柱芳烃的合成

柱芳烃的合成与表征杨帆化学与材料科学学院摘 要在二氯甲烷溶剂中，以对苯二酚醚和多聚甲醛为反应原料，在路易斯酸的催化作用下，合成了柱5 芳烃。通过核磁共振初步表征了产物的结 构。关键词柱5 芳烃；路易斯酸催化；表征。The synthesis and characte血ation of pilTshapedhydrocarbonsYang fan, College of Chemistry and Materials ScienceAbstract a pillar arene was synthesized from hydroquinone monomethyl ether and paraformaldehyde in dichloromethane. Lewis acid was used as catalyst in this reaction. The structure of the pillar 5 arene was characterized by HNMR.Key words pillar arene. the Lewis acid catalysis. characterization.1.引言超分子化学是研究分子间通过非共价键相互作用形成的复杂有序且具有特 定功能的分子聚集体的一门新兴交叉学科1 3。1987年，诺贝尔化学奖授 予了 Pedersen , Lehn和Cram 3位化学家，以表彰他们在超分子化学方面的开 创性工作和重要贡献.超分子化学的最初研究是以冠醚4 8 和环糊精9 11 等大环为主体分子，分别被称为第一代和第二代超分子主体化合物。自2000年以来，他们6 8在新型冠醚衍生物的设计合成及其对碱金 属、碱土金属及稀土金属离子的识别和选择键合方面取得了一些进展;重点开展 了新型单修饰环糊精和桥式双环糊精的设计合成，并通过光谱和热力学手段系 统研究了它们对染料分子、寡肽、胆酸类分子、金鸡钠碱和手型环醇等有机小 分子和生物分子的选择键合，同时研究了不同官能团修饰的环糊精自组装行 为，并利用修饰环糊精或环糊精包合物构筑了聚轮烷和有机-无机杂化功能纳米 材料，在分子组装、蛋白质传输和富勒烯循环萃取等方面得到重要应用11 23。他们24将第一代大环主体分子和第二代大环主体分子桥连起来，设计合 成了冠醚环糊精二聚体和三聚体，并通过其对特定染料分子的协同键合作用， 展示了这类新型杂交超分子主体分子的特异性和优越性。近年来，另一种新型的大环化合物杯芳烃25 及其衍生物以其独特的结构和 优异的性能引起了科研工作者的极大关注，并成为继冠醚和环糊精之后的第三代超分子主体化合物。随着杯芳烃化学的不断发展，许多新型杯芳烃，如硫代 杯芳烃26、杯吡咯27 和氧杂同杯芳烃28 等不断被合成，并且在超分子化学领域显示了广泛的应用。2008年，杯芳烃的对位类似物一柱芳烃作为一类新的大环分子被首次合成 报道29。由此基于柱芳烃的研究如雨后春笋般展开，包括柱芳烃的合成方 法、对柱芳烃分子的功能化、柱芳烃分子的主客体化学以及基于柱5 芳烃的 首个分子传感器的制备等。文献30对柱芳烃的合成与分子设计进行了详细的 介绍，但随着近来新成果的不断涌现，研究重心正在向基于这类新型大环受体 分子的分子识别与组装方向发展。在这一新兴的研究领域，我国科研工作者做 出了巨大的贡献。柱n芳烃是由对苯二酚或对苯二酚醚通过亚甲基桥在苯环的对位连接而 成的一类环状低聚物，是一类新型的主体分子。其结构与15 对位连接的环番 类似31，从端基为苄醇的线性五聚前体制备。采用类似的方法，可以制得亚 甲基对位接的16 环状六聚物，但是迄今为止文献报道的产率都很低。由于受 到亚甲基桥键角张力的影响，14对位环番不能稳定存在。1)NBHJCFCOOH3) 4LithiobiXMn6befl3ane/rHFOHCFjCOOH CHiCh柱5合成路线柱芳烃在空间结构上是圆柱状而并非锥式构象的杯芳烃，其具有更刚性的 骨架，在几何结构上和葫芦n 脲较类似。