超分子化学杯芳烃完整版课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,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，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,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,CPK,（,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”,）。,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,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,5,，,11,，,17,，,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,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,),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,Casnati,等报道“一锅煮”法制备下列杯芳烃,碱的类型,相对产率,4,5,6,LiOH,20,17,63,NaOH,10,6,84,KOH,7,21,72,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。,邻位保护,邻位去保护（,Pd/C-H,2,),三步总收率,20%,B,hmer,等合成多取代杯芳烃,拥有内外两种羟基的杯,4,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“,3,1”,或“,2,2”,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,”。,“3,1”,“2,2”,（要求：,R,1,R,2,，,R,3,R,4,）,采用何种方式取决于杯芳烃结构,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%,Bhmer,采用（,2,1 + 2,1,）,缩合反应制备下面芳烃， 产率,10%,Pappalardo,采用（,2,1 + 2,1,）,缩合制备下面芳烃， 产率,60%,SnCl,4,Bhmer,等的工作，,35%,收率,Asao,等的工作（,2 + 2,缩合,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,利用“片段缩合法”，外式杯,4,芳烃替代普通二聚苯酚，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%,）,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,芳烃亲核取代反应,芳烃亲电取代反应,杂环芳烃杯芳烃合成,杯,n,呋喃,m,吡咯芳烃,其他杯芳烃合成,杯,2,尿嘧啶,2,芳烃,羟基上的修饰,杯芳烃的衍生化,R,1,= 2,4-,二硝基苯，,R,2,= R,3,= H,； 或,R,1,= R,3,= 2,4-,二硝基苯，,R,2,=H,； 或,R,1,= R,3,= H,，,R,2,= 2,4-,二硝基苯。,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,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,端炔,二聚,帽式杯芳烃,杯芳烃取代基的变换,Claisen,重排,硝基还原,酰化反应,Ungaro等将冠醚杯芳烃成功用于水解酶模型。,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。,of Calixarene-Based 3Rotaxanes,或R1= R3 = 2,4-二硝基苯， R2 =H；,6106 dm3 / mol，为Ca2+离子检测提供了潜在分析试剂。,通过金属离子的结合和离去，构成“金属离子开关分子受体”。,有人归因于其预组织锥式构象,对于亲水性较强的CsCl传输速率 常数达到1.,由多个苯环构成的芳香族分子(Arene),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。,尤其是氨基在水分子识别中起正面作用。,此外，Chang 等设计合成了以下两个杯芳烃衍生物，,其原因是主客体配合物的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。,5，11，17，23-四叔丁基-25，26，27，28-四羟基杯4芳烃,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；,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)。, 7,5123, 2005,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。,杯芳烃：苯酚衍生物与甲醛反应得到的一类环状缩合物。,桥联二聚杯芳烃,杯芳烃构象,对叔丁基杯,4,芳烃,4,种可能构象,杯,6,芳烃,8,种可能构象,杯,6,芳烃,8,种可能构象,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,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。,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，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,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；,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。,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,(exo),。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。,对叔丁基杯,4,芳烃与对二甲苯形成,2:1,配合物,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 Solvent-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 dm,3,.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。,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,）,质子化脂肪胺与芳香烃负离子形成离子对,通过紫外光谱和,1,HNMR,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。