有机化学课程专题讲座--还蕃化学

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,*,环蕃化学,Cyclophane,Chemistry,有机化学课程专题讲座,第一节 环蕃化合物的定义、命名和结构,第二节 小环环蕃化合物的合成,第三节 小环环蕃化合物的化学性质,第四节 四氮杂环蕃的合成,第五节 四氮杂环蕃酶催化作用的模拟,第一节 环蕃化合物的定义、命名和结构,1.1,环蕃化合物的定义和命名,环蕃,(,Cyclophane,简称,CP ),最初的定义是指桥联的苯环化合物,。,2.2 (1,4),环蕃 ,2.2 (1,4),Cyclophane,环蕃(,Cyclophane,),化合物,环蕃(,Cyclophane,),化合物,2.2 (1,2),环蕃,(2.2(1,2)CP,）,2.2 (1,4),环蕃,(2.2(1,4)CP,）,syn,- 2.2 (1,3),环蕃,（,2.2(1,3)CP,）,anti,- 2.2 (1,3),环蕃,（,2.2(1,3)CP,）,环蕃,(,Cyclophane,),化合物的命名,名称中，方括号里的数字分别表示每个桥上的原子数，,圆括号里的数字表示芳环上的取代位置。,有的环蕃化合物存在顺反异构体。,三层结构的环蕃,环蕃,(,Cyclophane,),化合物的命名,2,6, (1,2,3,4,5,6),环蕃,连接苯环的桥的数目可以是2个，也可以是3,-,6个。,如果,环蕃,分子中每个桥的原子数相同，可以表示为,Mn,，,其中,M,代表桥原子数，,n,代表桥的个数。,桥联的苯环可以是两个，也可以是多个。,除桥联苯环外，还有桥联,的,杂环非苯芳香族化合物,。,2.2(2,5),呋喃环蕃,2.2(2,5),噻吩对环蕃,环蕃,(,Cyclophane,),化合物的命名,2.2,(1,4),环蕃（,2.2(1,4)CP,）,1,8,22,29,-,四氮杂,8.1.8.1,对环蕃,(,CP,66,),根据分子内空腔的大小，环蕃化合物可分为小环环蕃和大环,环蕃。,桥原子除碳原子以外，也可以是其它杂原子，常见的有,N,、,S,、,O,等杂原子。,1. 2,环蕃化合物的结构特征,小环环蕃的结构特征之一,：小环环蕃两个苯环的,电子体系互相重叠交盖，形成一个新的完整的,电子体系，即小环环蕃有一种,跨环电子效应,。,2.2 (1,4),环蕃,Side profile views of 2,2,(1,4)cyclophane, as determined by single crystal, x-ray analysis,(,Bickelhaupt, F.,Pure,Appl,. Chem., 1990, 62:373),.,小环环蕃的结构特征之二：小环环蕃的苯环不同程度地发生了变形,。由单晶,射线分析证实，,2.2(1,4),环蕃分子中，两个苯环不再保持平面构型，而变成船式构象。,1,8,22,29-,四氮杂,8.1.8.1,对环蕃,(,CP,66,),大环环蕃的结构特征：,大环环蕃化合物分子中有相当大小的分子内空腔。这个结构特征给予大环环蕃一个显著而重要的性质，即一个外来的分子能够进入大环环蕃的分子内空腔而形成一个包结络合物，从而使大环环蕃具有酶的某些性质。,第二节 小环环蕃化合物的合成,2.1,Wurtz,合成法,Wurtz,偶合反应是用于制备环蕃化合物最早的方法。例如,Cram,等合成的,2.2(1,4),环蕃,：,原子利用率不高。,CH,3,CH,2,CH,2,N,+,(CH,3,),3,OH,-,CH,3,CH = CH,2,+ N(CH,3,),3,+H,2,O,2.2,Hofmann,消除法,Hofmann,类型的,1,6-,消除反应广泛用于各种环蕃化合物的合成。,Multilayered,cyclophanes, with up to six layers, have been prepared and show considerable -electron delocalization throughout the molecule .,2.3,二卤代烃与二硫醇偶合法,二卤代烃与二硫醇在碱的作用下偶合环化，可以得到二硫杂环蕃，二硫杂环蕃脱硫转变为环蕃化合物，是合成环蕃化合物的一种简便方法。,这一方法也可以用来合成多桥联的硫杂环蕃：,2.4,环加成法,具有,6,桥联结构的环蕃化合物,(1,2,3,4,5,6),环蕃经过,10,步反应合成成功：,总收率为4,第三节,小环环蕃化合物的化学性质,3.1,环张力和桥的自由基裂解,2,n,环蕃的许多化学性质是与张力能的作用有关的。,3.2,Diels,-Alder,反应,一般的苯环是不能作为双烯体系与亲双烯体系发生,Diels,-Alder,反应的，而2,n,环蕃化合物中的苯环却可以作为双烯体系发生,Diels,-Alder,反应，反应的结果使环蕃的环张力减小。,3.3,亲电取代反应,Cram,等人对2.2(1,4)环蕃的反应做了广泛的研究，发现一些典型的亲电取代反应，如溴化、硝化、,Friedel,-Crafts,酰化反应都容易发生。,3.4 还原反应,Cram,等人发现，2.2(1,4),CP,催化加,氢非常容易，可以在室温下进行：,2.2环蕃的,Birch,还原反应也非常容易发生。