超分子化学杯芳烃课件

1、超分子化学杯芳烃,第七章 杯芳烃为受体的分子识别及超分子组装,杯芳烃简介 杯芳烃的合成方法及结构（构象）特征 杯芳烃及其衍生物的分子识别 杯芳烃及其衍生物为受体的超分子组装,1,超分子化学杯芳烃,7.1 杯芳烃类主体物质,杯芳烃是苯酚及其衍生物与甲醛反应得到一类环状缩合物。 杯芳烃是继冠醚、环糊精以后超分子化学研究的第三代主体化合物。,结构式,构象式,2,超分子化学杯芳烃,杯芳烃合成可追朔到1872年德国化学家Baeyer对苯酚与甲醛水溶液的研究，在该反应中他得到一种树脂状难纯化的化合物，受当时条件限制其结构未被弄清。 30年后，比利时化学家 Backeland 重新对此反应进行了较详细的研究

2、，制备了酚醛树脂, 并将其产品商业化而获得专利, 命名为Backlite,由于酚醛树脂不溶不熔，对其结构及固化过程研究极为困难。 20世纪40年代，奥地利科学家 Zinke 则设想将对位取代后的苯酚与甲醛缩合，可能得到未交联的线型树脂。由此他首先研究了对叔丁基苯酚与甲醛的反应，但此过程中得到一种高熔点的晶状化合物，鉴定结构为环状的四聚体。,杯芳烃的发现及其发展历史,3,超分子化学杯芳烃,20世纪70年代后，随着对冠醚和环糊精等的深入研究，尤其是它们作为模拟酶的可能性，这类大环化合物引起美国化学家Gutsche的极大兴趣，其在合成和结构性能等方面的系统工作，推动了人们对杯芳烃的研究热潮。由于其C

3、PK（Corey-Pauling-Koltun）分子模型类似于Calix Crater的希腊式酒杯，由此Gutsche将其命名为杯芳烃（“Calixarene”）。,4,超分子化学杯芳烃,化合物1的CPK (Corey-Pauling-Koltun)模型与希腊式酒杯,杯芳烃：苯酚衍生物与甲醛反应得到的一类环状缩合物。 分子形状与希腊圣杯（Calix crater）相似 由多个苯环构成的芳香族分子(Arene) 杯芳烃,5,超分子化学杯芳烃,7.1.1 杯芳烃结构,对叔丁基苯酚与甲醛反应得到一类环状缩合物,结构式,构象式,通常在酚羟基的对位有不同类型的取代基,6,超分子化学杯芳烃,5，11，17

4、，23-四叔丁基-25，26，27，28-四羟基杯4芳烃 简称对叔丁基杯4芳烃,杯4芳烃,杯6芳烃,杯8芳烃,杯n芳烃的结构及其位置编号及命名,7,超分子化学杯芳烃,取代基不同的杯芳烃,5，17-二甲基-11，23-二叔丁基-25，26，27，28-四羟基杯4芳烃 ( 杯-4芳烃),8,超分子化学杯芳烃,7.1.2 杯芳烃合成,一步合成法,对叔丁基杯4、6、8芳烃(1-3)的合成条件,9,超分子化学杯芳烃,Casnati 等报道“一锅煮”法制备下列杯芳烃,10,超分子化学杯芳烃,多步合成法,一步合成法制备的杯芳烃的苯酚单元上仅能拥有相同的取代基，要合成具有不同取代基的杯芳烃，则需要采取多步合成

5、的方法完成。 多步方法最早有Hayes和Hunter所阐述，由对甲基苯酚为起始物，经过溴化和反复的羟甲基化和脱溴，得到线形四聚体，最后在高度稀释下完成关环制备了对甲基杯4芳烃，反应达10步之多。,11,超分子化学杯芳烃,邻位保护,邻位去保护（Pd/C-H2),12,超分子化学杯芳烃,三步总收率20%,Bhmer等合成多取代杯芳烃,拥有内外两种羟基的杯4芳烃,13,超分子化学杯芳烃,片段缩合法,Bhmer 改进了多步合成法，将杯芳烃的结构碎片以“31”或“22” 等方式通过共价键结合成环，这种方法被称之为“片段缩合法”。,“31”,“22” （要求：R1R2， R3R4）,采用何种方式取决于杯芳

6、烃结构,14,超分子化学杯芳烃,片段缩合法适用于制备取代基不同的杯芳烃,亚甲基桥上有取代基,2 + 2 组合方式,3 + 1 组合方式,23-35%,15,超分子化学杯芳烃,Bhmer采用（21 + 2 1） 缩合反应制备下面芳烃， 产率10%,Pappalardo采用（21 + 2 1） 缩合制备下面芳烃， 产率60%,SnCl4,16,超分子化学杯芳烃,Bhmer等的工作， 35%收率,Asao等的工作（2 + 2缩合,17,超分子化学杯芳烃,利用“片段缩合法”将取代苯酚用对位连接的二苯酚替换可制备另一类杯4芳烃和桥联二杯4芳烃,18,超分子化学杯芳烃,利用“片段缩合法”，外式杯4芳烃替代

