51%。4)用八溴-八甲基杯4吡咯大环化合物作为分子主体,以四丁基氟化铵为客体,通过紫外扫描图表征了杯4吡咯与氟离子之间的多氢键作用的分子识别。关键词：杯吡咯；合成；条件优化；分子识别IAbstractThe calixpyrrole is macrocyclic compounds with the pyrrole ring and sp3 hybridized carbon atom conn

3、ection via site in pyrrole ring. Because in their structure and performance there are much differences, the calixpyrrole consists of a distinctive and new category calix-compounds. It can be complex anions and neutral molecules, which applies to the field of supramolecular chemistry.The following as

4、pects have been studied in this essay:1) The acid catalyst, the reaction solvent and the reaction temperature have been investigated to find out the optimal condition. In the presence of concentrated hydrochloric acid catalyst, methanol and at room temperature, four spieces of synthesized calix4pyrr

5、oles，namely，meso-octamethyl calix 4 pyrrole, meso-octaethylcalix 4 pyrrole, tetrapentyl calix 4 pyrrole, tetracyclohexyl calix 4 pyrrole are obtained. And their yields are 85.33%, 53.14%, 74.76%, 61.85% respectively.2) The molecular structures of four species of calix4pyrroles were confirmed by MS a

6、nd 1HNMR. The purity of compounds were 91.19%, 93.76%, 89.75%, 89.13% respectively which were calculated through peak area normalization by HPLC method. 3) In anhydrous tetrahydrofuran system, octabromo- oxtamentyl calix 4 pyrrole was synthesized by refluxing octamethyl calix4pyrrole with NBS in 2 h

7、our. And the yield of product is 42.51%.4) The multi-hydrogen interaction between octabromo calix4pyrrole and fluoride ions was studied by the UV - visible spectrum.Keywords: calix4pyrrole; conditional optimization; synthesis; molecule recognition目录摘要IAbstractII1.绪论11.1 超分子化学的发展史11.2大环化合物的合成国内外研究背景及

8、现状31.2.1冠醚31.2.2环糊精41.2.3杯芳烃51.3杯吡咯大环化合物的合成现状及发展81.4本实验的目的及任务132.四种杯4吡咯的合成与表征142.1引言142.2 实验部分142.2.1主要试剂及仪器装置142.2.2 合成方案162.3 实验结果与讨论172.3.1 合成机理172.3.2合成条件的优化172.3.2.1 杯吡咯的特点172.3.2.2 催化剂酸对合成的影响182.3.2.3 反应溶剂对合成的影响192.3.2.4 反应时间和反应温度对合成的影响212.3.3杯吡咯图谱表征：213.八溴-meso-八甲基杯4吡咯合成与识别作用223.1四氢呋喃处理223.2

9、合成路线及实验步骤233.3数据表征233.4识别作用243.4.1实验部分244.结论28谢辞29参考文献31附录 质谱、核磁数据等33杯4吡咯大环化合物的合成与性能1.绪论1.1 超分子化学的发展史 从大环化学来看,它里面的大环化合物如冠醚、穴醚、环糊精、杯芳烃、碳60等，它们都毋庸置疑跟超分子化学以及它的化合物的发展息息相关，而且我们知道，分子自组装（如自组装的双螺旋DNA、双分子脂膜、表面活性剂等）、还有微粒为分子级别制成的器件，新兴有机材料合成的研究都要用到超分子化学知识。尽管到目前为止发现，这门新兴的学科超分子化学还没有一个较为完整、清晰、精确的定义和体系，但从它的诞生那天开始，它

10、的发展确是充满活力的向前迈进1,2。 “超分子”一词最早出现在上个世纪的30年代左右，但当“超分子”受到重视时却过了50年的时光了。从字面意义上看，超分子化学顾名思义是“超出分子的化学或分子之外的化学”3。20世纪60、70年代，在美国杜邦公司工作的Charles Pedersen一次合成的操作，偶然发现了尝试用碱金属阳离子与冠醚的发生配位作用，并由此发现了冠醚这种新型的大分子化合物，同年发表关于冠醚合成的经典论文。十几年后，化学界迎来了一个崭新的领域超分子化学拉开了划时代的序幕。在1987年因对冠醚合成的研究，Charles Pedersen、Donald Cram与Jean-Marie L

11、ehn共同获得1987年的诺贝尔化学奖。与此同时法国科学家诺贝尔化学奖获得者Jean-Marie Lehn 第一次提出了“超分子化学”这一概念, 在其撰写的超分子化学概念和展望一书中，他指出: “超分子化学是基于分子间的非共价键存在着的分子化学, 基于分子组装体和分子间键而存在着的化学”。用一句通俗易懂的话说，即就是超分子化学的核心是分子间的相互作用，且超分子体系的微观单元是由若干乃至许许多多个不同化合物的分子或离子或其他可单独存在的具有一定化学性质的微粒聚集而成。对于聚集数可以是确定的，也可以是不确定的，在这一点上，超分子化学的聚集数与基础化学中要求分子中要有严格确定的原子个数有本质区别，在

