超分子课件第2部分

超分子化学第二部分冠状醚化合物及其应用本世纪四十年代以来,化学工作者在金属络合剂研究方面有过两次重大贡献。1947年Schwarzenback首次报道了以乙二胺四乙酸（EDTA）为代表的氨基多元酸及多胺络合剂对金属的络合特性，此后，引起不少学者参加这方面的研究，形成了一个研究热潮。氨基多元酸具有O，N两种配位原子，因此它几乎能与所有金属离子形成稳定的配合物。氨基配合体、多胺配位体及其它多配位络合物的研究热潮持续20余年，发表论文2000多篇，在配位化学理论及应用中都有重大意义，例如氨酸络合剂（配位酮）应用于络合滴定，已是容量分析的一个重要方面。金属配位体化学研究的另一个贡献，是冠醚的发现及冠醚化学研究领域的开创：1967年Pedersen及1969年lehn等相继报道冠醚及穴醚两类大环配体的制备及它们对碱金属及碱土金属阳离子的特殊络合能力，以及随着大环配位体中杂原子种类、原子数目及大环空穴尺寸的变化，对不同金属阳离子的络合具有明显的选择性，他们的研究工作引起了广大化学工作者的重视。此后20年中又形成了一个研究热潮，冠醚化学及其应用迅速开展，并渗透到化学的很多分支学科，例如有机合成、高分子合成、配位化学、分析化学、萃取化学、金属及同位素分离、光学异构体的识别及拆分，以及渗入到其它学科，例如生物物理、生物化学、药物化学、土壤化学等。按Hiraoka在1978年的统计，有关冠醚化学发表的研究论文已有千篇以上，Waber及Vogtle曾统计，仅1980年这一年中发表的冠醚化学的论文数目已达250篇之多，具有各种配位性能的新冠醚化合物也不断出现。Christensen等统计，1967-1974年即Pedersen首次报道冠醚以后的7年中，已研制出221中新冠醚化合物，1991年出版的超分子化学著作中报道冠醚化合物的种类已近5000种，其结构类型很多，化合物所包含的配位原子已包括O、N、S、P、As等。本章主要介绍冠醚化合物的性能及其应用，有关制备方面的内容可参考有关著作。第一节

冠醚化合发现、种类及命名一、冠醚化合物的发现

第一个冠醚的发现纯属偶然。1967年7月美国杜邦化学公司的Pedersen博士要从四氢吡喃保护邻苯二酚和二氯乙醚中制备双苯酚（1）当用了稍微不纯的化合物邻苯二酚（含有一些未经保护的酚），也同样得到非常少的六醚（2）（0.4%）。CharlesJ.PedersenBornin1904Father:Norwegian,Mother:JapaneseUniversityofDayton,Ohio,USAIn1927,…obtainedemploymentattheDuPont……In1960,…decidedtostudytheeffectsofbi-andmultidentatephenolicligandsonthecatalyticpropertiesofthevanadylgroup,VO2+.(e.g.VOSO4)In1969,…retiredfromDuPont.杜邦公司多齿酚配体催化10%unreactedcatechol“ButIdecidedtousethismixtureforthesecondstepanywaysincepurificationwouldberequiredattheend.”Initialattemptsatpurificationgaveasmallquantity(about0.4percentyield)ofwhitecrystals,silky,fibrousstructureUnexpectedwhitecrystals“Itprobablywasnotthetargetcompoundbecausethatwouldbeobtainedinahigheryield.……Becauseofmynaturalcuriosity,Ibeganstudyoftheunknown.”Theunknownproductwasverylittlesolubleinmethanol,However,itwasfreelysolubleinmethanolinthepresenceofsodiumhydroxide(NaOH).Itdidnotcontainafreephenolicgroup(byitsinfraredandNMRspectra).Furthermore,itissolubleinmethanolcontaininganysolublesodiumsalt.elementaryanalysis,C10H12O3Strange/wonderNaOH,C4H9OHaneutralcompound,formsstablecomplexeswithalkalimetalions.Uptothatpoint,noonehadeverfoundasyntheticcompoundthatformedstablecomplexeswithsodiumandpotassium.Anotheraspect:Inordinaryorganicreactionsonlyringsof5,6,or7membersformeasily.Herearingof18atoms它良好的结晶性，尤其是其不寻常的溶解行为引起了Pedersen的兴趣，己醚（2）微溶于甲醇，但若加入钠盐，则更易溶解。由这一点，以及在该化合物的存在下高锰酸钾能溶于苯或氯仿（呈紫红色）的事实，使他在当时做了一个大胆的推测：“现在对于我来说似乎很清楚，就是钠（钾）离子掉进了这个分子洞里”。更早一些，就是发现某些离子载体（如无清菌素、颉氨霉素）能将碱金属离子（Na+、K+）结合进分子内，然后通过膜将它们转移进生物体，由于其与激发神经膜相关，引起了人们很大兴趣，它们与化合物（2）相类似。二、冠醚化合物的命名