葫芦n 脲的结构要进一步修饰 较困难，然而，二烷基取代的柱n 芳烃由于1，4位的取代基可以在温和的 条件下离去，因此可以进一步官能化，这与杯n 芳烃较相似。尽管二甲基柱5 芳烃在有机溶剂（如氯仿、乙腈、丙酮、四氢咲喃）中有 一定的溶解度，但由于其结构上的高对称性使得溶解度并不是很大。为了增加 其溶解性并进一步进行功能化，首先需将二甲基柱5 芳烃分子上的甲基脱 除。柱5 芳烃可由二甲基取代的柱5 芳烃在氯仿的三溴化硼溶剂中反应 制得29, 35 。柱5 芳烃在合适的碱性条件下与烷基化试剂进行反应是柱芳 烃官能化最简单的方法。但是，由于大环分子上取代基的空间位阻效应，在一 般碱性环境中，苯环上的10个羟基并不能够完全被取代。然而，氢化钠与过量 的卤代烷却可以在柱5 芳烃分子上完全引入各种各样的官能团40，包括 烷基链、环己基、酯基和聚醚类基团，其中许多官能团还可以进行下一步的官 能化。Ogoshi等41 报道了柱5 芳烃在氢化钠条件下与溴代乙酸乙酯反应， 经氢氧化钠水解，再和氨水形成羧酸盐，最后得到一种水溶性的柱5 芳烃分 子。由于柱芳烃分子本身水溶性很差，因此这一产物对柱5 芳烃分子水溶性 有极大改进，与制备水溶性的杯芳烃磺酸盐42具有相同效果。1 , 4-二烷氧基取代的柱5 芳烃可进一步反应。曹德榕课题组32 报道 了柱5芳烃经硝酸铈铵氧化可以得到一种新型的缺电子的柱芳烃-5醌， 产率为62%。柱芳烃分子和NBS的丙酮溶液反应，得到的不是溴甲基化产物 而是二-(4-溴-2 , 5-二甲氧基苯基)甲烷；同样柱芳烃分子与质量分数49%的硝 酸反应，得到二-(4-硝基-2 , 5-二甲氧基苯基)甲烷而不是柱芳烃分子的硝化产 物52。这说明柱芳烃大环分子可能并不像其它酚的大环分子那么稳定，如杯 芳烃很容易与硝酸发生硝化反应而不会分解。柱芳烃作为一类新型对称的杯芳烃类似物，与传统的杯芳烃相比，具有以下 两方面优势:(1)柱芳烃的对称柱状结构使得它们比杯芳烃更易于构筑成相互贯 穿的聚合物和管状组装体;(2)柱芳烃比杯芳烃具有更加刚性的骨架结构，使得 柱芳烃可能高效识别某些特殊的客体分子。Ogoshi等29将二甲基柱5 芳烃在三溴化硼催化下脱除甲基生成含有 10个羟基的高度对称的柱5 芳烃，产物在丙酮中对紫精衍生物和吡啶盐显 示出良好的识别能力，而对于端基连上刚性分子的金刚烷基紫精则不能识别。 通过Job plots研究发现，柱5 芳烃可以与紫精和吡啶盐衍生物在丙酮中形 成1:1的主客体复合物，并由稳态荧光光谱测出柱5 芳烃与紫精衍生物和吡啶盐的键合常数分别为（1. 2 士 0. 2） xio4和（1. 2 士 0. 3） x103 L /mol .柱5 芳烃不仅可以识别紫精分子，同时还可以识别季铵盐。Ososhi等 56报道了二甲基柱5 芳烃在0. 9倍量三溴化硼的氯仿中能够可控地脱去 10个甲基中的1个，生成单功能化的柱5 芳烃分子。其在氘代氯仿溶剂中 可以和十烷基三甲基六氟磷酸（OTMA）生成1:1的主客体复合物，键合常数为 （780 士 110） L /mol。但是在氘代丙酮溶剂中却没有主客体复合物的生成。由此 看来，Cation-n相互作用与溶剂极性有很大关系，当使用极性较大的丙酮时， Cation-n相互作用被极大减弱。在用十烷基三甲基六氟磷酸铵单功能化的柱5芳烃分子来研究其在氘代丙酮和氘代氯仿不同极性溶剂中的自包结行为时 发现，只有在极性较小的氘代氯仿溶剂中才存在自包结行为。黄飞鹤等36研究了柱6 芳烃对季铵盐的分子识别行为。二异丁基柱 6 芳烃与十烷基三乙基六氟磷酸铵在氘代氯仿溶剂中可以形成1:1的主客体 复合物，键合常数为（334 士 24） L /mol。由于客体分子体积相对柱5 芳烃内 腔较大，因此不能与5 芳烃形成主客体复合物。这是首次关于客体分子与柱 6 芳烃主客体性能的研究，对6 芳烃的研究有很重要的借鉴意义。他们 还报道了桥联的柱5 芳烃和辛烷基三甲基六氟磷酸铵客体分子在氘代氯仿溶 剂中以1:2的比例络合成主客体复合物55，其键合常数约为600 L /mol。