7、普通二聚苯酚，可得另一类桥联二聚或三聚杯4 芳烃（如下面结构34 和35，产率分别为24%，10%）,19,超分子化学杯芳烃,杂原子桥联杯芳烃合成,Kumagai等一步合成硫桥杯4芳烃，产率56%,含氧桥的杯4芳烃制备,分子内脱水成醚,20,超分子化学杯芳烃,芳烃亲核取代反应,芳烃亲电取代反应,21,超分子化学杯芳烃,杂环芳烃杯芳烃合成,22,超分子化学杯芳烃,杯n呋喃m吡咯芳烃,23,超分子化学杯芳烃,其他杯芳烃合成,杯2尿嘧啶2芳烃,24,超分子化学杯芳烃,羟基上的修饰,杯芳烃的衍生化,R1= 2,4-二硝基苯， R2 = R3 = H； 或R1= R3 = 2,4-二硝基苯， R2 =H

8、； 或R1 = R3 = H，R2 = 2,4-二硝基苯。,25,超分子化学杯芳烃,水溶性杯芳烃合成,Ungaro 等将对叔丁基杯4芳烃与-溴乙酸叔丁酯在THF中反应，以NaH为碱得到四取代产物，产率70%； 以叔丁醇钾为碱，得到二取代产物,26,超分子化学杯芳烃,几种不同主体的组合合成,o,o,o,o,o,o,双穴杯芳烃,Gutsche等人的工作,27,超分子化学杯芳烃,端炔 二聚,帽式杯芳烃,28,超分子化学杯芳烃,29,超分子化学杯芳烃,杯芳烃取代基的变换,30,超分子化学杯芳烃,Claisen重排,硝基还原,酰化反应,31,超分子化学杯芳烃,32,超分子化学杯芳烃,桥联二聚杯芳烃,33

9、,超分子化学杯芳烃,杯芳烃构象,对叔丁基杯4芳烃 4 种可能构象,34,超分子化学杯芳烃,杯6芳烃 8 种可能构象,35,超分子化学杯芳烃,杯6芳烃 8 种可能构象,36,超分子化学杯芳烃,7.2 杯芳烃的分子识别,对中性分子识别 对金属离子识别 对阴离子的识别 模拟酶,37,超分子化学杯芳烃,杯芳烃可看作是一类特殊环番 (Metacyclophane)。,杯芳烃可通过结构修饰，借助于氢键、静电作用、范德华力、疏水作用、阳离子-堆积，-堆积及其诱导契合等实现主客体分子识别与组装。,38,超分子化学杯芳烃,杯芳烃具有结构灵活多变（尤其构象变化丰富）易于修饰的特点。在上下缘引入不同功能基团的主体，

10、可通过氢键、静电作用、范德华力、疏水作用、阳离子作用、堆积及诱导锲合等非共价键协同作用来识别客体分子，实现配位、催化和能量转化等特殊功能。 通过对杯芳烃的修饰能形成带有亲脂性、亲水性和离子载体的受体，与不同大小、不同性质的客体分子如有机分子、阳离子、阴离子等匹配，形成相应配合物。 杯芳烃识别作用取决于杯环大小、构象及环上取代基性质。,7.2.1 杯芳烃分子识别的特点,39,超分子化学杯芳烃,7.2.2 杯芳烃对中性分子的识别,杯芳烃可以识别多种有机小分子，形成固态配合物 例如: 对叔丁基杯4芳烃能识别包结氯仿、苯、甲苯、二甲苯、茴香醚； 对叔丁基杯5芳烃 可以与异丙醇和丙酮等形成包结配合物；

11、对叔丁基杯6芳烃 能识别包结氯仿、甲醇、苯、甲苯； 对叔丁基杯7芳烃 能与甲醇包结； 对叔丁基杯8芳烃 则能与氯仿形成包结配合物。 不同包结配合物稳定性差异很大。 对叔丁基杯4芳烃和对叔丁基杯6芳烃可紧密结合客体分子，晶体中的溶剂分子在高温和真空条件仍能稳定结合； 对叔丁基杯8芳烃与氯仿的配合物在常温就快速分解。,40,超分子化学杯芳烃,杯芳烃与客体分子形成的固态配合物: 内式（endo)和外式(exo)两种,例如: 对叔丁基杯4芳烃与苯、对叔丁基杯4芳烃甲酰乙酯与乙腈等形成内式配合物（endo) 。有机分子处于杯芳烃空腔的中心。 对（1,1,3,3四甲基丁基）杯4与甲苯形成外式配合物 (ex

12、o) 。甲苯处于杯芳烃分子之间而不是其中，因为杯芳烃对位取代基具有较高柔性而部分自包结进入空腔，阻止杯芳烃进一步容纳客体分子。 杯芳烃可与客体分子形成各种化学计量比的固态包结配合物。如杯4芳烃与丙酮形成计量比1：1和1：3 的配合物。 对叔丁基杯4芳烃与吡啶形成形成计量比1：1配合物，与对二甲苯和茴香醚形成 2：1 的配合物，等等。,41,超分子化学杯芳烃,对叔丁基杯4芳烃与对二甲苯形成2:1配合物,42,超分子化学杯芳烃,核磁共振技术 应用于检测杯芳烃包结配合物的形成,Bauer和Gutsche曾研究了杯芳烃在溶液状态的分子键合能力。他们使用“芳环溶剂诱导位移 (Aromatic Solve

13、nt-Induced Shift)” 技术测定了不同杯芳烃与甲苯在氯仿中的结合能力。 研究发现：杯芳烃与甲苯形成1:1配合物,但结合常数仅1.1 dm3.mol-1。此外，还发现对叔丁基杯4芳烃的核磁位移值显著大于叔丁基杯6芳烃和叔丁基杯8芳烃, 表明两者与甲苯具有不同的结合方式。 对叔丁基杯4芳烃的质子信号移向高场, 对叔丁基杯8芳烃的质子信号移向低场, 说明甲苯与对叔丁基杯4芳烃结合更紧密。这与晶体测定结果一致。,43,超分子化学杯芳烃,Gutsche 等曾研究了取代杯芳烃与烷基胺在乙腈中的包结配位作用。他们认为识别过程分两步： （1）杯芳烃酚羟基脱去质子并将其转移到氨基氮原子上 （2）质