从Pedersen合成大环聚醚以来，相继合成了许多类似的大杂环化合物，在环上有9-60个原子，其中包括3-20个O（N、S等）原子。含有O杂原子的大环聚醚称为冠醚;冠醚中的部分O或全部O被-NH或-HR基取代的化合物称为氮冠;冠醚中的部分O或全部O被S取代的化合物称为硫冠;把含有二个三级氮相连而具有三维结构单环或多环化合物称为穴状物，简称穴醚，它可以是圆柱形也可以是球形的。

这些单环的和多环的大杂环化合物总称为冠状化合物。

常见的冠醚的种类:环尺寸二苯并…环己基杂冠醚S,N,P,As杂环芳香族，酯，酮开链配位体podand多臂的开链配位体穴状配位体cryptand1969，J.-M.Lehn,J.-P.Sauvage,andB.DietrichCatenane索烃M.Cesario,C.O.Dietrich-Buchecker,J.Guilhem,C.PascardandJ.P.Sauvage

JournaloftheChemicalSociety,ChemicalCommunications,1985,244-247.模板合成冠状化合物用日内瓦命名法（IUPAC），名称冗长而复杂，使用很不方便。如化合物（2）命名为2,3,11,12-二苯并-1,4,7,10,13,16-六氧杂环十八烷-2,11-二烯；化合物（5）命名为1,4,7,10,13-五氧杂环十五烷。余可类推。因此，Pedersen根据此类化合物分子结构的模型，如化合物（2）像一顶王冠，因而以“冠”代表聚醚的中心环，将它称为二苯并-18-冠-6（DB18C6），二苯并表示非乙基烃环的数量和种类，数字“18”表示中心的原子总数，数字“6”表示环上杂原子总数，用这种命名法（5）命名为15-冠-5（15C5）；（6）命名为苯并-15-冠-5（B15C5）；（7）命名为18-冠-6（18C6）；（8）为二（环己基）-18-冠-6（DC18C6）。上述简化命名法只适用于冠醚分子中所含碳氢环及配位氧原子的位置尽可能对称的场合。不符合这样情况时须另设命名法。例如（9）称为不对称二苯并-18-冠-6，

构成冠醚环的-[CH2]n-基中的n在大多数冠醚中等于2。（10）是个例外之一，其中有一个-CH2-基和一个-[CH2]3-基，对于这样的冠醚，也要另行设法命名，似可将（10）命名为不对称-二苯并-18-冠-6（1,5,8,11,13,16），当然其系统命名各为6,7,17,18-二苯并-1,5,8,11,13,16-六氧杂环十八烷-6,17二烯更为明确。从以上例子可见，对冠醚的这种简化命名法是有缺陷的；然而对大多数较常见的冠醚来说，仍不失为一种简明的命名法。另一方面，需要更明确地表明冠醚的结构时，一般以写出其结构式为宜，特别是（9）（10）那样的冠醚，更为如此。合成ThepreparationofthecrownetherHowtosynthesizeheteroatomcrownether?思考题heteroatomcrownetherTemplate-DirectedSynthesisofInterlockedMoleculesUnderThermodynamicControlFabioAric,TheresaChang,StuartJ.Cantrill,SaeedI.Khan,andJ.FraserStoddartChem.Eur.J.2005,11,4655–4666dynamiccovalentchemistry第二节