12、超分子化学中，把这些多个组分的基本微观单元聚集到一起的“凝聚力”或作用力不是所谓的共价键，金属键等化学键，而是 相对于共价键等化学键以外的较弱的作用力如范德华力(含氢键)、亲水或憎水作用等。在超分子化学中，可以根据它们不同的强弱程度、取向以及对距离和角度的依赖程度区分不同类型的相互作用，大致可以分为：金属离子的配位键、氢键、-堆积作用、静电作用和疏水作用等。同时驱动超分子自组装的动力是它们的强度，其分布主要是由-堆积作用及氢键的弱到中等，到金属离子配位键的强或非常强。根据超分子自组装原则，人们可以利用分子间的相互作用力作为工具，按照一定的方式把特定的结构或带有特定功能的组分组装成新的超分子化合

13、物。在这些新的超分子化合物中，不仅能体现出单个分子所不具备的特有性质，而且能大大增加化合物的种类和数目。设想如果人们能够很好的控制超分子自组装过程，按照预期目标更简单、更可靠的得到具有特定结构和功能的化合物，人类的一些疾病或许可得到一些针对性、特异性的治疗，为人类健康谋求新的福祉。从20世纪90年代以后,Surpramolecular Chemistry杂志的创立可以看出，超分子化学，这个化学这门科学的分支，像高分子化学，合成化学等一样，真正地成为一个独立的学科，并且已经得到世界各国化学家的普遍认同。在我国，上世纪八九十年代，一些高校和科研机构已经展开了相关科研，并已做了相当多的工作。 由于超

14、分子学科具有广阔的应用前景和重要的理论意义，超分子化学发展成为了化学领域里发展前景迅速的一门学科超分子学科。在与其他学科的交流中，近十多年来超分子化学的研究在国际上非常活跃，国内外的学术交流也越来越紧密，利用此契机，我国积极开展这方面的研究工作，一些高校和科研机构已经展开了相关科研。由于涉及极其广泛的领域，超分子化学不仅利用传统的化学(如无机化学、有机化学、物理化学、分析化学等)的储备理论，而且还要求或者涉及材料科学、信息科学和生命科学等学科的较前沿的理论。同时超分子化学的兴起与发展促进了许多相关学科的发展，也为它们提供了新的机遇。科学家及科研工作者利用超分子化学中的分子识别，通过分子组装等方

15、法构筑了一个有序超分子体系，同时展示了电子转移、能量传递、物质传输、化学转换以及光、电、磁和机械运动等多种新颖特征。还有一些科学家设想能在未来逐一实现超分子功能材料及智能器件、分子器件与机器、DNA芯片、导向及程控药物释放与催化抗体、高选择催化剂等等。科学界曾有人预言，随着时代的发展，未来的某一天，分子计算机和生物计算机也会实现。在信息科学方面，与传统材料相比，由于超分子的化合物具有光、电、磁和机械运动等多种新颖特征，超分子材料或许在未来能够成为新材料，假使成功，将带动信息及相关领域的产业技术革命，将对世界经济产生深远的影响。可以确信，超分子科学已不在单一的独立的分支化学，或许可能是开启21世

16、纪新思想、新概念和高新技术的重要科学源头。1.2大环化合物的合成国内外研究背景及现状1.2.1冠醚 1967年，杜邦公司工作的化学家Charles Pedersen，一次偶然机会发现了发现冠醚与碱金属阳离子的配位作用，并由此发现了冠醚这种新型的大分子化合物。通过深入研究，它很惊讶的发现，能够牢牢的与钾离子配位。在一份早期关于在16 - 冠- 4中溶解钾的报告中提到，Charles Pedersen发现环多醚实际上是一类全新的化合物，有着与碱金属结合的能力。接下来，他发表了一系列的论文报告了经过系统研究的合成方法以及冠醚的成键性质。很多不同学科受益于冠醚的发现，包括有机合成、相转移催化等。 19

17、68年，在美国著名化学家R·B·Woodward实验室做完博士后研究回国的莱恩，在Charles Pedersen发表的论文的启发下，进行了投入研究，构思出巧妙的设计思想和精湛的实验操作技术，通过与同事的协作成功地合成了一类大二环型化合物，由于结构酷似土穴，他们称其为穴醚(eryptand ether)。 随后，他们又设计并合成了更高层次的大三环、大四环型穴醚化合物，在近10年时间他们都在对其性质和应用进行了研究。研究表明，这类分子更像是“钥匙和门锁的关系，每把钥匙只能开一个门锁，具有强烈的特异性”，正因为这样，此类分子与金属离子发生的是特异的配合作用，且具有决定分子相互识

18、别的作用。 20世纪80、90年代后，冠醚、穴醚等大环化合物含有“空腔”的特殊性质引起许多化学家们的重视，冠醚化学逐渐成为倍受关注的新兴边缘学科，目前已渗透到了化学的许多领域18-20，例如有机合成、配位化学、分析化学、萃取化学等。比如说，冠醚在有机合成中的应用相转移催化剂在一些有机化学反应中，由于反应物有油态和水态两种状态，在反应中会出现相界，使得反应速度大大减慢。这是我们就需要一种催化剂把水性物质带入油性物质中，同时把油性物质带入水性物质中。由于冠醚为大分子环状化合物，其中间有很大的空间，能携带一些离子等。所以在有机合成中可用冠醚作为相转移催化剂。比如，18 -冠- 6和乙腈存在下，氰化钾