14、子化脂肪胺与芳香烃负离子形成离子对 通过紫外光谱和1HNMR等其研究发现，主客体间形成计量比1：1配合物。在经历离子对的过程后，例如对丙烯基杯4芳烃叔丁基胺体系而言，在乙腈溶液最终形成内式(endo) 配合物。 1H NMR 确定质子转移形成离子对的平衡常数约为5104，而由紫外光谱确定形成内式配合物的平衡常数为5065。 Gormar 等研究了杯4和杯8芳烃与环胺在乙腈中的作用。发现 环胺氮原子均参与配位作用，而二齿胺类与杯芳烃形成1:2计量比的配合物。,44,超分子化学杯芳烃,Pochini等合成了下缘为冠醚桥连,上缘拥有一个侧臂的杯4芳烃衍生物，其具有刚性杯芳空穴和侧臂双重键合区域。 通

15、过1H NMR研究这类分子对酰胺分子在CDCl3的识别能力，结果表明侧臂为N-苯基脲取代时（X = O)，其对甲酰胺（HCONH2）的键合常数高达756 dm3 / mol。 控制实验表明，杯4骨架保持柔性而未被固定时，检测不到其对酰胺客体的键合。由此可知，杯芳烃非极性的刚性结构是决定分子识别过程效率的关键因素之一。,X = O, S,45,超分子化学杯芳烃,Pinkhassik等将金刚烷和苯环引入杯4芳烃上缘，合成了如下的杯芳烃，通过考察它们与水、二甲亚砜、吡嗪、哒嗪和乙腈等在四氯化碳中的配位作用，发现化合物 B（R = n-C3H7) 与水分子形成计量比 1：1 配合物，稳定常数为270

16、dm3 / mol。而另一类似物A（R = H) 与水分子结合常数很弱（ Ks 10 dm3 / mol).,A: R= H B: R = n-C3H7,可能原因后者两个对酚羟基未被取代，其间相互作用形成分子内氢键, 使上缘两氨基分开，难与水分子形成有效氢键； 而前者下缘羟基全部被取代，其保持锥式构象，水分子能同时与两个氨基形成氢键, 提高了结合力。,46,超分子化学杯芳烃,Pinkhassik等又将金刚烷基替换为苯环 (C) ，其与水分子结合常数为138 dm3 / mol. 若将酰氨基变换为金刚烷基 (D) ，其与水分子配位常数与A相似。 由此推测其与水分子结合的三个必要要素为： 上缘两个

17、氨基； 下缘取代固定构象； 上缘有大的取代基将水分子从溶液中屏蔽出来。尤其是氨基在水分子识别中起正面作用。,C,D,此外, 还发现化合物 C还能与乙腈和哒嗪等结合,表明主客体间存在- 相互作用.,47,超分子化学杯芳烃,Pochini等利用1HNMR研究了上缘为吡啶桥联杯4芳烃衍生物与含有酸性C-H键的中性分子如乙腈，硝基甲烷和丙二腈在有机溶剂(CCl4, CHCl3)中的配位作用，配合物计量比 1：1. 研究发现，客体中甲基和亚甲基质子与杯芳烃配位后向高场移动，说明客体的酸性质子与主体空腔的电子存在相互作用。 在非极性CCl4中主客体间给出更强的相互作用。主客体间配合物稳定性随客体酸性增加而

18、增加，丙二腈 硝基甲烷 乙腈。 客体与吡啶桥间的氢键以及客体与芳香烃芳环间的CH-相互作用是主客体配合物形成的主要驱动力。,48,超分子化学杯芳烃,Kubo等合成了上缘有氨基苯醌取代基而下缘有联萘基团的杯4冠醚，通过紫外测定其在乙醇中对丁胺异构体的分子识别能力，表明主客体间配合物位1：1，识别顺序：t-Bu-NH2 s-Bu-NH2 i-Bu-NH2 n-Bu-NH2,Nijenhuis等合成了杯4冠醚铀配合物及拥有不同醚链长度的类似物，发现它们可包结水、甲醇、二甲亚砜和尿素等中性分子。 这些客体分子的氧与铀形成配位键，客体分子处于两条醚链和杯芳烃4个酚羟基围成的空腔中。,49,超分子化学杯芳

19、烃,Shinkai等用荧光光谱研究了下缘磺酸基修饰的杯芳烃与芘在水溶液中的配位作用。 发现叔丁基杯6衍生物给出较稳定的化学计量比1：1的配合物，可能杯6芳烃的空腔以及叔丁基扩展的空腔与芘的尺寸最为匹配。,a n = 4 b n = 6 c n = 8,50,超分子化学杯芳烃,7.2.3 对有机阳离子的识别,杯芳烃与脂肪胺的配合物形成中，存在主客体间的质子转移，后经过离子对的过渡态形成稳定配合物。 其实质是杯芳烃负离子（酚氧负离子）对有机阳离子的识别过程。,51,超分子化学杯芳烃,Beer等研究了杯4芳烃醌主体与烷基胺和铵离子在乙腈中的配位作用. 紫外光谱滴定结果表明, 25C时，其与铵离子 (