冠状化合物的物理化学性质一、物理性质

〈一〉熔点

无取代基的简单冠醚和芳香族的冠醚是无色结晶化合物，一般说随苯环数目的增加，熔点升高，芘和脂环族冠醚是无色粘滞或低熔点固体，熔点196℃～200℃，表中列举了一般冠醚和穴醚的熔点。冠醚、穴醚和球醚的熔点冠醚熔点穴醚和球醚熔点冠醚熔点穴醚和球醚熔点

〈二〉溶解性

冠状化合物是由乙撑氧单元组成的环状化合物，分子外侧是有机基团，内侧是亲水的架原子，构成了一个外壁疏水内腔亲水的结构，它能溶解在许多溶剂中，大多数烷基和脂环基的冠醚能溶解在所有的有机溶剂中，它们中的大多数甚至溶于石油醚中，在水中也有明显的溶解性。芳香环的冠醚，特别是含有两个以上苯基的冠醚，几乎不溶于水，在醇及许多溶剂中也很少见溶解（室温时），然而易溶于二氯甲烷、氯仿、苯、2,2,2-三氯乙醇、二甲苯酚等中。一般来说，烷基和脂环基的冠醚比相应的苯并冠醚溶解度要大的多。表3-1二苯并18-冠-6的溶解度（26±5℃）溶剂介电常数溶解度，g/L环己烷2.050.2421CCl42.241.80苯2.2864.8CHCl35.0575.6醋酸乙酸6.43.6四氢呋喃7.07.82正丁醇7.80.36吡啶12.543.2丙酮21.433.12乙醇253.204甲醇33.13.6蚁酸-381.6二甲基甲酰胺36.720.16硝基甲烷3916.92乙腈38.848.44二甲基亚砜4517.28水800.324表3-2DBC在芳香族和酸性溶剂中的溶解度（25℃）溶剂溶解度，mol/L甲基苯基酮0.072±0.005苯胺0.222±0.007苯甲醛0.073±0.008苯甲氰0.120±0.008苯甲醇0.075±0.010溴丁酸0.290±0.006氯苯胺0.163±0.003间甲酚0.314±0.004硝基苯0.194±0.003苯乙醇0.025±0.0032.2.2.三氯乙醇0.710±0.007二甲苯酚0.367±0.003二、化学特征

〈一〉配合作用（络合性能）1．冠醚对金属阳离子的配合作用温元凯根据实验结果归纳出冠醚和金属离子络合物的稳定常数与金属离子直径及冠醚孔穴直径的经验关系式：PK=-A[Di-DC]2

+B式中Di是金属离子直径，Dc是冠醚孔穴直径，A和B是与冠醚种类、溶剂及金属离子价有关的常数。关系式说明，当冠醚种类、溶剂、金属离子价一定时，冠醚对金属离子的络合作用主要取决于冠醚分子孔穴和金属阳离子的大小，如果阳离子直径与冠状化合物的空穴直径相差过大或过小都会影响络合物的稳定性。笔者研究2,2’-二硝基-4,5,4’,5’-双骈（15-冠-5）-二苯基二硫化物时发现，Li+和Na+形成2:1（金属：冠醚）型配合物，和K+由于半径较大，形成1:1夹心配合物。2:1型冠合物的结构式可能为：

除冠醚孔穴大小以外，冠醚本身的其它结构因素对络合作用的影响也十分有趣。例如测定表明苹果酸双苯并-15-冠-5（I）（Z-构型）比富马酸双苯并-15-冠-5（II）（E-构型）将K+由水相萃取到氯仿中的能力大13倍，而二者对Na+的萃取能力却无明显差别。因为（I）可以与K+形成1:1（冠醚/阳离子）的分子内夹心络合物，而（II）却不能，所以显示出二者萃取K+能力的差别，由于Na+与（I）和（II）都能形成1:2络合物，所以（I）与（II）对Na+的萃取能力无明显差别。对光敏感的冠醚，因N=N双键受光作用可由E构型转化为Z构型。光变异构体（Z）型由于可以和K+形成1:1的夹心络合物，所以能有效地络合K+而（E）型则不能，这一有趣的性质有可能应用于光控选择性离子传递或光能的化学储存与转化。饱和漆酚冠醚30-冠-10的PVC膜电位测定表明，在苯环上引入长链烷基改善了母体二苯并30-冠-10PVC膜测定钾离子的电位选择性，其抗钠离子干扰能力比4,4’-二叔丁基或4,4’-二甲基二苯并30-冠-10提高3倍，抗铵离子干扰能力提高8~12倍。苯环上的长链烷基除了增加脂溶性外，由于处于氧原子的邻位，可能使该氧原子的电负性增加，从而使（IV）与K+的络合物更为稳定。此外，长链烷基的屏蔽作用，有可能增强（IV）的PVC膜钾电极抗铵离子的干扰能力。