,1,H NMR,确定质子转移形成离子对的平衡常数约为,5,10,4,，而由紫外光谱确定形成,内式配合物,的平衡常数为,50,65,。,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。,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。,通过,1,H NMR,研究这类分子对,酰胺分子,在,CDCl,3,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（,HCONH,2,）的键合常数高达,756 dm,3,/ 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,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-C,3,H,7,),与,水分子,形成计量比,1,：,1,配合物，稳定常数为,270 dm,3,/ mol,。而另一类似物,A,（,R = H),与水分子结合常数很弱（,Ks ,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。,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-NH,2, s-Bu-NH,2, i-Bu-NH,2, n-Bu-NH,2,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。,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 = 8,7.2.3,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。,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, 25,C,时，其与,铵离子,(NH,4,+,),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。,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,RNH,3,+,在,CDCl,3,-,CD,3,OD,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-NH,3,+, n-Bu-NH,3,+, i-Bu-NH,3,+,通过,-NH,3,+,与冠醚间的氢键作用,无选择性,地形成配合物，而与,i-Pr-NH,3,+,、,s-Bu-NH,3,+,和,t-Bu-NH,3,+,无配位作用。,而酚羟基被取代后，如,R=,CH,3,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-NH,3,+,形成,1:1,配合物稳定常数分别为,86 dm,3,.mol,-1,和,83 dm,3,.mol,-1,.,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,酚蓝电荷分离的激发态,，静电相互作用在此起重要作用。,(,稳定常数为,5.610,2,dm,3,.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,2.0,10,5,dm,3,.mol,-1,),Arena,等采用,1,H 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,这两种杯芳烃固定为,锥式,构象，其中,前者,选择性键合,TMA,的,Me,3,N,+,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,Me,3,N,+,基团,后者也选择性识别,BTMAN,的,Me,3,N,+,基团,。其中后者给出更高的稳定性,.,A,B,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,Izatt,等最早报道对叔丁基杯,n,芳烃（,n = 4, 6, 8),对,Li,+, Na,+, K,+, Rb,+, Cs,+,和,Ba,2+,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,源相,离子直径,/nm,对叔丁基杯芳烃,对新戊基杯芳烃,4,6,8,4,8,LiOH,0.152,10,2,NaOH,0.204,2,22,9,3,10,KOH,0.276, 0.7,13,10,1,23,RbOH,0.304,6,71,340,12,111,CsOH,0.340,260,810,996,414,92,Ba(OH),2,0.270,1.6,3.2,杯芳烃对碱性溶液中阳离子的迁移,（,mol.S,-1,/m,2,10,8,）,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.,Proposed structure for the 35,Cs,+,complex,C,3v,-,C,3v,interconversion,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。,因此它们有可能在碱金属离子的配位萃取中有重要应用。,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,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,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,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,Ca,2+,和,Ba,2+,的萃取率也分别达到,5.3-6.4 %,和,9.2,17.9,.,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,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,（, Sr,2+, Ba,2+, Mg,2+,，与,CaCl,2,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。,Kubo,等曾报道生色杯,4,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,Ca,2+,离子的灵敏度远远大于,Na,+, K,+, Mg,2+,.,IR,和,NMR,研究发现,Ca,2+,离子可以包结到,OCH,2,CO,2,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,7.6,10,6,dm,3,/ mol,，,为,Ca,2+,离子检测提供了潜在分析试剂,。,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。,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,的冠醚配位能力最强。