超分子化学杯芳烃_图文

7.2.1 杯芳烃分子识别的特点
•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。
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-H2)
Böhmer等合成多取代杯芳烃
三步总收率20%
拥有内外两种羟 基的杯[4]芳烃
X = O, S
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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-C3H7) 与水分子形 成计量比 1：1 配合物，稳定常数为270 dm3 / mol。而另一类似物 A（R = H) 与水分子结合常数很弱（ Ks < 10 dm3 / mol).
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。
由此推测其与水分子结合的三个必要要素为：
上缘两个氨基；
下缘取代固定构象；
上缘有大的取代基将水分子从溶液中屏蔽出来。尤其 是氨基在水分子识别中起正面作用。
此外, 还发现
化合物 C还能
与乙腈和哒嗪
等结合,表明
C
D
主客体间存在 - 相互作用.
Pochini等利用1HNMR研究了上缘为吡啶 桥联杯[4]芳烃衍生物与含有酸性C-H键的 中性分子如乙腈，硝基甲烷和丙二腈在有 机溶剂(CCl4, CHCl3)中的配位作用，配合 物计量比 1：1.
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
杯芳烃的衍生化
羟基上的修饰 R1= 2,4-二硝基苯， R2 = R3 = H； 或R1= R3 = 2,4-二硝基苯 ， R2 =H； 或R1 = R3 = H，R2 = 2,4-二硝基苯。
水溶性杯芳烃合成
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 dm3.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。
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-NH2 > s-Bu-NH2 > i-Bu-NH2 > nBu-NH2
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。
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
Gutsche等人的工作
o
o
o
o
o
o
双穴杯芳烃
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
桥联二聚杯芳烃
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
研究发现，客体中甲基和亚甲基质子与杯 芳烃配位后向高场移动，说明客体的酸性 质子与主体空腔的电子存在相互作用。
在非极性CCl4中主客体间给出更强的相互 作用。主客体间配合物稳定性随客体酸性 增加而增加，丙二腈 > 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。
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
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
片段缩合法
Böhmer 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”
采用何种方式取 决于杯芳烃结构
“2＋2” （要求：R1＝R2， R3＝R4）
片段缩合法适用于制备取代基不同的杯芳烃
2 + 2 组合方式
23-35% 亚甲基桥上有取代基
（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1HNMR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。
1H NMR 确定质子转移形成离子对的平衡常数约为5104 ，而由紫外光谱确定形成内式配合物的平衡常数为50－65 。
•杯芳烃识别作用取决于杯环大小、构象及环上取代 基性质。
7.2.2 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。
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
4
LiOH
20
NaOH
10
KOH
7
相对产率
5
6
17
63
6
84
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。
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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
杯芳烃的发现及其发展历史
•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。
•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1H NMR研究这类分子对酰胺分子在CDCl3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（ HCONH2）的键合常数高达756 dm3 / 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。
结构式
构象式
通常在酚羟基的对位有不同类型的取代基
杯[n]芳烃的结构及其位置编号及命名
杯[4]芳烃
杯[6]芳烃
杯[8]芳烃
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
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)
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。
•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”） 。
A: R= H B: R = n-C3H7
可能原因后者两个对酚羟基未被取代，其间相互作用形成分 子内氢键, 使上缘两氨基分开，难与水分子形成有效氢键；
而前者下缘羟基全部被取代，其保持锥式构象，水分子能同 时与两个氨基形成氢键, 提高了结合力。
Pinkhassik等又将金刚烷基替换为苯环 (C) ，其与水分子结 合常数为138 dm3 / mol. 若将酰氨基变换为金刚烷基 (D) ，其与水分子配位常数与A 相似。
3 + 1 组合方式
Böhmer采用（21 + 2 1） 缩合反应制备下面芳烃， 产率10% Pappalardo采用（21 + 2 1） 缩合制备下面芳烃， 产率60%
SnCl4
Böhmer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
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