2．冠醚对阴离子的络合作用冠醚主体分子需要有较大的内部孔穴和较强的静电荷，才能有效地络合阴离子。大环胍盐具备了上述条件，能稳定地络合磷酸根离子。四质子化的球形主体适合于络合球形阴离子，F－、Cl－、Br－阴离子均能进入球形孔穴中但优先络合Cl－，I－太大不能进入孔穴。六质子化的大环主体和XY2线型三原子阴离子，如叠氮阴离子形成的络合物中叠氮阴离子N3－两端的N原子和主体分子上的六个氢形成氢键。该大环主体也可以先络合两个金属阳离子，叠氮阴离子再被络合到两个金属离子间隙中，形成串联络合物。

在绝大多数情况下，生物体系靠荷电主体和荷电低物进行有效的络合和识别。其中，最重要的荷电低物是羧酸根和磷酸根阴离子，对这类阴离子主体的设计、合成和深入研究，将使我们进一步认识天然分子的络合方式。3．冠醚对中性分子的络合作用Pedersen首次制得冠醚与硫脲、1-酰替苯氨基脲、1-苯氨基硫脲等中性分子络合物。随后，冠醚与乙腈、硝基甲烷、顺丁烯二酐、丙二腈、氯苯、肼、水等中性分子的结晶络合物也被分离出来。二苯并吡啶18-冠-6可以与乙腈、硝基甲烷、2,4-二硝基苯肼等中性分子形成1:1或1:2的结晶络合物。它与苯肼的络合物易溶于非极性溶剂如苯中，并可被羰基化合物缓慢地转化为腙。

18-冠-6和乙炔二羰酸二甲酯、丙二腈、苯磺酰胺络合物的X-射线结构分析结果表明，晶体呈层状结构，各层中主体分子通过氢键和偶极-偶极相互作用与客体分子络合。特别吸引人的是对CO2中性分子的络合物作用，CO2的结构形状和大小类似于线型N3－阴离子。六质子化的大环主体和N3－阴离子的络合物，将启发人们研究适合于络合CO2中性分子的主体。〈二〉增溶性

冠状化合物是由-[-CH2-CH2-Y-]-基单元组成，分子外侧有庞大的有机基团，杂原子向里，形成了一个外壁疏水、内腔亲水的结构，内腔能与各种阳离子相结合，疏水外壁使盐在非极性溶剂中的溶解度增加。例如在某些溶剂中本来不溶的盐，在加入冠状化合物后变得明显的增溶，如下表所示：冠状化合物的这种增溶性质是作为相转移催化剂、萃取剂、增溶剂和导电液应用的基础。溶剂18－冠－6（mol/L）溶解度（mol/L）KOAcKF乙腈

0.0005

0.140.1

苯

~0

0.550.4

苯

~00.34

0.014添加18－冠－6对盐溶解度的影响

人们发现当少量CH3OH加入含有冠状的有机溶剂中时，大大增加了盐类的溶解度，甲醇可能成为络合物的一部分，对阳离子或阴离子的溶剂化有帮助。在含有50mmol/LDCC的溶剂中加入甲醇对碱金属卤化物的增溶效应。由于冠状络合物在某些有机溶剂中有很大的溶解度，盐类常常可以从水相萃取到有机相。例如，苦味酸的萃取已被广泛地研究。