19、与氯化苄反应得到苯乙腈，产率为100%。在分子催化、酶模拟、生物学、土壤化学及医药等领域也得到广泛的应用。例如，冠醚土壤化学种的应用去除环境中的有毒离子，离子进入冠醚的空穴中形成聚合物-固载试剂，这种物质易处理，可回收利用。除此以外冠醚还能用于水的净化。1.2.2环糊精作为超分子化学的重要载体，首先环糊精是来自于微生物芽孢杆菌中，微生物体内的葡萄糖基转移酶分解淀粉能产生的葡萄糖过程中而生成的一类环状低聚糖，一般含有612个D-吡喃葡萄糖单元。在超分子化学研究中，含有6、7、8个葡萄糖单元的的环糊精的研究最为热门，它们命名为、-环糊精。关于环糊精的历史主要是归功于德国科学家Villiers，他在

20、1891年首次发现环糊精，在1935年Freudenberg和French对其进行结构表征。环糊精是具有一定尺寸的立体手性空腔体，环的结构中有亲水的环外、疏水的环。正由于环糊精分子结构的特殊性，从理论研究还是实际应用中都有广泛的研究。在1978年，日本科学家发明了酶法生产环糊精，原理是将淀粉用特定的酶直接转化为环糊精。由于环糊精的大规模的工业化生产，其在医药，食品工业，环境保护，生物医学，电化学等方面工业应用得到了长足的发展。目前，-环糊精是工业上使用较多的。根据X-射线晶体衍射、红外光谱和核磁共振波谱分析的结果来看，环糊精分子的每一个吡喃葡萄糖都是椅式构象，各个葡萄糖单元以1，4-糖苷键连接

21、成环，糖苷键不能自由旋转。同时因为环糊精略呈锥形的圆环，伯羟基在锥形的小口，仲羟基在锥形的大口，所以它不是圆筒状分子。在环糊精结构中，伯羟基具有亲水性，而空腔内由于受到C-H键的屏蔽作用形成了疏水区。它在水溶性溶剂和油溶性溶剂中具有一定的溶解性。还有环糊精加热到200左右才开始分解，热稳定性较好且不易吸湿，但可以形成水合物。对于它的疏水性空腔内而言，可以容纳有机化合物，为了利用其空腔优势，进行化学改性，环糊精更好地有机大分子。还有因为环糊精被发现与研究的时间早，人们还发现环糊精在一些反应中具有催化作用。目前环糊精的应用主要是在食品、医药等方面。例如食品工业上，人们利用环糊精的疏水空腔生成包络物

22、的能力，可使食品的许多活性成分与环糊精生成复合物，减少被氧化的可能，同时降低挥发性，从而保护食品中的芳香物质或保持色素稳定。环糊精还可以脱除异味、去除有害成分，例如现在的 “三高症”患者较多,可以利用环糊精的疏水性除去在蛋黄，稀奶油等食品中存在着大部分胆固醇，从而降低或减少对身体的进一步损伤。还有在茶叶饮料的加工中，在不破坏茶多酚、氨基酸等有益物质的前提下，利用-环糊精转溶法可以抑制茶汤低温形成浑浊物的现象。在医药业因为环糊精的外缘亲水性而腔体的疏水性，在主客体化学中起到了重要作用。环糊精可以作为主体(Host)包络适当的客体(Guest)。例如可以利用环糊精的“两性”与一些水溶性不良的药物形

23、成包结物，改善了在水中的溶解度和溶解速度，还有些如肠康颗粒中挥发油的不稳定性，它与环糊精结合能提高药物吸收度；再有药物穿心莲的不良气味或苦味使人们不太想服用，利用环糊精的包结作用就可以某种程度降低其苦味和不良气味。在全球变暖等一系列环境恶化的问题下，人们在环境保护方面越来越重视。环糊基于环糊精的包结作用，利用其与污染物形成稳定的包络物从而减少环境污染。另外，日常生活中，有些空气清新剂具有一定时间的持有释放香味，其原因就是添加环糊精形成分子包结物，可以达到缓慢释放气体分子，延长香味持续时间的作用。1.2.3杯芳烃在1942年，奥地利的化学家Zinke在一次有机合成时偶然地得到杯芳烃。最初，通过研

24、究前人合成交联状树脂塑料的工作后，Zinke想利用单体苯酚替换为对位取代的苯酚，可以线型的树脂塑料，而非原来交联状的树脂。在他的设计思想下，叔丁基苯酚与甲醛水溶液在氢氧化钠存在下反应，但发现产物不是他预期的线型酚醛树脂，而是一个最终鉴定为环状的四聚体高熔点的晶状化合物，(如图杯4芳烃)，这是杯芳烃发现的由来。但因其结构像一个酒杯而被美国CDGutscht称为杯芳烃。图1.1 杯4芳烃通过研究发现绝大多数的杯芳烃一般熔点较高，通常在250以上，且在有机溶剂中的溶解度都很小，在水中的溶解度几乎为零。还有杯芳烃具有可调节大小的“空腔”，可以形成主-客化合物，与环糊精、冠醚相比，是一类更具广泛适应性的

25、模拟酶，被科学界称为继冠醚和环糊精之后的第三代主体化合物。在20世纪五六十年代，三位科学家Hayer，Hunter及Krammere先后做了大量详细的研究，设计和合成一些具有不对称取代基的杯芳烃，随后英国著名化学家，诺贝尔奖获得者Comforth也参与了这类化合物的研究，但它们的研究成果未引起科学界的广泛的兴趣。直到70年代后期，随着科学家对环糊精、冠醚等大环化合物的深入研究，美国化学家Gutsche对杯芳烃产生极大的兴趣，同时他的研究对该领域作了大量卓有成效的工作，提出并优化合成杯芳烃的“一步法”，大大提高了杯芳烃的收率，同时在修饰杯芳烃方面也进行了研究，指出该类化合物具有大小可调的空腔，认