,R = CH,3,主体分子自身为,“锥式”,构象，配位后转变为“半锥式”构象,.,当,R= CH,2,CH,3,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,1.2,10,4,高于,R,为甲基的情况,.,1,3-,交替构象,(n=3, R = H, R= i-C,3,H,7,),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,.,Shinkai,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,+,= 10,5.0,-10,5.3,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,+,= 3,10,4.,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,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。,Kim,合成了,1,，,3,交替式杯,4,双冠醚，其与碱金属离子的结合常数,lgK,s,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。,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,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, 120a,对,Fe,3+, Cu,2+, Zn,2+,和,Pb,2+,均表现良好选择性。,120a,即使在,pH = 2.2,时仍表现对,Fe,3+,离子的高效选择性。,119b, 120b,对,Fe,3+, Cu,2+, Pd,2+,表现良好选择性。,119c, 120c,对,Pb,2+, Pt,4+,表现选择性萃取。,Vural,合成了下缘修饰 对叔丁基杯,6,芳烃，研究其对,Fe,3+,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。,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,+, Ba,2+, Tl,+, Zn,2+, Hg,2+, Cu,2+,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,.,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,Hg,2+,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。,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,Pt,4+, Pb,2+, Ru,2+,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,.,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。,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,HSO,4,-,，也不干扰化合物,A,对,H,2,PO,4,-,的识别,.,识别顺序：,H,2,PO,4,-, HSO,4,-,Cl,-,A,B,C,B,对阴离子没有选择性，而,C,的选择性与,A,相似。,下面仍是,Beer,等的工作，上缘取代基位二茂钴。,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：,CH,3,CO,2,-, PhCO,2,-, PhCH,2,CO,2,-,C,10,H,17,CO,2,-,H,2,PO,4,-, NO,3,-, Cl,-, HSO,4,-,Br,-,.,化合物,142a,对阴离子的配位选择性顺序为,CH,3,CO,2,-, PhCH,2,CO,2,-, PhCO,2,-,-NfCO,2,-,H,2,PO,4,-,Cl,-, Br,-, NO,3,-, HSO,4,-,.,异构体,142b,的选择性顺序则不同，为,H,2,PO,4,-, PhCH,2,CO,2,-, CH,3,CO,2,-,PhCO,2,-, -NfCO,2,-,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。,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,H,2,PO,4,-,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,HSO,4,-,和,Cl,-,存在下，,a,仍能够选择感应,H,2,PO,4,-,。,a n = 0,b n = 1,这类化合物表现出与前面化合物相似的性质，与,H,2,PO,4,-,的结合常数位,4400 dm,3,/mol,而与氯仅为,80 dm,3,/mol,。,Cl,-, Br,-, CN,-,I,-,SCN,-,（,146,）,Cl,-, Br,-, CH,3,CO,2,-, HSO,4,-, H,2,PO,4,-,（,147,）,HSO,4,-, H,2,PO,4,-, CH,3,CO,2,-, Cl,-, Br,-,（,148,）,醌氧与阴离子氢形成氢键,两个杯芳烃均对,HSO,4,-,有较高选择性，,前者与,HSO,4,-,稳定常数,4455 dm,3,/ mol,高于,F,-, PF,6,-,。,后者对,HSO,4,-,的选择性是,Cl,-, NO,3,-,的,100,倍。,R = -CH,2,CH,2,NHC(O)Me,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,H,2,PO,4,-,前者与,H,2,PO,4,-,稳定常数,3900 dm,3,/mol,与,Cl,-, HSO,4,-,ClO,4,-,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,1.2,10,-7,mol.m,-2,.s,-1,7.2.3,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。,Taniguchi,和,Nomura,合成了下面结构的杯芳烃,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,催化剂,苯酚,/,催化剂（摩尔比）,时间,/h,产率（）,159,35,2,100,聚乙二醇醚,5.8,3,80,四丁基氯化铵,4.8,20,100,无催化剂,20,30,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,CHCl,3,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,。,Shinkai,等制备了具有类似结构的杯芳烃，将上缘,-C(CH,3,),3,换为亲酯性更高的,-C(CH,3,),2,CH,2,CH,3,，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。