冠状化合物与阳离子的络合是增溶的先决条件，阳离子被疏水的外壳包裹，盐的阴离子伴随其外，因而使盐在有机溶剂中增溶，盐以离子对形式进入有机溶剂。因此阴离子也是一个使盐增溶的重要因素。如表中的溶解度是随阴离子的增大而增加，且阴离子的性质对盐在有机溶剂中的溶解度有很大的影响。阴离子必需是一个大阴离子也就是说阴离子体积越大，电荷密度愈小，极化率愈大，盐在有机溶剂中的增溶就越大，如F－、SO42－几乎没有明显的增溶作用，而I－、CNS－、苦味酸根离子等大阴离子有明显的增溶效果。〈三〉阴离子活化或裸露阴离子冠状化合物与盐、碱等金属阳离子络合后，对应的阴离子被活化，大大增加了阴离子的反应活性，在没有冠状化合物时，这些阴离子和阳离子形成稳定的离子键，或者由于离子的溶剂化使负电荷受到约束，不能充分发挥阴离子的作用，例如，KMnO4中的K+离子被冠状化合物络合后，不但可以使几乎不溶于苯的KMnO4溶于苯，而且裸露的MnO4－的氧化性大为提高，这种由于冠状化合物的作用而被活化了的阴离子叫裸露阴离子。由于阳离子被络合而活化了的阴离子例如RCOO－、RO－、RS－、ArO－负离子、烯醇阴离子、卤阴离子、CN－，NH2－，OH－，MnO4－，CO32－，BH－，H－等。活化程度最显著的是体积小、极化率小的阴离子，这些活化阴离子在亲核置换反应中，表现最为典型。用冠醚或穴醚活化阴离子，一般来说没有多大的区别。基于冠状化合物的增溶和对阴离子活化的性能，在有机合成化学中的应用取得较好的成果，冠状化合物提供了将盐类化合物转移到有机相，使许多不能进行的反应成为可能，并提供了高反应的、非溶剂化的阴离子，使亲核反应能力加强，可加速许多有机反应的进行，提高反应产率。将在后面详细介绍。〈四〉冠状化合物的传递性能

像缬氨酶素、无活菌素等大环分子中含有醚氧和氨键的许多抗生素，行使有趣的生物作用。这些物质能传递Na+和K+，它关系到生命现象的基本过程。大环抗生素和金属阳离子形成的络合物有使阳离子通过膜的特性，所以大环抗生素可以作为一种传递剂，有选择性地传递某些特定离子。

冠状化合物很类似于天然抗生素，特别有趣的是对碱金属、碱土金属离子选择性地生成稳定的络合物，并能使阳离子通过膜，所以用冠状化合物制成的膜有类似生物膜的特性，不但可以有选择性地让某种特定离子透过，而且可逆其浓度而传递，可望人工合成活性生物膜，这种合成膜对模拟和研究生物膜有很重要的意义，在这方面的研究属于仿生化学范畴。〈五〉金属负离子碱金属容易失去一个电子变成阳离子，这是我们所熟悉，但它也可能接收一个电子成为负离子。在有机溶剂中，当一部分碱金属原子失去电子形成带正电荷的正离子，而另一部分碱金属原子获得电子，形成带负电荷的负离子。负离子非常活泼，极易与正离子反应，重新生成电中性的金属原子，所以很难得到稳定的金属负离子。利用冠状化合物与碱金属阳离子形成稳定的络合物这一特性，使金属负离子和金属正离子不能发生电中和反应，而获得碱金属负离子。当碱金属元素和冠醚化合物等当量时，全部金属原子成为阳离子进入冠状化合物空穴中，而电子以溶剂化电子形式存在。当碱金属元素多于冠状化合物时，一部分碱金属原子失去电子，而另一部分获得电子生成碱金属负离子。例如Na能形成很稳定的负离子[Na+(2,2,2)]Na—，K、Rb、Cs也是如此，但Li却难以形成。[Na+(2,2,2)]Na—在溶液冷却到-78℃时会生成金色晶体沉淀，晶体中的负离子非常活泼，不能暴露在空气中，在低温不可以较长时间。第三节冠状化合物的应用