柱芳烃分子可以对紫精、吡啶盐、季铵盐和离子液体等62阳离子客体进 行识别。近期研究发现，柱芳烃同样可以识别一些中性客体分子。李春举等63, 64 在柱5 芳烃与客体的分子识别方面进行了系统的研究。结果表明， 柱5 芳烃不仅和带正电性的客体分子间有键合，而且同中性的二咪唑烷烃客 体分子间通过多个CH0( N)氢键和CH.n相互作用也可以形成稳定的主 客体复合物。他们研究了柱5 芳烃和联吡啶盐、二吡啶盐以及二咪唑盐之间 的主客体性能，并报道了二烷基取代的柱5 芳烃与中性的二咪唑基丁烷在氘 代氯仿溶剂中也存在较强的键合，可以形成稳定的主客体复合物55，其键合 常数约为600 L /mol.柱芳烃分子可以对紫精、吡啶盐、季铵盐和离子液体等 62 阳离子客体进行识别。近期研究发现，柱芳烃同样可以识别一些中性客体 分子。李春举等63, 64在柱5 芳烃与客体的分子识别方面进行了系统的研 究。结果表明，柱5 芳烃不仅和带正电性的客体分子间有键合，而且同中性 的二咪唑烷烃客体分子间通过多个CH0( N)氢键和CH.n相互作用也可 以形成稳定的主客体复合物。他们研究了柱5 芳烃和联吡啶盐、二吡啶盐以 及二咪唑盐之间的主客体性能，并报道了二烷基取代的柱5 芳烃与中性的二 咪唑基丁烷在氘代氯仿溶剂中也存在较强的键合，可以形成稳定的主客体复合 物65。这是因为客体与柱5 芳烃大环分子间利用多个CH0( N)氢键 和CH.n相互作用，使得主客体间具有很强的键合，且当主体化合物为二乙 基柱5 芳烃时，键合常数最高可达(2. 00. 4) xi04 L /mol。这是首次关于 柱5芳烃可以对中性客体进行分子识别的报道，该主客体间的分子识别在分 子自组装方面具有非常重要的应用。最近，该课题组66报道了羧酸盐取代的水溶性的柱5 芳烃与1 , 4-二吡啶盐丁烷衍生物在磷酸盐缓冲溶液中的键合 行为。羧基取代的柱5 芳烃（CP5A）与二吡啶盐丁烷衍生物客体分子间有很 高的键合常数（1. 1 士 0. 2） xi06 L /mol 。离子型的CP5A与P5A在和客体 分子形成主客体复合物驱动力方面存在很大的不同，这是分子间的静电作用和 在水溶液中的疏水作用所致。曹德榕等59对柱5 芳烃和柱6 芳烃与二溴烷基链之间的主客体性能 进行了研究，由于主客体之间BrCH2.O和CH.n作用，使得柱5 芳烃 与二溴烷基链形成1:1的稳定主客体复合物;柱6 芳烃由于内腔尺寸较大，客 体分子无法与其很好地匹配，因而很难形成稳定的复合物。Stoddart课题组67 报道了具有荧光性的芘基单功能化的柱5 芳烃分 子和二胺键合后，荧光会发生猝灭，这是首个基于柱5 芳烃的分子传感器的 制备。该课题组60通过在柱芳烃大环分子上引入带有荧光的芘基，使得主体 分子对二胺的键合能力提高了上千倍。这为机械互锁型分子机器的设计提供了 一条非常有效的途径。水溶性的柱芳烃可以在水溶液中对客体分子进行识别。Ogoshi等41合成的水溶性柱5 芳烃分子在氘代水中可以识别甲基紫 精，形成稳定的1:1主客体复合物，且键合常数高达（8. 2 士 1. 7） x104 L /mol。 与柱5芳烃相比较，水溶性的柱芳烃对紫精分子具有很强的键合能力，这是 各种效应（静电作用、电荷转移、疏水-亲水作用）协同作用的结果。侯军利等 43 则报道了另外一种水溶性的柱5 芳烃可以在氘代水中与二酸形成准轮烷，在加入三乙胺的条件下生成大体积的季铵盐作为封端基团的轮烷分子。即 使加热到70 9也未见复合物的解离.该主客体复合物的键合常数为1.5x104 7. 2x104 L /mol。这是一种以分子之间的疏水作用和离子对相互作用为 驱动力制备的新型准2 轮烷，三乙胺的加入使得离子对相互作用更强，准2轮烷的稳定性和产率均会显著增加。综上所述，柱n 芳烃76 作为一类新型的大环主体分子，具有如下特点：(1) 它是通过亚甲基桥在苯环对位连接的一类环状低聚物；(2) 对水和空气不敏感，具有较强的稳定性；(3) 易于功能化，可以制备出各种功能化的目标分子；(4) 柱芳烃分子对紫精衍生物和四级铵盐等客体分子有较好的键合，展现出良好 的主客体化学性能。