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杯[4]芳烃的制备

发布日期:2019/2/28 13:26:11

背景及概述[1][2]

杯[4]芳烃作为第三代超分子主体一员,由苯酚单元与甲醛缩合而成的大环环状化合物具有空腔可调、构象可变、结构易修饰、合成较方便等优点,通过氢键、静电作用、分子作用力、π-π堆积等非共价键作用(超分子作用)来识别客体分子。杯[4]芳烃基超分子凝胶引起人们的广泛关注,用该凝胶制备了多种刺激响应性凝胶体系。

杯[4]芳烃具有离子和中性分子易络合的疏水空腔,也有溶解性差、构象不稳定等缺点。为了改善不足,研究人员将其下沿酚羟基和上沿的叔丁基进行选择性衍生反应,合成具有特定分子结构的功能性杯[4]芳烃衍生物。

目前在杯[4]芳烃衍生基团有席夫碱[4]、酰胺[5]、醚[6]、卤素[7]等,该类衍生物具有较好的络合能力。胆固醇具有较大骨架,多手性中心,强的堆积能力,合成含胆固醇的杯[4]芳烃衍生物能够使杯[4]芳烃构象稳定,能很好地应用于分子识别和超分子化学组装的研究领域。超分子凝胶网络的形成基于多种驱动力,其中杯[4]芳烃基超分子凝胶的形成主要源于金属离子、酸、有机分子、胆固醇片段,主客体作用等。

性质优点[3]

对冠醚和环糊精而言,以杯[4]芳烃为主体的第三代超分子体系主要有以下优势:

(1) 其合成的原材料价廉易得,且合成比较简单,目前已有多种类化合物应用于医学治疗上。同时调控反应条件,可制备得含n(n=4~20)个结构单元苯环的对叔丁基杯[4]芳烃,还具有比较大的自由度;

(2) 杯芳烃的酚羟基、苯环对位以及苯环单元之间的亚甲基均可引入所需官能团,进行改性,对其络合能力、水溶性、模拟酶活力有一定的改善;

(3) 低毒性、热稳定性好、化学稳定性好、熔点高;

(4) 因其独特的憎水水性空腔结构,能与中性分子(氯仿、甲醇、吡啶等)、金属离子(Yb3+、UO22+、Th4+、Eu3+等)等作用形成主-客体包合物,这应用于分离和纯化方面起着重要作用;

(5) 和环糊精的空穴结构相比,杯芳烃具有构象自由的性质,可利用调整合成反应条件和引入适当的功能团,固定所需构象的杯芳烃。

对杯[4]芳烃是以多个亚甲基相连的苯酚单位,因起桥梁作用的亚甲基可旋转,所以在杯[4]芳烃中存在着多个构象异构体,其对分子识别方面有着重大的意义,且杯[4]芳烃的构象异构体个数与苯环数有关:2/nM=2,其中,M为构象数量,n为苯环的数量。对对叔丁基杯[4]芳烃而言,它有四种不同的构象体,如图1-3(a、b、c、d)所示,分别是锥式(cone)、半锥式(partialcone)、1,2-交替式(1,2-alternate)和1,3-交替式(1,3-alternate)。

因对叔丁基杯[4]芳烃主要有4种不同的构象体,当在羟基位置引入的官能团足够大时,由于整个分子体系的空间位阻作用,使得苯环单元不能自由的翻转,从而得固定构象的对叔丁基杯芳烃。

制备[2]

第三代超分子聚合物杯芳烃结构是苯酚单元和亚甲基链接,其命名较为复杂,是在“杯”(calix)和“芳烃”(arene)中间插入“[n]”,其中[n]代表化合物中苯环单元数量,如图所示:

自杯芳烃这类超分子环聚物出现以后,杯芳烃的应用越来越受到学者的关注,到目前为止,杯芳烃被认可的主要合成方法为以下三种:一步合成法、逐步合成法和片断缩合法。

1.一步合成法

这一方法是至今应用最为广泛的一种,最开始是由Zinke等首创,后经Gutsche等对该合成方法进行了大量的试验并改进。在不同比例的催化剂(强碱)作用下,酚醛一步缩合生成杯芳烃的方法为一步合成法。杯[n]芳烃(n=4、6、8)的合成已有不少的文献报道,合成产率较高、方法简单。如若将该方法应用于合成以苯酚为单元个数为奇数的杯[n]芳烃,会限制得到有特殊基团的杯芳烃。

2.片段缩合法

德国学者Bohmer在合成杯芳烃的多步合成法基础上多次研究,总结得出片段合成法,指片段与片段之间结合而成杯芳烃,减少了多步合成的步骤。已有文献报道的片段缩合反应有“2+2×2”、“4×l”、“2×1+2×1”、“3+1”、“2+2”等方法。。该法的产率也是比较低的,现只是应用于一些特殊结构的杯芳烃类化合物。

3.逐步合成法

Hunter和Hayes最开始对对甲基苯酚卤化、多次的羟甲基化和脱卤化的对甲基杯[4]芳烃,反应步骤多,这种由化合物片段多步合成的方法称为逐步合成法。此方法可得奇数、偶数的杯芳烃主体分子,若以不同取代基的苯酚为反应的反应物,最终可制备得各种取代基产物,但因反应过程长而复杂导致产率极少,在实际操作中很少采用此方法。

4.杯[4]芳烃及其衍生物的合成

自Gustche改进杯芳烃的合成方法后,杯芳烃及其衍生物得到了众多学者的研究。特别是对其的最佳合成路线设计、分子识别、衍生化等方面进行了深入探索。而国内的高校及研究机构(武汉大学、南开大学、天津大学等单位)对杯芳烃及其衍生物的研究是从九十年代后开始,均成功探究出有价值的成果。

对新型杯芳烃衍生物的合成研究是目前的一个研究热点,表现在下缘的酚羟基处引入含有O、P、N、S等软碱杂原子、酯化、醚化、苯酚单元之间亚甲基的转换、上缘叔丁基的功能化等方面。另一个热点是在光学、手性识别、电学、催化等方面上的应用发展。因此,对杯芳烃进行功能化、衍生化反应有一定的理论研究意义,以及其在核化学、新能源等方面的应用研究具有实际价值。

主要参考资料

[1]杨发福, 蔡秀琴, 郭红玉, & 陈希磊. (2005). 含酰胺和席夫碱单元的杯[4]芳烃衍生物的合成与配合性能. 有机化学, 25(5), 000545-548.

[2] 钟振林, & 李建森. (1998). 逐步法合成杯[4]芳烃关环反应的改进. 高等学校化学学报, 19(1), 83-85.

[3]刘顺英, 王法军, 隗兰华, 肖旺, 孟令芝, & 何永炳. (2003). 多酰胺杯[4]芳烃中性阴离子受体的合成与识别性能. 中国科学, 33(6), 504-510.