一、冠醚化合物在有机合成上的应用〈一〉

原理上面介绍冠状化合物的物理化学性质时述及，冠状化合物使得无机盐溶于有机介质，并因此活化了阴离子（同时屏蔽了阳离子），随之发生的溶解作用可以很容易地在一个试管实验中观察到，比如当含有有色的阴离子，像高锰酸根或苦味酸根的情形，当摇动一个苯中含有固体高锰酸钾的悬浮液时，加一点冠醚（18C6），形成深紫色的有机物高锰酸钾溶液（紫苯），这证明，冠醚帮助了这个溶解过程，这叫固—液相转移。18C6，苯/水，KMnO4化学合成中冠醚的作用

另一个简单的例子证明了冠醚化合物也能使盐在两种液相间变得容易迁移：溶于冠醚水相中的黄色苦味酸钾，被迁移到相邻的氯仿中。这种情景，我们称之为液—液相转移。制备中明显的作用是：反应的各组分，由于其不同的极性不能溶于同一种溶剂中，现在就能在一个均相中进行反应。这对于像盐或仅微溶的试剂开辟了新的作用。大量的不能进行的反应或仅有低产率的反应，现在可以在冠醚化合物的催化作用下成功的进行。〈二〉

冠醚在合成上的应用

原则上，任何含有离子或任何形式的离子中间体的化学反应，都能由于使用冠醚而被缓和或促进。1．取代反应亲核取代反应是有机反应中最常见的类型之一：RX+Y=RY+X—由于相转移催化剂作用，进入有机相的阴离子Y－经脱溶剂化而活化，它的亲核性增加，促进亲核取代反应的进行。亲核取代反应中，发生各类阴离子X－和Y－之间的交换：X=Cl、Br、I、NO2；Y－=F－、Cl－、Br－、I－、CN－、RO－、ArO－、NO2－、RCOO－、SCN－、NCO－、C6H5S－，并可随R基团而变化，PTC已成为各类化合物有机合成的重要方法。<1>卤素交换反应及卤化物制备卤素交换反应在碘及氟有机化合物的制备中很重要，亦在氯、溴及碘同位素标识化合物制备中应用。很多卤素交换反应采用固液相转移催化，因此可以节省均相反应所需的价格昂贵的溶剂，缩短反应时间。例如溴代正辛烷与KF的反应在没有PTC存在时，取代产物氟代正辛烷的产率小于4%，而当有冠醚存在时，产率可增加95%以上。<2>相转移催化氯化反应及氰化反应取代反应RX+CN－۟→RCN是最早采用PTC法的有机反应，随着被作用的有机物性质不同，可采用液-液、固-液及三相相转移催化方式：从以上可以看出，Br/CN交换较Cl/CN交换速率慢些，但前者反应产率高些。

氰基甲酸烷基酯可用固-液相转移催化制备，反应在室温中进行：产率：76%R=CH3；90%R=n-Bu；74%R=I-Bu；90%R=C6H11；65%R=C6H5CH2；82%R=C6H5<3>相转移催化酯化反应羧酸阴离子一般认为不是很好的亲核剂，但在非极性介质中它们却具有相当的亲核性。应用冠醚络合羧酸盐之后，形成“裸露”羧酸阴离子，即羧酸阴离子被活化，能与卤化物进行取代反应，形成相应的羧酸酯。<4>醚的相转移催化剂合成

2．烷基化反应冠醚催化应用在C-烷基化、O-烷基化及N-烷基化反应的研究已有不少。C-烷基化要求被作用化合物具有一个活化的C-H键，氰化合物α-碳上的C-H键是被活化的，这样易发生下列反应：

羰基化合物α-H上的烷基化反应，产率可达93%。苯酚类化合O-烷基化亦可用聚乙二醇催化剂。

N-烷基化反应亦可用PEG作为催化剂，例如在制备N-烷基化咪唑化合物时，N-烷基化得率一般可达70%-80%。3．氧化反应

反应物产物产率100%100%100%70%78~100%KMnO4(S)/DCH-18-C-6催化氧化反应

紫苯用于氧化4．还原反应5．消除反应<1>α-消除反应冠醚化合物亦可作为卡宾形成的催化剂，卤仿CHCl3在NaOH/PTC液液相转移催化体系中生成二卤卡宾，反应体系有烯存在时发生环加成反应。<2>β-消除反应消除反应与亲核取