74568-07-3/杯[4]芳烴的制備

背景及概述^[1][2]

杯[4]芳烴作為第三代超分子主體一員，由苯酚單元與甲醛縮合而成的大環(huán)環(huán)狀化合物具有空腔可調(diào)、構(gòu)象可變、結(jié)構(gòu)易修飾、合成較方便等優(yōu)點，通過氫鍵、靜電作用、分子作用力、π－π堆積等非共價鍵作用（超分子作用）來識別客體分子。杯[4]芳烴基超分子凝膠引起人們的廣泛關(guān)注，用該凝膠制備了多種刺激響應(yīng)性凝膠體系。

杯[4]芳烴具有離子和中性分子易絡(luò)合的疏水空腔，也有溶解性差、構(gòu)象不穩(wěn)定等缺點。為了改善不足，研究人員將其下沿酚羥基和上沿的叔丁基進(jìn)行選擇性衍生反應(yīng)，合成具有特定分子結(jié)構(gòu)的功能性杯[4]芳烴衍生物。

目前在杯[4]芳烴衍生基團(tuán)有席夫堿[4]、酰胺［5］、醚［6］、鹵素［7］等，該類衍生物具有較好的絡(luò)合能力。膽固醇具有較大骨架，多手性中心，強的堆積能力，合成含膽固醇的杯[4]芳烴衍生物能夠使杯[4]芳烴構(gòu)象穩(wěn)定，能很好地應(yīng)用于分子識別和超分子化學(xué)組裝的研究領(lǐng)域。超分子凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成基于多種驅(qū)動力，其中杯[4]芳烴基超分子凝膠的形成主要源于金屬離子、酸、有機分子、膽固醇片段，主客體作用等。

性質(zhì)優(yōu)點^[3]

對冠醚和環(huán)糊精而言，以杯[4]芳烴為主體的第三代超分子體系主要有以下優(yōu)勢：

(1)其合成的原材料價廉易得，且合成比較簡單，目前已有多種類化合物應(yīng)用于醫(yī)學(xué)治療上。同時調(diào)控反應(yīng)條件，可制備得含n(n=4~20)個結(jié)構(gòu)單元苯環(huán)的對叔丁基杯[4]芳烴，還具有比較大的自由度；

(2)杯芳烴的酚羥基、苯環(huán)對位以及苯環(huán)單元之間的亞甲基均可引入所需官能團(tuán)，進(jìn)行改性，對其絡(luò)合能力、水溶性、模擬酶活力有一定的改善；

(3)低毒性、熱穩(wěn)定性好、化學(xué)穩(wěn)定性好、熔點高；

(4)因其獨特的憎水水性空腔結(jié)構(gòu)，能與中性分子（氯仿、甲醇、吡啶等）、金屬離子（Yb3+、UO22+、Th2+、Eu3+等）等作用形成主-客體包合物，這應(yīng)用于分離和純化方面起著重要作用；

(5)和環(huán)糊精的空穴結(jié)構(gòu)相比，杯芳烴具有構(gòu)象自由的性質(zhì)，可利用調(diào)整合成反應(yīng)條件和引入適當(dāng)?shù)墓δ軋F(tuán)，固定所需構(gòu)象的杯芳烴。

對杯[4]芳烴是以多個亞甲基相連的苯酚單位，因起橋梁作用的亞甲基可旋轉(zhuǎn)，所以在杯[4]芳烴中存在著多個構(gòu)象異構(gòu)體，其對分子識別方面有著重大的意義，且杯[4]芳烴的構(gòu)象異構(gòu)體個數(shù)與苯環(huán)數(shù)有關(guān)：2/nM=2，其中，M為構(gòu)象數(shù)量，n為苯環(huán)的數(shù)量。對對叔丁基杯[4]芳烴而言，它有四種不同的構(gòu)象體，如圖1-3（a、b、c、d）所示，分別是錐式(cone)、半錐式(partialcone)、1,2-交替式(1,2-alternate)和1,3-交替式(1,3-alternate)。

因?qū)κ宥』璠4]芳烴主要有4種不同的構(gòu)象體，當(dāng)在羥基位置引入的官能團(tuán)足夠大時，由于整個分子體系的空間位阻作用，使得苯環(huán)單元不能自由的翻轉(zhuǎn)，從而得固定構(gòu)象的對叔丁基杯芳烴。