关于柱n 芳烃家族的研究77才刚刚起步，目前的研 究还处在分子识别和分子自组装方面，未来的焦点将会进一步扩展到以下几方 面：(1) 通过模板法或空间位阻效应来合成空穴尺寸更大的柱芳烃分子，如柱7 芳烃、柱10 芳烃等；(2) 手性柱芳烃衍生物的设计合成以及在分子识别和手性催化中的应用；(3) 基于柱芳烃有机纳米管、线的组装合成及性能研究；(4) 利用分子组装来构筑超分子聚合物；基于柱5芳烃人工跨膜质子通道的组装研究及生物功能开发；(6) 柱芳烃在药物传输及释放领域的应用；(7) 基于柱芳烃的机械互锁型分子的构筑并开发其在分子电子学、纳米药学和纳 米等离子体电子学等领域的应用78, 79O基于冠醚、葫芦脲和环糊精的机械互锁型分子机器及纳米阀门的构筑方面 丰富的经验和较强的背景80 83，本课题组84 正在开展基于柱芳烃的互锁 型分子的设计与合成，以期逐步将其应用到纳米药学和功能分子器件领域。相 信随着研究的进一步深入和越来越多科技工作者的加盟和共同努力，会有更多 独特且优良的性能被开发出来，从而促进柱芳烃在化学、生命科学以及材料科 学等领域的重要应用。2.实验2.1仪器与试剂仪器：1HNMR谱用Bruker Avance-500 (500 MHz)型核磁共振仪测定， TMS作为内标，氘代溶剂为DMSO ; FA2004电子天秤(上海衡平仪器仪表 厂)；100m I圆底烧瓶；油浴锅；球形冷凝管，抽滤装置，超声仪等。试剂：1,4-二甲氧基苯，二氯甲烷，多聚甲醛，三氯化硼乙醚，甲醇，氯 仿，丙酮。2.2 1, 4-二取代柱5芳烃的合成以30ml二氯甲烷为反应溶剂，以1.38g1,4-二甲氧基和0.93g多聚甲醛为反 应物，在1.25ml路易斯酸三氟化硼乙醚的催化下，在25度温度下反应30分钟， 将反应液倒入甲醇中，过滤留滤渣，加入20ml氯仿进行超声，过滤留滤液，然后加入20ml丙酮进行重结晶，抽滤留滤液，封口过夜，得到产品。反应现象：反应刚刚开始为紫色，然后变为深蓝色，渐渐变为墨绿色，最 后变成黑色，反应完毕后，反应液加入到甲醇中，变为白色，最终产物重结晶 之后也为白色。2.3结果和讨论(1) 反应中可以生成对乙氧基柱5 芳烃的溶剂全都是卤代烷烃，并且大多对称性 较好，氯代烷烃稍优于溴代烷烃，二氯甲烷是最好的溶剂。(2) 酸催化反应中有机酸和无机酸都可以使反应发生，强酸反应效果好，如对甲苯磺酸、硫酸等，弱酸如甲酸、乙酸不反应。用质子酸催化效果好一些，路易士酸效果并不好。(3) 反应需要一定的能量和催化剂，有一些反应室温下不反应，但是升高温度甚 至回流后可以反应。如果反应过程中加入的催化剂用量太少，反应不能发生。(4) 反应过程可能会生成中间产物，在一定限度内延长反应时间有利于柱5 芳烃的生成，最后反应停止，延长时间不再变化。对乙氧基柱5 芳烃的产率低的反应，得到一些不溶于二氯甲烷的白色固体，推测可能是生成了高聚物。从实验数据看到，用到相同的溶剂和催化剂，1,4-二乙氧基-2,5-二羟甲基)比1,4-二乙氧基-2,5-二乙氧甲基苯更易于反应，反应速率更快，当取少量，二氯甲烷溶液为稀浓度，三氟化硼乙醚催化反应1-2h可以反应完全反应，也较同样条件下用（3h）反应速度快。但是放大量做反应时间稍慢，我们推测是在二氯甲 烷中的溶解性较差很多，有限的反应时间内不能为反应提供足够的溶解样品去 反应，所以反应速度稍慢，如果反应浓度变稀或反应本身时间很长，二氯甲烷 可以有时间溶解足够的去参加反应，反应时间快就体现出来。2.4反应注意事项（1）1,4-二甲氧基苯和多聚甲醛的反应量需控制在1:3，防止副产物产生的量 过多；（2）三氟化硼乙醚的量适当过量，因为三氟化硼乙醚非常容易挥发，防止催化 剂的用量不够，导致反应不完全；（3）反应容器必须经过干燥，因为三氟化硼乙醚遇水极其容易分解，导致催化 剂失效；（4 ）反应温度最好控制在30度以下，防止反应过热生成聚合物副产物；（5 ）反应时间需要控制好，大概30分钟左右，应该使反应充分完成；