26、为其是一类具有广泛适应性的“模拟酶”。由此开始，人们的才逐渐普遍关注杯芳烃类化合物的合成及性能。自七十年代后期以来，杯芳烃化学发展取得了蓬勃生机。在分子识别和超分子化学领域的应用方面，已报道一些杯芳烃，如在下缘或上缘取代的杯芳烃和它的杯芳烃衍生物, 冠醚、穴醚和杯芳烃组合的杯芳烃冠醚和杯芳烃穴醚, 两个或三个杯芳烃构成的双杯芳烃,三杯芳烃,以杯芳烃为基础，合成出如树枝状分子的大分子，还有具有水溶性杯芳烃和杯芳烃聚合物等。目前在杯芳烃的研究领域中，一个新的方向也开始发展，即改造杯芳烃的骨架，包含采用如吡咯呋喃等杂原子构成的五元六元环化合物替代苯环形成杂原子的杯杂芳烃，或用杂原子S，N，P或含杂原

27、子的基团代替桥联亚甲基而形成杂杯芳烃。通过杯芳烃的改造，拓宽了杯芳烃及其衍生物的研究和应用道路，使得杯芳烃化合物在四大基础化学和材料化学以及这些学科的交叉领域都显示了其作为超分子(supramolecular chemistry)化学中一类优良主体的特有价值。杯芳烃的结构特点是在其结构中，上缘规定为疏水性的烷基，它和苯环一起构成疏水性环状穴腔（cavities），下缘规定为整齐排列的亲水性酚羟基。在杯芳烃（calixarenes）中，存在着两种基本的结构形式，一类被称为杯n芳烃（Calixnarenes）（n是表示环状分子中苯酚单元的数目），这类杯吡咯是以碱催化，通过对位取代的苯酚和甲醛缩合而

28、获得的环状低聚物，苯酚单元同多位于酚羟基邻位的亚甲基相连。通常情况下，环状分子中苯酚单元的数目n在48个，且n为偶数的杯芳烃易于制备且产率较高；另一类是以酸催化，通过邻苯二酚和醛（甲醛除外）缩合而获得的环状低聚物，取代亚甲基位于邻苯二酚单元的临位，酚单元数目为4，被称为雷锁杯4芳烃（resorc4arenes）。广义上的杯芳烃一般是两类杯芳烃的变体和数量众多的功能化杯芳烃，但目前研究杯芳烃的较多。杯芳烃的环状结构具有锥形、偏锥形等多种构象，对于锥形构型而言，下缘排列着的是紧密而有规律的亲水性的酚羟基，上缘疏水性的取代烷基团，中间形成了一定尺寸的空腔，使得杯芳烃既可以识别阳离子，又可以通过多种非

29、共价键包裹有机中性分子、阴离子，形成主-客体大环化化合物。虽然绝大多数的杯芳烃一般熔点较高，通常在250以上，且在有机溶剂中的溶解度都很小，在水中的溶解度为零，但通过引入一些官能团，可以一定程度的改善溶解性，例如：通过引入亲水基团如磺酸基和季胺基团，杯芳烃的水溶性有了一定的提高。杯芳烃的红外谱有一个显著的特点，在波数为31503300cm-1范围内出现的波峰是羟基官能团峰，由于宽波峰的特点可能会有杯n芳烃（特别是n=4时）很强的分子内氢键。对于杯芳烃的分子内氢键的强弱，其方法为测定羟基的解离常数pKa，例如Skinkai等用酸碱中和滴定，计算出了水溶性磺酸基杯4芳烃的pKa值。 作为第三代主体

30、超分子化合物，杯芳烃、冠醚和环糊精都存在着独特的空穴结构，但与它们相比具有独特的特点：（1）设计并合成的聚合物，具有能够调节空穴大小结构；（2）通过控制不同反应条件，按所有需要的构象引入适当的取代基；（3）在杯芳烃的衍生化反应方面，通过在杯芳烃下缘的酚羟基、上缘的苯环对位，而且连接苯环单元的亚甲基进行选择性功能化衍生化，引入一些亲水基团如磺酸基，季胺基团等，改善杯芳烃水溶性，同时部分改善其分子络合能力和模拟酶活力；（4）杯芳烃衍生化后，某些其衍生物也具有很好的溶解性；（5）可以与离子和中性分子形成主客体包合物，这一点综合冠醚和环糊精两者之优势；（6）合成较为简单，可以进行工业化生产，使其商品化

31、。如肾上腺素、去甲肾上腺素两种儿茶酚胺对多巴胺具有选择性。但它们同时也受钾离子干扰极大。在生理条件下，为了能找寻一种能运用，具有高效多巴胺选择性的分子识别传感器，研究发现一种类似杯芳烃衍生物对多巴胺具有选择性识别，而且对钾离子很好的选择性。 由于杯芳烃杯芳烃具有结构灵活多变、易于修饰，其衍生物主体分子具有高效选择性，能通过超分子作用与如离子、中性分子等客体分子络合的特点，在分子识别领域的应用是最为广泛的。例如在化学、生物样品中，杯芳烃的一种理想骨架的探针集团与杯芳烃具有预先通过键位结合的活性探针结合，当受化学、生物样品的刺激后，杯芳烃就能进行分子识别。在分子催化领域的方面，杯芳烃特殊的空腔结构