2.2(1,4)环蕃的,Brich,还原产物具有交叉二烯结构：,实验发现，即使使用过量的环蕃化合物，也很难得到只有一个苯环被部分还原的,Birch,产物。这些都说明，环蕃是作为一个完整的,电子体系发生反应的。,3.5,卡宾加成,2,n,环蕃化合物,用重氮甲烷处理，可发生卡宾加成反应。,Cram,等人发现,2.2(1,4),环蕃容易与六羰基铬作用生成络合物：,3.6,过渡金属络合物,Bennett,等人制备得到多种环蕃,-,钌络合物：,环蕃金属聚合物,这样的络合物出现后，人们试图以环蕃作为单体，用过渡金属络合，得到一种环蕃聚合物。但实验发现，两分子的环蕃金属络合物容易得到，而三分子以及三分子以上的环蕃络合物不容易得到。,The preparation of,cyclophane,-metal complexes.,环蕃金属聚合物的合成路线,The synthesis of,tetraazacyclophanes,Macrocyclic,tetraazacyclophane,is a unique class of compounds found in the studies of host-guest chemistry. A considerable variation of,cyclophane,s structure makes it easy to prepare modified,macrocyclic,host molecules for very specific interaction with certain guest molecules.,1,8,22,29,-,tetraaza,8.1.8.1,paracyclophane(,CP,66,),The modification to these compounds, e.g., adjustment of the,macroring,s shape and size or introduction of active groups may provide ideal model for enzyme-like catalysis.,第四节 四氮杂环蕃的合成,4.1,四氮杂环蕃化合物,(,CPnn,),的合成,6,L,的三口烧瓶，,DMF 4.5 L,、,碳酸钾,0.4,mol,、,1,6,-,二溴己烷,0.1,mol,、,N,N,-,二对,甲苯磺酰基,-,4,4,-,二氨基二苯甲烷,0.1,mol,，,室温搅拌,72,h,。,两步产率,34.8,。,CP66,的,1,H NMR,和,13,C NMR,实验,数据：,1,H NMR(,),:,6.92,-,6.48 (q,16H,芳环,H),3.74 (s,4H, 2ArCH,2,Ar),3.07 (t,8H, 4NCH,2,), 1.58(m，8H，4 NC-CH,2,)，1.39 (m，8H，4NC-C-CH,2,)。,13,C NMR (,)：146.5(C-9)，130.8(C-11)，129.5(C-12)，112.9(C-10)，43.9(C-2)，40.1(C-15)，29.1 (C-3)，26.4(C-4)。,High dilution techniques,Macrocycle,synthesis reactions carried out at high dilution,favour cyclization,over polymerization and can produce high yields of,macrocyclic,products.,Scheme 2.1,Cryptands,are synthesized using high dilution techniques.,At high concentration polymerization reactions dominate. The probability of a molecule meeting a second molecule decreases as the concentration decreases; therefore, the more dilute the solution, the better the ratio of,macrocycle,to polymer. The high dilution method is used in the synthesis of,macrocyclic,compounds. Typical high dilution reactions involve milligrams or tens of milligrams of reactants in solvent volumes of the order of,litres,.,In a typical high dilution synthesis, solutions of each component are slowly added,dropwise,to a large volume of solvent, keeping the concentration of the intermediate low.,High dilution techniques:,4.2 四氮杂环蕃化合物的修饰,二茂铁磺酰基四氮杂对环蕃的合成,环蕃仿酶体系中引进了二茂铁磺酰基，通过对环蕃化合物的修饰，实现其对底物的多部位包结和多重识别，更好地模拟酶的识别和催化功能，提供高效率和高选择性的桥联环蕃模拟酶新模型。