制備^[2]

第三代超分子聚合物杯芳烴結(jié)構(gòu)是苯酚單元和亞甲基鏈接，其命名較為復(fù)雜，是在“杯”(calix)和“芳烴”(arene)中間插入“[n]”，其中[n]代表化合物中苯環(huán)單元數(shù)量，如圖所示：

自杯芳烴這類超分子環(huán)聚物出現(xiàn)以后，杯芳烴的應(yīng)用越來越受到學(xué)者的關(guān)注，到目前為止，杯芳烴被認(rèn)可的主要合成方法為以下三種：一步合成法、逐步合成法和片斷縮合法。

1.一步合成法

這一方法是至今應(yīng)用最為廣泛的一種，最開始是由Zinke等首創(chuàng)，后經(jīng)Gutsche等對該合成方法進(jìn)行了大量的試驗并改進(jìn)。在不同比例的催化劑（強堿）作用下，酚醛一步縮合生成杯芳烴的方法為一步合成法。杯[n]芳烴（n=4、6、8）的合成已有不少的文獻(xiàn)報道，合成產(chǎn)率較高、方法簡單。如若將該方法應(yīng)用于合成以苯酚為單元個數(shù)為奇數(shù)的杯[n]芳烴，會限制得到有特殊基團(tuán)的杯芳烴。

2.片段縮合法

德國學(xué)者Bohmer在合成杯芳烴的多步合成法基礎(chǔ)上多次研究，總結(jié)得出片段合成法，指片段與片段之間結(jié)合而成杯芳烴，減少了多步合成的步驟。已有文獻(xiàn)報道的片段縮合反應(yīng)有“2+2×2”、“4×l”、“2×1+2×1”、“3+1”、“2+2”等方法。。該法的產(chǎn)率也是比較低的，現(xiàn)只是應(yīng)用于一些特殊結(jié)構(gòu)的杯芳烴類化合物。

3.逐步合成法

Hunter和Hayes最開始對對甲基苯酚鹵化、多次的羥甲基化和脫鹵化的對甲基杯[4]芳烴，反應(yīng)步驟多，這種由化合物片段多步合成的方法稱為逐步合成法。此方法可得奇數(shù)、偶數(shù)的杯芳烴主體分子，若以不同取代基的苯酚為反應(yīng)的反應(yīng)物，最終可制備得各種取代基產(chǎn)物，但因反應(yīng)過程長而復(fù)雜導(dǎo)致產(chǎn)率極少，在實際操作中很少采用此方法。

4.杯[4]芳烴及其衍生物的合成

自Gustche改進(jìn)杯芳烴的合成方法后，杯芳烴及其衍生物得到了眾多學(xué)者的研究。特別是對其的最佳合成路線設(shè)計、分子識別、衍生化等方面進(jìn)行了深入探索。而國內(nèi)的高校及研究機構(gòu)（武漢大學(xué)、南開大學(xué)、天津大學(xué)等單位）對杯芳烴及其衍生物的研究是從九十年代后開始，均成功探究出有價值的成果。

對新型杯芳烴衍生物的合成研究是目前的一個研究熱點，表現(xiàn)在下緣的酚羥基處引入含有O、P、N、S等軟堿雜原子、酯化、醚化、苯酚單元之間亞甲基的轉(zhuǎn)換、上緣叔丁基的功能化等方面。另一個熱點是在光學(xué)、手性識別、電學(xué)、催化等方面上的應(yīng)用發(fā)展。因此，對杯芳烴進(jìn)行功能化、衍生化反應(yīng)有一定的理論研究意義，以及其在核化學(xué)、新能源等方面的應(yīng)用研究具有實際價值。

主要參考資料

[1]楊發(fā)福, 蔡秀琴, 郭紅玉, & 陳希磊. (2005). 含酰胺和席夫堿單元的杯[4]芳烴衍生物的合成與配合性能. 有機化學(xué), 25(5), 000545-548.

[2]鐘振林, & 李建森. (1998). 逐步法合成杯[4]芳烴關(guān)環(huán)反應(yīng)的改進(jìn). 高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報, 19(1), 83-85.

[3]劉順英, 王法軍, 隗蘭華, 肖旺, 孟令芝, & 何永炳. (2003). 多酰胺杯[4]芳烴中性陰離子受體的合成與識別性能. 中國科學(xué), 33(6), 504-510.