32、和易于衍生化的特点使其在用作催化剂方面具有独特的优势。与常用的相转移催化剂比较，通过衍生化适当修饰的杯芳烃具有良好的相转移催化性能，杯芳烃催化剂的用量更少，反应时间更短，活性更高。1977年，Buriks等就发现，在非极性溶剂中，杯芳烃的结构中下缘连有乙氧链的对叔丁基杯芳烃具有相转移催化能力，可以解决油水乳化等问题，它已经应用于石油精馏。还有专利曾报道，较季铵盐相比，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，且得到的产物产率和纯度较普通法要多些。再者，杯芳烃的空穴还能包含客体有机分子，所以还可应用当做反相转移催化剂，即在有机反应中把有机物从有机相转送到水相，在水相中进行反应。与普

33、通的相转移试剂相比，反相转移试剂有两大优点：一、易于分离和循环含水的催化剂溶液；二、在在反应温度下若有机反应物是液相，则不需要其他的有机溶剂充当反应介质。近几年，杯芳烃为受体的反相转移催化剂方面的研究工作比较活跃。例如Shimizu等设计了一种水溶性磷杯芳烃-金属配合物作为反相转移催化剂，这类催化剂同时还具有均相金属催化剂的功能，并且可以多次重复使用，催化活性不变。Molenveld利用杯4芳烃-Zn3配合物模拟三金属核磷酸二酯酶，从而加快RNA二核酸醚交换反应速度并对核酸碱基具有专一性。 经过近三十年的发展，由于目前超分子化学中杯芳烃的衍生物的合成已经相当成熟，在化学传感器方面的应用，杯芳烃

34、的荧光分子传感器的研究成为一个热门话课题。人们将冠醚片段、酯基或酰胺基等修饰到杯芳烃上，制得易于功能化杯芳烃，可以提高对阳离子的选择性识别能力。例如当含有光敏基团杯芳烃衍生物和金属离子选择性离子识别时，光敏基团杯芳烃衍生物发生了明显的光物理变化，尤其在荧光强度的明显变化，因此它们可以作为荧光传感器和分子开关。 综上所述，近年来，杯芳烃化学不论是从结构、性质研究发展到了人工酶、传感器、光电材料等多方面的应用研究，还是从单一分子合成发展到分子多层次聚集体的高层次研究，已取得长足的发展。1.3杯吡咯大环化合物的合成现状及发展在1886年德国化学家Baeyer首次合成了八甲基杯4吡咯,当时Baeyer

35、把它叫做“丙酮吡咯”，到20世纪30年代,Fischer把这个“丙酮吡咯”命名为、-八甲基卟啉原。然而，他通过研究发现这类所谓的“介位(meso)八甲基卟啉原”物质具有稳定的高熔点，其化学性质稳定，存在氧化芳构化禁阻。也许可能恰恰是因为这个原因，从1886年被发现到现在的一个多世纪中，这类化合物一直就没有引起人们的关注。1996年，美国Texas大学的Sessler研究小组在对阴离子识别体系研究时无意中发现，这个被世人尘封了一个世纪之久的存在氧化芳构化禁阻的介位(meso)八甲基卟啉原也可以识别阴离子和中性分子。根据这一现象，在1996年他们为这个大环化合物纠正 “错误”，为了唤起人们对它的研

36、究兴趣，按照杯芳烃类似物，将其重新命名为“杯吡咯”。虽说杯吡咯与杯芳烃及杯芳烃的衍生物类似, 但由于其结构和性能方面更多的特异之处，将成为一类别具特色的新型杯状化合物。 （1）杯吡咯化合物的结构研究由Baeyer开端，Dennstedt和Zimmermann曾研究过“丙酮吡咯”的合成反应。1916年,Chelintzev和Tronov以甲乙酮、甲基己基酮和环己酮为原料合成了新的杯4吡咯同系物，其中包括由两种酮与吡咯共缩合制备的meso-六甲基-meso-二乙基杯4吡咯。从目前合成的产物来看，基本上都是杯4吡咯,即环体中含4个吡咯单元的环四聚结构。其实环四聚结构早在1916年由Chelintze

37、v 和Tronov 提出, 当时是基于八甲基杯4吡咯被铬酸氧化以及热解反应的产物作出的推测。在1955年Rothemund和Gage等人通过进一步实验研究后发现,杯吡咯分子内的4个桥碳原子中至少有3个是通过吡咯环的位联结，但还在怀疑第4个桥碳原子的键合本质。二十世纪六十年代，Corwin等采用1HNMR方法研究了八甲基杯4吡咯， 结果发现其分子结构是一个高度对称性的结构，从而确证了Fischer提出的八甲基卟啉原化学结构。据文献报道，由Sabalitschka和Haase合成的一系列杯4吡咯同系物的熔点，同时中科院兰州物化所也报道上述同系物的熔点（*表示），如表1.1示：表1.1 杯4吡咯同系