,-OCH,2,CH,3,-C(CH,3,),2,CH,2,CH,3,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，化合物使催化反应速率比没有催化剂时提高了,1.5,倍到,2,倍。,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。,Single-Site Catalysis by Bimetallic Zinc,Calixarene Inclusion Complexes,Org. Lett., 7,5123,2005,L-,乳酸的开环聚合反应,高的分子量，低的分散度,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。,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,。,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。,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,）,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,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,Ba,2+,后，可使反应加速,100,万倍以上，效率与,转酰化酶,相当。,其原因是主客体配合物的,Ba,2+,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,Ba,2+,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：,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,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。,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,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,7.3,杯芳烃为受体的超分子组装,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).,A1,和,A2,是两种典型的分子“胶囊”。,前者有直径为,0.7 nm,的接近球形的空腔，内部容积,0.2 nm,3,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,1,H,NMR,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 nm,3,，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,5.6,10,3,dm,3,/mol 1.9,10,5,dm,3,/mol,。,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。,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。,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),两种异构形式。,CDCl,3,中的,1,HNMR,研究表明两者之间的比例为,5,：,1,。,A8,比,A7,有更大的扭曲度。,加入三氟甲磺酸可使氢键组装体解聚,化合物,169,和,170,构筑的“分子箱”（单层结构）,其在空间能量转移和电子传递方面有潜在应用前景。,Reinhoult,等将三聚氰胺和巴比妥酸分别引入杯芳烃，通过氢键相互作用构筑了大尺寸的,分子箱聚集体,。化合物,169,和,170,构筑拥有,6,个杯芳烃单元的“双玫瑰花饰”结构高级有序组装体，两层聚集体间距离,0.85 nm,，接近一个杯芳烃高度，说明杯芳烃端口未指向聚集体中心，而是采取下垂方式。,“,金属开关”分子受体,Murakami,和,Shinkai,合成了一种杯芳烃,171:,杯芳烃平台具有一氢键受体部位，近旁有一离子载体部位。,通过金属离子的结合和离去，构成“,金属离子开关分子受体,”。金属离子的作用是打开受体部位的启动器，氢键在识别中起关键作用。,其在分子器件领域具有潜在应用前景,Shinkai,等在杯芳烃上缘引入氮杂冠醚，下缘引入开链冠醚，形成具有,1,，,3,交替构象的杯,4,，构成分子“注射器”。源于氮杂冠醚对金属离子的选择性结合。,分子注射器,如：,Ag,+,与氮杂冠醚有较好的配位结合能力，从空腔解离速度很满，而氮杂冠醚中的氮质子化后，,Ag,+,通过基于,1,，,3,交替杯,4,芳烃的,作用的通道被挤压到开链冠醚端，在这一端的配合物解离速度很快。反之亦然。,这种分子体系也是潜在的分子（离子）开关。,具有螺旋形的,隧道结构,的杯芳烃超分子组装体,Atwood,等合成了具有特殊结构的两亲性的对磺酸基杯,4,芳烃钠盐。相邻杯芳烃苯环间范德华力的作用，使有机层间自组装形成,堆积,的二维双层网络结构。当加入稀土金属离子和氧化吡啶后，可继续自组织堆积，形成纳米结构的球形和螺旋形的隧道结构。,氧杂杯,3,芳烃,C,60,结合物在乙腈中的三种可能自组装形式,Shinkai,等将,C,60,通过共价键连接到氧杂杯,3,芳烃（,173,）。,CDCl,3,中,173,以游离形式存在，而在,CDCl,3,/CD,3,CN,（,1:1), 173,以分子内组装体形式存在，,C,60,坐落于杯芳烃开口出。,173,在溶液中的存在形式取决于溶剂类型。,索烃,A10,的合成过程,黎占亭等开展了利用,1,，,3,联吡啶修饰杯,4,芳烃和冠醚，通过, 堆积构筑索烃的研究工作。杯,4,与冠醚组装后得到,10,的索烃,A10,。 杯芳烃构象固定为 “,1,，,3,交替”式构象。如在酚羟基引入丙基,则固定为锥式构象,.,杯芳烃索烃与轮烷,杯芳烃冠醚构筑,2,索烃,索烃的形成能在一定程度上固定杯芳烃的某种构象,轮烷的合成,通过杯芳烃与某些客体分子的尺寸效应，将杯芳烃内部键合点用于构筑,内锁超分子,体系。下面的索烃是,Pochini,等合成的首例杯芳烃轮烷。,Stereoprogrammed Direct Synthesis,of Calixarene-Based 3Rotaxanes,Org. Lett., 14, 3104, 2012,(H,H)-5 (top),和,(T,T)-7 (bottom),(H,H)-8 / (H,T) = 6/4,(H,H)-8 and (H,T)-8,(0.00 and 0.72 kcal/mol),(H,H)-9: (H,T)-9:,(T,T)-9 = 55:25:20,Relative energy 0.00, 0.54, and 0.76 kcal/mol,孔状单层膜的组装示意图,杯芳烃自组装膜,杯芳烃上缘有,-S-S-,基团，下缘拥有长脂肪链，在气水表面可以组装形成单分子膜，当紫外光照射时，,-S-S-,断裂和交连，稳定了膜的存在。,利用杯芳烃的膜可以进行离子传输和分子识别。也有人利用杯,4,芳烃组装形成稳定膜，展示高的二阶非线性光学性能。,