20、NH4+) 形成稳定常数lgKs为3.1的配合物，而在客体中引入丁基后，稳定常数到lgKs增加到4.0，由此推测客体烷基与杯芳烃空腔存在某种程度的疏水相互作用，两者形成内式配合物。,52,超分子化学杯芳烃,Pappalardo和Parisi等合成了1，3对叔丁基杯5冠醚化合物，核磁共振测定该化合物与烷基胺离子RNH3+在CDCl3-CD3OD中的配位作用，表明下缘取代基的空间阻碍作用以及客体阳离子的形状对客体配合物稳定性有重要影响。 如R=H (取代基较小)时，其可以与n-Pr-NH3+, n-Bu-NH3+, i-Bu-NH3+通过-NH3+与冠醚间的氢键作用无选择性地形成配合物，而与i-P

21、r-NH3+、s-Bu-NH3+ 和 t-Bu-NH3+ 无配位作用。,而酚羟基被取代后，如R=CH3 等，则仅与直链烷基胺离子形成内式配合物。由烷基链上质子受芳环屏蔽产生的位移值,可估算配合物稳定常数, 其中与n-Bu-NH3+形成1:1配合物稳定常数分别为86 dm3.mol-1 和 83 dm3.mol-1.,53,超分子化学杯芳烃,Shinkai等在考察对磺酸基杯6芳烃与酚蓝配位作用时,发现酚蓝自身的最大吸收峰 (660 nm) 在磺酸基杯6 芳烃的存在下红移到685 nm, 这完全不同于通常的酚蓝在非极性溶剂中吸收峰蓝移的现象，他们认为通过形成内式配合物,杯芳烃稳定了酚蓝电荷分离的激

22、发态，静电相互作用在此起重要作用。(稳定常数为5.6102 dm3.mol-1),若酚羟基氢被甲基取代, 则稍微红移至662 nm; 若酚羟基氢被十二烷基取代, 高浓度时蓝移至603 nm, 归因于酚蓝结合到杯芳烃疏水部位, 而低浓度蓝移至592 nm, 则归因于酚蓝质子参与配位(质子型)。(稳定常数达到2.0105 dm3.mol-1),54,超分子化学杯芳烃,Arena 等采用1H NMR和量热法研究了下面两种水溶性杯芳烃(A和B）与三甲基苯基铵(TMA), 苄基三甲铵(BTMA)和对硝基苯基三甲铵 (BTMAN) 阳离子在中性条件下的配位作用。与构型易变的对磺酸基杯4芳烃不同, 这两种杯

23、芳烃固定为锥式构象，其中前者选择性键合TMA的Me3N+基团, 后者仅识别TMA的芳环. 改变客体分子结构, 带电荷的极性基团与芳环环间引入亚甲基(BTMA)或在芳环引入吸电子基团(BTMAN), 前者仍选择性键合Me3N+基团, 后者也选择性识别BTMAN的Me3N+基团。其中后者给出更高的稳定性.,A,B,55,超分子化学杯芳烃,7.2.4 对金属阳离子的识别,芳香烃本身具有的紧密相邻的多个羟基和一个体系空洞，使其几乎能与所有金属离子形成配合物。 由此杯芳烃被广泛用于对主族金属、过渡金属及镧系和锕系金属的识别研究,56,超分子化学杯芳烃,Izatt等最早报道对叔丁基杯n芳烃（n = 4,

24、6, 8) 对 Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+和 Ba2+ 等金属离子的包结行为。 研究发现在中性溶液中对叔丁基n芳烃不具有离子载体行为，而在强碱溶液则对碱金属离子具有显著的迁移效应。 这些杯芳烃对碱金属离子具有较好识别作用，但对碱土金属离子则没有表现好的有效迁移。 对叔丁基杯4芳烃单阴离子的环形结构直径约为0.1nm ；杯6 0.24 nm；杯8 0.48 nm. 因此杯芳烃也存在尺寸效应; 其中对Cs+离子表现出特殊迁移效率, Bohmer 等归结为Cs+离子与杯芳烃形成内式配合物。,对主族金属离子识别,57,超分子化学杯芳烃,杯芳烃对碱性溶液中阳离子的迁移 （mol.S-1

25、/m2108）,叔丁基杯4芳烃单阴离子的环形结构直径约为0.1nm ；杯6 0.24 nm；杯8 0.48 nm.,58,超分子化学杯芳烃,Proposed structure for the 35Cs+ complex,C3v-C3v interconversion,59,超分子化学杯芳烃,McKervey等首先研究了杯芳烃104a（杯4芳烃） 对碱金属离子的萃取作用，它对Li+, Na+, K+, Rb+和Cs+的萃取率分别为31.4%, 99.2%, 84.1%, 53.7% 和 83.8%. 含有羰基的杯4芳烃下缘衍生物对碱金属离子的萃取率高于被乙酸乙酯基团取代的杯4芳烃。 因此它们有

26、可能在碱金属离子的配位萃取中有重要应用。,60,超分子化学杯芳烃,McKervey等随后合成了一系列不同尺寸和不同取代基的杯芳烃，并研究了它们在二氯甲烷中对碱金属离子的萃取结果，研究发现杯芳烃 104a 对碱金属钠（Na+)离子的萃取作用最理想。有人归因于其预组织锥式构象,杯4 杯5 杯6,杯芳烃尺寸对碱金属苦味酸盐萃取率影响,61,超分子化学杯芳烃,对于杯5芳烃系列对碱金属离子萃取能力，从下图看出，杯芳烃上缘及下缘邻近羰基的基团为叔丁基（104 d)，对所有金属离子给出最高的萃取率，当下缘叔丁基脱去后，某种程度上降低了对碱金属离子的萃取能力。当与羰基相连的基团为甲基时，萃取能力大幅降低。因此