38、物的熔点编号杯4 吡咯熔点/ 1meso-八甲基杯4吡咯296( 303305) *2meso-四甲基-meso-四乙基杯4吡咯150 和162( 152)3meso-四甲基-meso-四丙基杯4吡咯226( 224225)4meso-八乙基杯4吡咯2082105meso-四环己基杯4吡咯272. 5( 281282)6meso-四甲基-meso-四正丁基杯4吡咯193194( 224)7meso-四乙基-meso-四丙基杯4吡咯2198meso-四乙基-meso-四正丁基杯4吡咯2052069meso-四乙基-meso-四异丁基杯4吡咯19910meso-四甲基-meso-四己基杯4吡咯17

39、9( 183185)虽然早期的杯吡咯容易制得,但是伴随大量线形或聚合副反应产生的副产物也很多,从而使得目标产物收率较低,一般情况下，纯化后的收率普遍低于20%，且高位阻酮类的反应收率更低,甚至难以得到产物。就合成而言,从首次合成到唤起人们继续研究杯吡咯，如何合成、怎样优化一直在探讨，到现在仍有许多值得探索的工作。 早期采用直接缩合法合成meso-四环己基杯4吡咯的产率只有25%，在1977年,以Borwn等人为小组的科研团队，设计了采用两步法合成了meso-四环己基杯4吡咯,但在后期的纯化处理过程中，比较难以分离纯化中间产物,最终得到的产物收率与直接缩合相当。（meso-四环己基杯4吡咯结构见

40、图1.3） 图1.3 meso-四环己基杯4吡咯与meso-八乙基杯4吡咯 而Jacboy等人的研究小组在合成meso-八乙基杯4吡咯的时候，采用了一种新的优化条件，即在加热回流条件下，以甲磺酸为催化剂，氮气做保护气的情况下，产物的收率达到了67%，同时还缩短了反应时间。（meso-八乙基杯4吡咯结构见图1.3） 科研工作者在如何提高杯4吡咯的产物的产率的同时，也接受了富有挑战性的课题探索杯n吡咯( n>4)的合成。Sessler等人称他们以经典方法合成杯4吡咯时, 曾检测到了痕迹量的杯5，6和7吡咯,而目前他们正采用特殊的模板方法尝试杯n吡咯的合成。例如在2000年,由瑞士的Khokn

41、e等人以杯6呋喃为中间体得到杯6吡咯化合物,产率为42%。ab、ca) MCPBA(6.2mol),CH3Cl；b)Zn/CH3COOH；c)CH3COONH4/EtOH图1.4 杯6吡咯的合成路线 2004年，有文献报道了新的杯吡咯的修饰。目前涉及衍生化反应的研究尚不多见，杯吡咯化学研究的重要内容之一就是对杯吡咯分子进行化学修饰。从杯吡咯的分子结构来看,一种是通过一定的反应途径，利用杯吡咯的介位、杯吡咯环位以及N原子位置引入活性官能团。另一种就是可以通过杯吡咯衍生化反应，制备一些其它途径难以直接制备的新型大环化合物，如针对杯4吡咯母体中吡咯环进行扩环反应现己成功制备了杯4吡啶。 含官能团的酮

42、与吡咯反应可以直接合成介位官能化的杯4吡咯，例如Florinai研究小组从出发,通过金属有机化学方法，在其介位烷基链端引入官能团，如图1.5得到的化合物。图1.5 杯4吡咯化合物在介位烷基链端引入官能团的方法单从吡咯的结构出发可以看出，吡咯环存在着上和位的H，但是杯吡咯的合成反应一般发生在环的位上，杯吡咯的位已经进行了亲电取代反应，因此还可在位进行取代，形成杯吡咯衍生物。杯吡咯的官能团的衍生化反应是直接通过亲电取代试剂反应得到的。例如meso-八甲基杯4吡咯在无水无过氧化物的THF溶剂中，与N-溴代丁二酰亚胺（NBS）加热回流,可以得到八溴-meso-八甲基杯4吡咯。 同时还有包含吡啶单元的大

43、环化合物也一直被认为具有很重要的性能。近年来，人们已设计合成了许多含吡啶单元的大环化合物，其中也包括类似杯芳烃的多吡啶大环,但是如果通过吡啶的2位和6位以sp3杂化碳原子连结的杯4吡啶化合物很难直接合成。在1995年，以Florinai等人组成的研究小组，通过利用以meso-八乙基杯4吡咯过渡金属配合物与CO发生反应,制备了杯1吡啶3吡咯和杯2吡啶2吡咯两种衍生物。图1.6 杯1吡啶3吡咯和杯2吡啶2吡咯的路线 1998年,Sesselr等人利用一种全新的合成方法制备出了杯m吡啶n吡咯(m+n=4)化合物，他们的合成方法是利用杯4吡咯与二氯卡宾发生反应,使在吡咯环上能够发生重排扩环反应，最终通

44、过采用该合成方法第一次得到了杯4吡啶大环化合物。 合成的-十氟杯5吡咯化合物,产率最高为31.5%，-十六氟杯8吡咯化合物,产率最高为16% 。（见图1.7）图1.7 -十氟杯5吡咯和-十六氟杯8吡咯 位取代的杯吡咯衍生物还可以用碘代杯吡咯和TMS(三甲基氯硅烷)乙炔基杯吡咯为主要中间体,来制备-芳香炔烃基取代的杯吡咯衍生化合物。（见图1.8）图1.8 -芳香炔烃基取代的杯吡咯衍生化合物合成路线1.4毕业设计的目的及任务毕业设计实验目的：本课题拟对八甲基、八乙基、四环己基和四环戊基杯4吡咯的合成方法进行优化，考察催化剂酸、反应溶剂、反应时间以及反应温度对产率和纯度的影响。并在此基础上，参考外文

