超分子化学葫芦脲

8. 3 葫芦脲合成
苷脲 葫芦脲的合成路线
Day 等详细研究了酸催化合成葫芦[5～10]脲中的反应 机理以及酸的类型、酸的浓度、反应物浓度、反应温度 等对产物分配的影响。
结果表明，H2SO4 最有利于葫芦[6]脲的生成，其次是 TsOH 和HCl，随着H2SO4 浓度的降低，葫芦[6]脲在产物 中的比例降低。而以HCl 催化时，最佳反应温度是100℃。
葫芦脲具有刚性结构，能够与分子和离子形成高选 择性和稳定性的配合物，从而在超分子化学中有着极其 重要的应用。全羟基化葫芦[6]脲的尺寸与葫芦[6]脲相当， 可以溶于DMSO、DMF 等溶剂，最重要的是羟基可以进 一步衍生化，而具有巨大的应用潜力。
8.5 葫芦脲的分子识别
葫芦脲是一类拥有内腔的大环穴状配体， 其疏水内腔和由极性羰基基团形成的端口，使 其具有极强的高度专一的主—客体键合能力。
Mock和Shil等进一步详细研究了葫芦脲与各类脂肪铵离 子在酸性溶液（甲酸溶液）中的相互作用，可通过1H-NMR 和紫外光谱监测。
如：向异丁基胺（(CH3)2CHCH2NH2的稀甲酸溶液中加入 葫芦脲，导致脂肪胺甲基质子谱的减弱，伴随着另一个两重 峰的出现，推测配合物计量比为1：1。
葫芦[6]脲与各类胺配合物的离解常数
1981 年Freeman 等重新研究此反应，得到了一种无色晶状 化合物，由X-射线衍射分析，确定其结构为(C6H6N4O2)6。它 是一种具有空腔的桶状大环，顶部和底部两端为羰基氧。因其 形状酷似葫芦(Cucurbitaceae)，故Freeman 等提议用葫芦脲 (Cucurbituril，简称CB) 命名这种大环化合物，由于其系统命 名太复杂，该俗名目前已被学术界广泛接受和使用。
超分子化学葫芦脲
葫芦脲类主体物质
葫芦脲的分子填充模型及传统木桶外型的类比
8.1 葫芦脲结构
8.2 葫芦脲的发现
1905 年Behrend （德国）等利用甲醛和苷脲(尿素和乙二醛 的缩合物) 在酸性条件下缩合成环制得一种新的大环化合物,当 时分析结果确定结构为:C10H11N7O4.2H2O，后来发现其为错误 结果。 但是该化合物对强酸、强碱均十分稳定。 尽管未确定 其结构,他仍制备了一系列的金属加合物,元素分析结果表明得 到了水合物。
X-射线晶体衍射图证实羟基位于葫芦脲骨架结构的外围 该反应机理目前还不十分清楚.但有人提出了过硫酸钾 氧化机理：缓慢释放出H2O2.
提纯：丙酮扩散，重结晶 采用类似的方法可以得到葫芦[5,7,8]脲的衍生物。
化合物7 在NaH 的存在下与烯丙基溴化物反应得到烷 基化衍生物8，而8 可继续与硫醇反应得到10，7 也可以 与丙酸酐在三乙胺的作用下得到酰基化衍生物9。
葫芦[n]脲结构稳定性比较
固态葫芦脲具有很高的热稳定性，葫芦[5, 6, 8]脲加 热到420℃仍不分解，而葫芦[8]脲在HCl 中100℃下持续 加热会转化为较小的葫芦脲。
通过环张力能计算，发现葫芦[6]脲最稳定，葫芦[7] 脲略差一些 (环张力能约4.2 kJ/mol)，而葫芦[5, 8] 脲则 要差的多 (环张力能<25.2 kJ/mol)。
Mock对葫芦[6]脲作为合成受体键合客体分 子的性质进行了广泛的研究。由于葫芦脲同系 物空腔和端口尺寸随着缩合数的增大而增大， 从而可以键合各种大小不同的分子和离子。Leabharlann 8.5.1 脂肪铵离子的识别
Freeman报道，酸性溶液，加入一倍量的葫芦[6]脲可以 使脂肪胺的甲基质子信号移向高场0.6-1.0 ppm,说明两者形 成配合物。其中脂肪胺的阳离子端与葫芦脲的羰基偶极的负 端键合，而输水客体端基则穿入空腔，相对于溶剂酸性水环 境而言，葫芦脲空腔为质子屏蔽区，因此位于内腔的质子呈 现较大的化学位移变化。这归因于主体分子12脲羰基的磁各 向异性。
葫芦[n]脲结构参数比较
葫芦脲水溶性
CB[n] with odd n (n = 5, 7) are nicely soluble in neutral water whereas CB[n] with even n (n = 6, 8, 10) are poorly soluble. Fortunately, CB[n] exhibit good aqueous solubility under acidic conditions or in the presence of certain metal cations (e.g. Na2SO4) and many CB[n] guest complexes exhibit good solubility in water
Synthesis of CB[6] and CB[n] homologues Chem. Commun., 2009, 619–629
Synthesis of free CB[10]
葫芦[n]脲的直接衍生化
由于葫芦脲的高度稳定性，其衍生化一直是一个悬而未 决的问题。
2003 年Kim 等在85℃水溶液中用K2S2O8 将葫芦[6]脲处 理 6 hrs，结晶得到了全羟基化葫芦[6]脲，收率45％，可 与铂离子成络合物。这是第一次实现葫芦脲的直接官能团 化，从而使葫芦脲进一步衍生化成为可能，且该葫芦脲衍 生物具有良好的溶解性，大大扩展了葫芦脲的应用前景。
寡聚葫芦脲合成
Pathway to CB[6] involving stepwise addition of glycoluril monomer 1
Step-growth
cyclo-
oligomerization route to
ns-CB[n]
8. 4 葫芦[6]脲晶体结构及其结构参数
Chem. Commun., 2009, 619–629
(a) Structure of the CB[6].9n=6 complex, and (b) plot of log Ka versus chain length for 9n.
(9n = H3N(CH2)nNH3)
从上表看出：