27、, 上下缘取代基均对碱金属离子的萃取有影响。,杯芳烃上缘和下缘取代基变化对碱金属苦味酸盐萃取率影响,62,超分子化学杯芳烃,Chang等合成了下面杯芳烃衍生物，研究了其对碱金属离子的迁移效率，发现它们的迁移速率相对于对叔丁基杯4芳烃母体，大为提高。 其中a, b对Ca2+和Ba2+的萃取率也分别达到5.3-6.4 % 和9.217.9. 由此表明下缘的酯基存在对碱金属和碱土金属离子的萃取存在增效作用。,a, n = 6 b, n = 8,63,超分子化学杯芳烃,Chang 等又合成了下缘引入酰胺基的杯芳烃衍生物，研究了其对碱金属离子的迁移效率. 发现与酯基衍生物比较，对碱金属离子萃取率下降（

28、5）, 但对碱土金属离子的萃取能力明显增强，其中 b对 Sr2+ 离子的萃取率高达 56.6%.,a n = 4 b n = 6 c n = 8,64,超分子化学杯芳烃,此外，Chang 等设计合成了以下两个杯芳烃衍生物， 前者下缘拥有可与碱金属离子配位的N,N-二乙基酰胺基，其对Ca2+表现高选择性，其对碱土金属离子的结合能力顺序为： Ca2+ Sr2+ Ba2+ Mg2+ ，与CaCl2 水溶液作用后，通过对上缘生色基团的紫外吸收光谱研究，发现最大吸收峰（437nm）红移至603nm。在488 nm 给出等吸收点，溶液颜色由微黄变为蓝绿色。,65,超分子化学杯芳烃,Kubo等曾报道生色杯4

29、芳烃，研究了其对碱金属和碱土金属离子的识别，发现该化合物对Ca2+离子的灵敏度远远大于Na+, K+, Mg2+. IR和NMR研究发现Ca2+离子可以包结到OCH2CO2基团与杯“锥式”构象的杯4芳烃的空腔中，在99乙醇中，配合物计量比1：1，稳定常数高达7.6106 dm3 / mol，为Ca2+离子检测提供了潜在分析试剂。,66,超分子化学杯芳烃,以上研究结果表明，杯芳烃及其简单修饰杯芳烃可以对碱金属和碱土金属离子具有选择性识别作用，可作为输送阳离子的理想模型，一般亲和力和选择性的相关因素可概括为： （1）杯芳烃环空腔大小与金属离子大小的匹配性(尺寸效应)； （2）杯芳烃构象和阳离子大小

30、的配位选择性。例如Iwamoto和Shinkai提出锥形异构体对Na+和Li+选择性高，半锥型和 1，3-交替构象对K+的选择性高，随后发现有时半锥型和1，3-交替构象的亲和力高于相应锥形异构体，其识别作用通过阳离子-作用实现； （3）对位取代基不同能影响其选择性； （4）杯芳烃下缘取代基的种类和数目也有影响. 通常醚、酯、酮对碱金属离子的亲和力大于对碱土金属离子的亲和力，而酰胺的情况则相反。,67,超分子化学杯芳烃,将冠醚残基键入杯芳烃，同样对金属离子具有选择识别作用。,Ungaro等合成了一系列的杯4冠醚。上缘取代基为叔丁基，n = 3 时，对K+离子配位能力较强。而且半锥式构象的冠醚配位

31、能力最强。 R = CH3 主体分子自身为“锥式”构象，配位后转变为“半锥式”构象.,当R= CH2CH3, 未参与桥联的苯环由于乙氧基的位阻效应无法自由旋转，可以分离出锥式、半锥式、1，3交替三种 构象，其中只有半锥式与 K+离子配位时的几个氧原子与K+离子轨道匹配, 同时还可屏蔽溶剂; 以这种构象存在时, 杯冠醚的K+/Na+选择性为1.2104, 高于R为甲基的情况. 1,3-交替构象 (n=3, R = H, R= i-C3H7) 的K+/Na+选择性更高, 高于自然界中的最佳的K+载体缬氨霉素, 由此说明杯芳烃上缘取代基同样对离子选择性有影响.,68,超分子化学杯芳烃,Shinkai

32、等合成了拥有四个醚氧键的杯4冠醚，这种短链冠醚对Na+离子有特殊的选择性。 其中，Na+/K+ = 105.0-105.3,拥有四个醚氧键的杯4冠醚，在n = 4 时,适合于与Cs+配位,其中1,3-交替构象效果最好. 其中R为正辛基时的1,3-交替杯4冠醚的选择性为：Cs+/Na+ = 3104.,69,超分子化学杯芳烃,Kim等合成了下面式氮杂冠醚残基杯4芳烃。两个化合物均对 K+给出高选择性。B-a对Li+选择性高，B-b对K+选择性好。与母体冠醚比较, B-a对Li+ 显示高选择性, B-b 对K+显示高选择性, 与尺寸效应密切相关.,A,B,虽然氮杂冠醚残基杯4芳烃对相应金属离子萃取