45、文献的概述，利用自身实验条件进行衍生化反应合成-八溴-meso-八甲基杯4吡咯，通过紫外扫描图表征了杯4吡咯与氟离子之间的多氢键作用的分子识别。352.四种杯4吡咯的合成与表征2.1引言由吡咯环和sp3杂化碳原子组成的杯吡咯，是通过吡咯环位连接而构成的大环化合物。1886年德国化学家Baeyer（拜耳）发现了八甲基杯4吡咯，当时Baeyer认为是产生了“丙酮吡咯”，直到20世纪30年代，Fischer把其命名为、-八甲基卟啉原，通过研究发现其具有稳定的高熔点，其化学性质稳定，但是存在氧化芳构化禁阻。也许可能恰恰是因为这个原因，从1886年被发现到现在的一个多世纪中，这类化合物一直就没有引起人们

46、的关注。1996年,美国Texas大学的Sessler 研究小组在对阴离子识别体系研究时无意中发现，这个被世人尘封了一个世纪之久的存在氧化芳构化禁阻的介位（meso）八甲基卟啉原也可以识别阴离子和中性分子。根据这一现象，1996 年他们为这个大环化合物纠正 “错误”，为了唤起人们对它的研究兴趣，按照杯芳烃类似物，将其重新命名为“杯吡咯”。虽说杯吡咯与杯芳烃及杯芳烃的衍生物类似。但由于其结构和性能方面更多的特异之处，将成为一类别具特色的新型杯状化合物。2.2 实验部分2.2.1主要试剂及仪器装置试剂：重蒸吡咯分析纯科龙试剂丙酮分析纯科龙试剂3-戊酮分析纯（进口分装）Lancaster环戊酮分析纯

47、科龙试剂环己酮分析纯科龙试剂氨水分析纯科龙试剂浓盐酸分析纯科龙试剂甲醇分析纯科龙试剂试剂：乙醇正丁醇分析纯分析纯科龙试剂科龙试剂甲磺酸分析纯科龙试剂四氢呋喃分析纯科龙试剂氯仿分析纯科龙试剂二氯甲烷分析纯科龙试剂氢氧化钾浓硫酸分析纯分析纯科龙试剂科龙试剂主要仪器： 医用气囊 三颈烧瓶、分液漏斗、冷凝管、广谱pH试纸等 FA2004N电子分析天平（上海精科） DF-101S集热式磁力搅拌器（巩义予华仪器厂） HJ-6磁力搅拌电热套（北京中兴） RE201D旋转蒸发器（巩义予华） Agilent G6430质谱仪 Bruker 400MHz全数字化核磁共振谱仪(CDCl3为溶剂，TMS为内标物) W

48、QF-520型红外光谱仪（北京瑞利分析仪器有限公司）（KBr压片法）（波长 范围:7000-400cm-1,波数精度：±0.5cm-1,最优分辨率：0.5cm-1,信噪比 (10000:1) SHZ-C型循环水式多用真空泵（巩义市予华仪器厂） 高效毛细管电泳液相色谱一体机（北京华阳利民仪器有限公司） 日本岛津UV-1800分光光度计（波长范围190-1100nm，分辨率可达1 nm， 波长准确度：±0.1nm，波长重现性：±0.1nm，波长精确度：±0.3nm）2.2.2 合成方案1、合成路线：R1，R2=CH3,C2H5，环戊基，环己基等2、合成方法：

49、 将150 mmol（约10.06 g）重蒸吡咯溶于200250 ml无水乙醇（或甲醇）中，室温搅拌下滴加催化剂酸2.0 ml，通过滴液漏斗将150 mmol酮在20 -30 min内滴加完毕，用磁力搅拌器搅拌，反应15 h后，停止搅拌，加浓氨水调节溶液pH值约等于7，即终止反应，而后静置，减压抽滤分出沉淀物（或粘状物），将其转移至烧杯中，加入过量的无水乙醇（或甲醇）洗涤三次，减压抽滤后得粗产物，分别选择适宜的溶剂体系进行重结晶纯化，真空干燥后得到目标产物。3、实验装置图图2.1 杯吡咯合成装置图2.3 实验结果与讨论2.3.1 合成机理 从吡咯的结构上来看氮原子上存在着一对孤对电子，参与了吡

50、咯环上的电子共轭，根据休克尔的芳香烃“4n+2”规则，吡咯是一个含有sp2杂化原子的共平面的共轭单环体系的富集着电子供电子基团。在质子酸的催化下，十分容易与如醛、酮类的亲电试剂反应，同时吡咯与亲电试剂发生反应的难易，极大程度地取决于酮结构中羰基的碳所带的正电荷。一般情况下，亲电试剂主要进攻的是吡咯环的位，由共振理论解释：位所生成的中间体产物比进攻位所生成的中间体产物稳定。故在吡咯的亲电取代反应中主要产物为位反应产物，但只有当吡咯环的N取代基体积较大或者位被占据时，从空间位阻考虑，这时候亲电试剂才会在位取代。通常杯吡咯的合成是在酸催化下吡咯与酮的缩合反应，酸催化使其缩聚，并且自发的无模板环化使4