,The synthesis of,ferrocenesulfonyl,tetraazacyclophanes,4.3,桥联四氮杂环蕃的合成,Shi Zhen,Synthetic Communications, 1997, 27 (13): 22352239,Synthesis of,dibridged,macrocyclic,tetraazacyclophanes,具有网状桥联结构的四氮杂环蕃化合物,Shi Zhen,2nd International Symposium on,Macrocyclic,Ligands,for the Design of New Materials, Argentina, 1994,8. 29-9.1,新型桥联仿酶环蕃化合物的合成,Synthesis of new bridged,tetraazacyclophanes,桥联仿酶环蕃化合物的合成路线,桥联仿酶环蕃化合物的合成路线,4.4,立方形环蕃,的合成,Urushigawa,T.I.,Yoshino,T,.,Bull.Chem.Soc.,Jpn,., 1971,44: 2546,第五节 四氮杂环蕃酶催化作用的模拟,水溶性四氮杂环蕃分子中的两个苯环和亚甲基可以形成疏水的空腔,.,5.1,四氮杂环蕃的包合作用,酶催化反应具有极高的效率和高度的选择性。酶催化作用的模拟，是一个富有挑战性的研究领域，激发着化学家尤其是生物有机化学家浓厚的兴趣。,Computer-optimized structure of the cyclophane(CP66),Computer-optimized structure of the cyclophane(CP66) and most probable inclusion complex geometry(B),(,C) with naphthalene as representative substrate for,pseudoequatorial,inclusion.,CP,44,的均四甲苯包结物的晶体结构,Cyclophane,binds,apolar,guests such as 1,2,4,5-,tetramethylbenzene,(,durene,),The first example of,inclution,within a,cyclophane,cavity was obtained by Koga and co-workers.,Durene,was deeply included within the,cyclophane,cavity. Binding studies were carried out in acidic aqueous solution.,四甲基,-2,11,20,29-,四氮杂,3.3.3.3,对环蕃与有机分子，如苯、氯仿、二氯甲烷等可以形成,1:1,的固体主,-,客络合物,.,立方环蕃可以与有机溶剂分子，例如氯仿和苯形成稳定的,1:1,的主,-,客络合物。与氯仿形成的络合物很稳定，在,100,/13.33,Pa,条件下加热,4,h,，,氯仿也不挥,发。,Diederich,等人合成了环蕃型的水溶性大环主体，可以对稠环芳烃作选择性分离，具有分子识别能力,:,无苯合成时产率仅为,4,，苯存在时为,23,。影响产率的原因是苯可以形成包结物，对合成具有模板效应。,催化苯基丙酮酸转变为相应的,-,氨基酸的反应速度是吡哆胺的,31,倍，对疏水性较强的苯基丙酮酸有选择性，催化活性比相应的,-CD,还高。,5.2,环蕃化合物的酶模拟,环蕃化合物的酶模拟,环蕃化合物在模拟转氨酶、细胞色素,P-450,酶等方面的研究工作也有报道，已经成功地对这些酶进行了部分模拟，显示出了比较好的催化活性。,胰凝乳蛋白酶是哺乳类动物胰腺分泌的一种蛋白水解酶，环蕃模拟胰凝乳蛋白酶的研究已有报道。,一些功能化的环蕃化合物可以使酯的水解得到加速，实现了酶催化酯水解过程的模拟。,一些环蕃化合物在水溶液中，可以形成维生素,B,12,全酶模型，加快反应速度。,参考文献,1.Bickelhaupt,F.,Pure,Appl,. Chem., 1990, 62:373,2.Schneider, H.J,.,Angew,. Chem. Int. Ed. Engl., 1991,30:1417,3.Urushigawa,T.I.,Yoshino,T.,Bull.Chem.Soc,.,Jpn,., 1971,44: 2546,4.Odashima,K.,Itai,A.,Iitaka,Y.,J. Am. Chem. Soc., 1980,102: 2504,2505,5Murakami,Y.,Kikuchi, J.,Pure and,Appl,. Chem. Soc., 1980, 60: 549,554,6.Diederich,F.,J. Chem. 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