33、率下降，但其使K+ / Na+, K+/ Cs+选择性提高。,a n = 1 b n = 2,a n = 0 b n = 1,70,超分子化学杯芳烃,Blanda合成杯6芳烃。与金属离子形成1:1 配合物。两个杯芳烃均对较大尺寸Cs+的选择性强于其他金属离子。后者选择性更好，如Cs+/Na+ = 1:500, 前者仅为1：100。,1，2，3交替,锥式,锥式构象被认为是两个冠醚协同配位一个金属离子, 而1,2,3-交替构象则被认为是金属离子在两个冠醚环间快速交换, 由于可能存在的静电排斥, 所以只有一个金属离子被结合。,71,超分子化学杯芳烃,Kim合成了1，3交替式杯4双冠醚，其与碱金属离子

34、的结合常数lgKs分别为：Na+, 7.94, K+, 9.57, Rb+, 9.18, Cs+, 8.74. 表明其对碱金属离子选择性差 可能是主体化合物自身拥有两个不同尺寸的冠醚环。,72,超分子化学杯芳烃,Beer 合成了醚链桥联对叔丁基杯4芳烃，过量碱金属 K离子存在下，可形成完全配位化合物。 首先形成阳离子作用结合中间体，然后进入4条链围成的空穴。,桥联杯 4芳烃116与钾离子的配位过程,73,超分子化学杯芳烃,对过渡金属离子的识别,Ti, Fe, Co, Ni, Mo, W, Cu, Zn, Ag, Pd等,Shinkai合成了下缘修饰杯芳烃,pH = 5.4, 119a, 120

35、a 对Fe3+, Cu2+, Zn2+和Pb2+ 均表现良好选择性。120a 即使在 pH = 2.2 时仍表现对Fe3+离子的高效选择性。 119b, 120b 对Fe3+, Cu2+, Pd2+表现良好选择性。 119c, 120c 对 Pb2+, Pt4+ 表现选择性萃取。,74,超分子化学杯芳烃,Vural合成了下缘修饰 对叔丁基杯6芳烃，研究其对Fe3+的萃取与液膜传输，发现，121b比121a萃取能力提高。其萃取能力随pH值提高而增大。,75,超分子化学杯芳烃,Konig等制备了下缘被乙酰基修饰的对叔丁基杯芳烃，研究了它们对Na+, Ba2+, Tl+, Zn2+, Hg2+, C

36、u2+ 和Ag+的液液萃取能力，发现它们均对Ag+表现出一定的萃取能力，而对其他金属离子的萃取能力较差。 随主体空腔增大，萃取能力也增大，122a 122b 122c.,其中酸度的影响也较大,酸性较强时,不利于萃取的进行.,76,超分子化学杯芳烃,陈远荫等将硫硒杂冠醚残基引入对叔丁基杯4芳烃下缘，发现128a 对碱金属离子有一定萃取能力。 而128b对Ag+表现最高亲和力，128c则对 Hg2+表现最高亲和力。 软硬酸碱及尺寸匹配决定了主体与离子间的配位作用强度。,77,超分子化学杯芳烃,Loeber 合成了下面的含磷杯芳烃，其具有特殊的配位催化性能。其对过渡金属离子有优良识别能力，能与Pt4

37、+, Pb2+, Ru2+等金属离子形成螯合物。在催化过程中具有对某些部位的特殊选择性.,78,超分子化学杯芳烃,7.2.5 对阴离子的识别,杯芳烃设计合成应考虑以下因素： （1）阴离子半径均较大，如单原子阴离子F-(0.136nm), Cl- (0.181nm), Br- (0.195nm), I- (0.216nm) (2) 具有不同的几何构型: 包括球形，线形，平面形，四面体形 （3）有很强的溶剂化趋势，受酸度影响大，很多阴离子仅存在于一定的pH范围内。,79,超分子化学杯芳烃,Beer 合成了下缘修饰的双酰胺二茂铁取代杯芳烃，电化学研究表明，即使体系存在大量Cl- 和 HSO4-，也不

38、干扰化合物A对 H2PO4-的识别. 识别顺序： H2PO4- HSO4- Cl-,A,B,C,B对阴离子没有选择性，而C的选择性与A相似。,80,超分子化学杯芳烃,下面仍是Beer 等的工作，上缘取代基位二茂钴。,81,超分子化学杯芳烃,研究表明，化合物141 对羧酸根的选择性较差，而对无机阴离子给出了较好的选择性，其选择性顺序为： CH3CO2- PhCO2- PhCH2CO2- C10H17CO2- H2PO4- NO3- Cl- HSO4-Br-. 化合物142a对阴离子的配位选择性顺序为CH3CO2- PhCH2CO2- PhCO2- -NfCO2-H2PO4-Cl-, Br-, N

39、O3-, HSO4-. 异构体142b的选择性顺序则不同，为H2PO4- PhCH2CO2-, CH3CO2-PhCO2-, -NfCO2-Cl-. 142a与142b不同的选择性说明了对甲苯磺酰基的预组织对选择性存在较大的影响。,82,超分子化学杯芳烃,通过在杯芳烃上下缘引入钌配合物得到一类新型杯芳烃a, b。由于具有氧化还原活性和光学活性，便于进行检测。 A 可在下缘空腔包结一个H2PO4-, 其依靠于2个酰胺和一个酚羟基羧形成的氢键而稳定存在于杯芳烃空穴中。循环伏安研究表明，即使在10倍 HSO4- 和 Cl-存在下，a 仍能够选择感应H2PO4-。,a n = 0 b n = 1,83