51、个吡咯单元互相结合,在分子内反应形成大环，而不是无限次地与更多的酮和吡咯发生线性增链聚合反应。如图2.2为杯吡咯合成的反应机理。图2.2 杯吡咯的反应机理2.3.2合成条件的优化2.3.2.1 杯吡咯的特点在前面我们已经知道杯吡咯是吡咯环和sp3杂化碳原子通过吡咯环位连接而成的大环化合物。它作为第三代超级大分子具有以下特点:一、与杯芳烃相似，杯吡咯的空间结构柔顺，易变换，构象有锥形、部分锥形、1, 2 交替及1, 3 交替等多种构象形式(如图2.3)。若存在底物分子，能与杯吡咯产生识别作用时, 杯吡咯变换成锥形构象,每一个吡咯环上的4个氮原子在同一平面内。二、杯吡咯的空腔结构大小可调，这就能设

52、计出识别各种分子、离子大小的杯吡咯。目前主要是控制构成其吡咯单元的个数来获得不同大小的腔体空间，或是通过介位（meso-）引入体积较大的基团从而扩大了腔体。三、容易制备，而且能够通过衍生化反应进行化学修饰。通过吡咯或位衍生吡咯与含有其它基团的酮发生反应, 可以得到一些的带有特殊官能团的杯吡咯衍生物。四、高熔点且良好的热稳定性和化学稳定性,能部分溶解在有机溶剂。正是这几点杯吡咯化合物的具有特点，关于杯吡咯超分子化学研究已经使各个国家化学家密切关注其发展。特别是近几年来, 杯吡咯的合成与修饰及其分子识别作用研究取得重要进展，例如在阴离子键合、传感器、色谱分离新技术以及用作相关药物载体和抗病毒药物传

53、输等方面的研究结果都已显示其潜在的研究价值和应用前景，所以就合成而言，目前仍有很多值得对合成条件探讨的必要。图2.3 杯吡咯的空间构象（a）1, 3 交替构象（b）锥形构象(c)半锥形构象（d）1, 2 交替构象 2.3.2.2 催化剂酸对合成的影响 从图2.1中可以看出，催化剂酸的存在，对杯吡咯的合成起到重要的作用。在有机化学的理论上，强酸是增强酮转变成为烯醇的倾向，在合成杯吡咯的过程是有利的，但是反过来看，强酸还可以使吡咯形成质子化，降低了其亲核反应的能力，又对反应是不利的。基于这样的情况，通过以无机酸、有机酸、强碱等作为催化剂，以合成四种杯4吡咯为例，研究催化剂酸（碱）对反应影响。表2.

54、1 催化剂酸对产率的影响催化剂酸（碱）浓硫酸浓盐酸甲磺酸醋酸NaOH八甲基C4P产率% 84.26% 85.33%82.74% 81.52%无产率八乙基C4P产率%52.88%53.14%51.27%50.38%无产率四环戊基C4P产率%74.45%74.76%74.12%73.77%无产率四环己基C4P产率%60.34%61.85%61.56%58.29%无产率 表2.1中可以看出，催化剂酸对合成杯吡咯的反应影响，浓盐酸，浓硫酸两种无机酸与两种有机酸催化效果相当，而NaOH无催化作用，也就是说合成杯4吡咯应该在酸性条件下进行的，且可以看出在浓盐酸催化体系杯4吡咯的产率最高，故催化剂酸应选择浓

55、盐酸。2.3.2.3 反应溶剂对合成的影响 冰浴或室温，在酸催化的醇溶剂体系中，反应物吡咯与酮经过“一锅法”就能合成杯吡咯。由于杯吡咯与中性分子存在相互作用，可以形成络合物，在合成的过程中，需要考虑溶剂的两个因素。一、低级脂肪醇的作用对于合成杯吡咯的反应，从溶剂的极性来看，极性高可能对提高产率有利；从溶解度方面看，反应物以及在反应中的中间化合物和副产物在反应介质中溶解性能也直接影响反应的产率和纯度。相对于高级脂肪醇而言，杯吡咯与甲醇、乙醇等低级脂肪醇只能形成较少且较弱的络合物，其原因是杯吡咯在低级脂肪醇中溶解度较小，这对形成杯四环有一定的促进作用。本文选择甲醇、乙醇、正丁醇作为反应介质溶剂，以

56、合成meso-八甲基杯4吡咯考察对产物产率的影响。表2.2 反应溶剂对产率的影响溶剂介质甲醇乙醇正丁醇产率（%） 85.33% 85.09% 84.92%经实验证明，选择甲醇、乙醇等低级脂肪醇做溶剂对合成meso-八甲基杯4吡咯化合物的产率虽没有显著的影响。二、溶剂的用量在合成meso-八乙基杯4吡咯的过程中发现了一个现象，当加入吡咯的量超过一个浓度界限，反应原先出现非均相反应，但是此时反应会出现无固液相界面，整个体系成均相反应，体系中溶剂醇“消失”，这种现象可以认为是溶剂醇与产物发生了包结作用。对于这种包结作用产生的产物会在后期纯化等步骤难以处理，故要考虑溶剂的用量与吡咯的浓度关系。首先包结物是一类特殊类型的有机晶体。其结构中含有两种结构单位，即包结物是由两种化合物组成的：一种是能将其他化合物囚禁在它的结构骨架空穴里的化合物，称为包合剂或主体分子；另一种是被囚禁在包合剂结构的空穴或孔道中的化合物，称为被包合剂或客体分子。对于包合物分为三类：一种是结晶包合物，它是化合物被包在包合剂大分子