40、,超分子化学杯芳烃,这类化合物表现出与前面化合物相似的性质，与H2PO4-的结合常数位4400 dm3/mol, 而与氯仅为80 dm3/mol。,84,超分子化学杯芳烃,Cl- Br- CN- I- SCN-（146） Cl- Br- CH3CO2- HSO4- H2PO4-（147） HSO4- H2PO4- CH3CO2- Cl- Br- （148）,醌氧与阴离子氢形成氢键,85,超分子化学杯芳烃,两个杯芳烃均对HSO4- 有较高选择性， 前者与HSO4- 稳定常数4455 dm3 / mol, 高于F-, PF6-。 后者对HSO4- 的选择性是Cl-, NO3-的100倍。,R =

41、-CH2CH2NHC(O)Me,86,超分子化学杯芳烃,双功能受体,1994年Reinhoult报道，兼具阴阳离子结合点位。能选择性在上下缘分别识别和配位Na+和H2PO4-,前者与H2PO4- 稳定常数3900 dm3/mol, 与Cl-, HSO4- ,ClO4-等的结合常数小于10。其可用于液膜传输.选择性分离碱金属磷酸盐。,后者可同时传输Cl- 和Cs+, 对于亲水性较强的CsCl传输速率 常数达到1.210-7 mol.m-2.s-1,87,超分子化学杯芳烃,7.2.3 杯芳烃为受体的分子催化和模拟酶研究,相转移催化,杯芳烃及其衍生物具有萃取和转移金属离子的能力，其在相转移催化研究有

42、潜在应用前景。 高效相转移催化剂的基本要求：同时具有亲脂亲水基团，可以在两相介质中进行物质传递。因此，通过在杯芳烃的上下缘进行适当修饰，可以满足此要求. 1977年，Buriks等发现，下缘连有乙氧基链的对叔丁基杯芳烃在非极性介质中具有相转移能力，可以解决油-水乳化问题,并应用于石油精练。,88,超分子化学杯芳烃,Taniguchi 和 Nomura 合成了下面结构的杯芳烃,89,超分子化学杯芳烃,Taniguchi 和Nomura使用上述杯芳烃衍生物进行相转移催化，研究苄溴和苯酚在碱作用下生成苯甲基苯醚的反应。 其催化活性与其他催化剂的研究结果比较如下表 :,从上表可以看出： 与常用催化剂比

43、较，杯芳烃具有用量少，反应时间短，活性高的优点,各种催化剂对苯酚与苄基溴反应的催化活性比较,90,超分子化学杯芳烃,此外，他们还研究了杯芳烃对苯酚与二氯甲烷的Williamson 成醚反应的催化作用. 在催化剂存在的情况下，反应24小时后转化率为 100 %，而无催化剂时的转化率仅为 0.3%。催化活性高于聚乙二醇和聚乙二醇醚，而活性大小与所用苯酚的类型有关。,Nomura等则发现，在三氯甲烷和乙腈中，其对羧酸碱金属盐与卤代烃成酯的反应具有很高催化活性。使用0.4 nm分子筛干燥的CHCl3作溶剂，它对于对硝基苄溴与乙酸钾成酯反应的转化率达到 100%。,催化效率优于季铵盐和冠醚 。,91,超

44、分子化学杯芳烃,Shinkai等制备了具有类似结构的杯芳烃，将上缘 -C(CH3)3 换为亲酯性更高的-C(CH3)2CH2CH3 ，而下缘仅有一个单元的乙氧基，其催化对硝基苄溴与正丁酸钠的成酯反应的活性与二环己基并18-冠-6相当。 而当醚氧链增长时，其胶束化作用使反应活性反而下降。,-OCH2CH3,-C(CH3)2CH2CH3,92,超分子化学杯芳烃,Okada等合成了具有醚链的杯4芳烃衍生物，并将之用作Williamson醚合成和Finkelstein反应的相转移催化剂。 结果表明，在催化苯酚与苄溴成醚反应中，化合物催化活性与上面的相当。 在催化 Finkelstein 反应时，化合物

45、使催化反应速率比没有催化剂时提高了1.5倍到2倍。,93,超分子化学杯芳烃,Shimizu等将水溶性膦杯芳烃-金属配合物作为反相相转移催化剂，这类催化剂还具有均相金属催化剂的功能。如该化合物的铑（Rh)催化剂可以作为双重催化剂催化1-辛烯和1-癸烯的两相羰基化反应。 结果表明b具有较高催化活性，转化率高达98%，收率86%，可多次重复使用。,94,超分子化学杯芳烃,Single-Site Catalysis by Bimetallic Zinc Calixarene Inclusion Complexes,Org. Lett., 7,5123, 2005,L-乳酸的开环聚合反应,95,超分子化

46、学杯芳烃,高的分子量，低的分散度,96,超分子化学杯芳烃,1a 和3b以及1b和3a具有相同的催化效率， 聚合物具有相同的端基，表明催化活性位点位于杯芳烃外端。,97,超分子化学杯芳烃,模拟酶,杯芳烃及其衍生物可作为人工模拟酶模拟生物酶的催化功能。,酸催化1苄基1，4二氢烟酰胺水合示意图,Shinkai等较早开展这方面的研究。基于甘油醛-3-脱氢酶催化部分氢化的腺嘌呤二核苷酸烟酰胺的水合过程中，酶作为底物提供质子并同时拥有带负电荷的基团以稳定生成的正电荷中间体的考虑，他们将上缘被磺酸基取代的杯6芳烃（A)用作这种酶模型，发现其能显著催化1-苄基-1，4-二氢烟酰胺的水合 。,98,超分子化学杯

47、芳烃,Shinkai等较早开展这方面的研究。 基于甘油醛-3-脱氢酶催化部分氢化的腺嘌呤二核苷酸烟酰胺的水合过程中，酶作为底物提供质子并同时拥有带负电荷的基团以稳定生成的正电荷中间体的考虑，他们将上缘被磺酸基取代的杯6芳烃（A)用作这种酶模型，发现其能显著催化1-苄基-1，4-二氢烟酰胺的水合 。,（A）,通过跟踪实验中的荧光光谱变化，认为1-苄基-1，4-二氢烟酰胺被包结到受体的空腔中，下端羧基提供质子，上端磺酸基负离子稳定正电荷中间体，从而使第一步（速控步）加快而加速水解。,99,超分子化学杯芳烃,Gutsche 等 发现杯芳烃衍生物（B）也能加速上述反应，将磺酸基替换为羧酸基后，反应效果

48、变差，可能上端羧酸基负离子不易形成，不利于稳定正电荷中间体。,（B）,100,超分子化学杯芳烃,Shinkai等将杯芳烃季铵盐用作水解酶模型，它能够催化十二烷羧酸对硝基苯酯的水解。研究中发现，易形成主客体配合物的杯6芳烃比相应的不易形成主客体配合物的杯4芳烃有更高的催化活性。 因此，作用过程主要通过形成内式配合物进行，并非简单的去屏蔽机理。,n = 4, 6,101,超分子化学杯芳烃,Ungaro等将冠醚杯芳烃成功用于水解酶模型。 研究发现其对乙酸酯的甲醇解在没有金属离子存在时反应极慢。 但加入少量Ba2+后，可使反应加速100万倍以上，效率与转酰化酶相当。,102,超分子化学杯芳烃,其原因是

49、主客体配合物的Ba2+能稳定亲核加成时产生的负离子中间体，使亲核加成控速步的反应速度显著提高。 其在被Ba2+活化后，在中等强度的碱性条件下能作为有效的酰化转移催化剂。 它可以使对硝基苯乙酸酯（p-NPOAc）的水解速度增加10倍。其反应机理如下：,103,超分子化学杯芳烃,核糖核酸酶催化机理,核糖核酸酶催化RNA水解分两步进行： 1。RNA呋喃环上C-2羟基进攻磷原子，将原有磷酸二酯转化为环状磷酸二酯，RNA链断裂。 2。酶催化水分子进攻此环状磷酸二酯，在RNA核糖糖单元的C-3上生成磷酸单酯，而在C-2上重新生成羟基。,在核糖核酸酶（124个氨基酸残片的牛胰核糖核酸酶）中，催化基团是组氨酸

50、12和组氨酸119 的2个咪唑环，其中一个以中性咪唑环形式存在，作为一般碱催化剂；另一个咪唑环质子化，作为酸催化剂，两者交替使离去基团质子化或增强亲核试剂的亲核性。,104,超分子化学杯芳烃,Reinhoult等合成了一系列吡啶基修饰杯4芳烃锌(II)配合物和咪唑基修饰杯4芳烃铜(II)配合物，将它们作为核酸模拟酶。 在适合pH下可以显著催化RNA酶模型底物2-羟基丙基-对硝基苯基磷酸二酯的环化反应，其中化合物A使反应加速 2300倍，化合物B加速 10000倍。即使在底物过量4倍时仍具有催化周转活性。,A,B,105,超分子化学杯芳烃,此外，该类模拟酶具有对底物的选择性，如果酯的醇部分没有羟

51、基取代基则没有活性，催化机理如下：,2-羟基丙基-对硝基苯基磷酸二酯,106,超分子化学杯芳烃,7.3 杯芳烃为受体的超分子组装,107,超分子化学杯芳烃,分子内和分子间的氢键相互作用是杯芳烃自组装的主要作用方式。例如，通过在杯芳烃边缘引入脲基或硫脲基团后，可以通过脲基间的氢键相互作用构筑二聚体。,Rebek等将脲基连到杯4芳烃和对苯基杯4芳烃的上缘，两个四脲取代杯芳烃的氢键给体和受体相互间作用，形成16个分子间C=O.H氢键，组装成为“头对头”式二聚体。由于有中空结构，被称为分子“胶囊”（Capsule).,108,超分子化学杯芳烃,A1和A2是两种典型的分子“胶囊”。 前者有直径为0.7

52、nm的接近球形的空腔，内部容积0.2 nm3, 可以与苯、氯仿和樟脑等分子可逆结合；由于客体分子交换速度较核磁共振时间慢，可通过1HNMR 检测到结合与未结合的底物分子。 后者为椭球形，内部容积0.4 nm3，可与双苯环客体分子结合，其与联苯、联吡啶类客体分子的结合常数高达 5.6103 dm3/mol 1.9105 dm3/mol。,109,超分子化学杯芳烃,Ungaro等合成了上缘修饰的1，3交替4芳烃二甲酸和 1，3，5交替杯6芳烃三甲酸，这两种衍生物具有锥式构象，在氯仿中可以通过甲酸基团的分子间氢键结合成二聚体，如下图，它们可以有效结合 N甲基吡啶客体分子。,110,超分子化学杯芳烃,Shinkai等则合成了吡啶修饰杯芳烃和甲酸修饰杯芳烃，两种杯芳烃衍生物间通过吡啶氮和羧基氢形成氢键进行组装。,111,超分子化学杯芳烃,Gonazalez等合成了双吡啶羰基（嘧啶结构）修饰的杯4芳烃基本结构单元，由于分子间1，3交替构象，两个分子间可以通过8个氢键在氯仿中组装成为二聚体，其中包括 A7 (Syn)和 A8 (Anti)两种异构