新型大环芳烃的研究进展

李晶 韩莹 陈传峰

引用本文: 李晶, 韩莹, 陈传峰. 新型大环芳烃的研究进展[J]. 有机化学, 2020, 40(11): 3714-3737. doi: 10.6023/cjoc202005007 shu
Citation:  Li Jing, Han Ying, Chen Chuanfeng. Recent Advances in Novel Macrocyclic Arenes[J]. Chinese Journal of Organic Chemistry, 2020, 40(11): 3714-3737. doi: 10.6023/cjoc202005007 shu

新型大环芳烃的研究进展

    通讯作者: 陈传峰, cchen@iccas.ac.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金(Nos.91856117,21332008)资助项目

摘要: 杯芳烃、柱芳烃及其类似物均由羟基或烷氧基取代的芳环通过亚甲基或次甲基桥连而形成的大环分子,统称为大环芳烃.大环芳烃由于具有结构特殊、易于合成与衍生化、富电子空腔等特点以及其在超分子化学等领域中的广泛应用,因而一直引起人们极大的关注与兴趣,成为了最重要和研究最多的合成大环主体分子之一.近年来,随着大环与超分子化学的快速发展,除杯芳烃、柱芳烃等经典大环芳烃之外,各种不同类型的具有新颖结构的大环芳烃分子不断地被合成报道,新型大环芳烃设计构建及其功能研究也成为了大环与超分子化学中一个新的重点与热点研究课题.综述了新型大环芳烃的研究进展,重点介绍过去十余年尤其是近几年发展的新型大环芳烃分子合成及其性能.希望该综述能够有助于大环芳烃相关的研究工作,并促进大环芳烃化学的发展.

English

  • 自20世纪70年代底以来, 杯芳烃[1-3]由于其特殊结构、易于合成与衍生化以及在超分子化学等领域中广泛的应用, 而成为了最重要与研究最多的合成大环主体分子之一, 杯芳烃也因此被誉为继冠醚、环糊精之后的“第三代大环主体分子”. 2008年, Ogoshi等[4]报道了首例柱芳烃, 此后, 这个能够被方便地合成与衍生化以及具有特殊棱柱状结构与富电子空腔的大环分子引起了人们越来越多的关注与兴趣[5], 在分子识别与组装、生物医药以及材料科学等领域中显示出广泛的应用前景.杯芳烃、柱芳烃及其类似物大环分子由于均由烷氧基或羟基取代的芳环通过亚甲基或次甲基桥连而形成, 故而可统称为大环芳烃(macrocyclic arenes)[6].近年来, 随着大环与超分子化学的快速发展, 除杯芳烃和柱芳烃等经典大环芳烃之外, 各种不同类型、具有新颖结构的大环芳烃分子不断地被合成报道, 新型大环芳烃的设计构建及其功能与应用研究也成为了大环与超分子化学中一个新的重点与热点研究课题.

    本文将综述在过去十余年、尤其是近年来人们发展的新型大环芳烃分子(图 1), 重点介绍它们的合成方法, 并概述其结构特点以及功能与应用.内容主要包括基于苯环基元的大环芳烃、基于三蝶烯基元的大环芳烃、基于联苯基元的大环芳烃、基于咔唑基元的大环芳烃、基于萘环基元的大环芳烃以及基于蒽环基元的大环芳烃.希望本综述能够有助于大环芳烃相关的研究工作, 并促进大环芳烃化学的发展.

    图 1

    图 1.  新型大环芳烃的结构
    Figure 1.  Structures of novel macrocyclic arenes

    2013年, Stoddart课题组[7]报道了一种新的大环芳烃, 由于前体1, 2, 4, 5-四甲氧基苯(1)被称为姜甲醚, 因此将其命名为姜芳烃(Asararenes).由1出发, 通过其与甲醛在三氟化硼乙醚催化下缩合反应, 发现在80 ℃下能够以14%产率主要生成热力学控制的环[6]聚体产物; 当反应在低温下进行时, 则可同时分离得到七种环聚体, 即姜[6]~姜[12]芳烃(Scheme 1), 姜[13]~姜[15]芳烃只能通过质谱检测.通过核磁及单晶结构表征了姜芳烃大环的结构.类似于柱芳烃, 姜芳烃在分子识别与组装方面也具有潜在用途.

    图式 1

    图式 1.  姜芳烃的合成
    Scheme 1.  Synthesis of asararenes

    郑炎松等[8]将柱芳烃与四苯乙烯结合, 合成得到了四苯乙烯柱[6]芳烃(Tetraphenylethylene pillar[6]arenes, Scheme 2, a).该大环在固态下可对三硝基甲苯进行快速检测, 检测限为10-12 mol/L.同时其溶液也可用于快速检测空气中的三硝基甲苯分子.最近, 姜建壮等[9]将乙氧基柱[5]芳烃中单个桥连亚甲基锂化后与二苯甲酮发生亲核加成反应, 经脱水后得到四苯乙烯柱[5]芳烃(Tetraphenylethylene pillar[5]arene, Scheme 2, b).该大环在溶液中及固态下均与己二腈形成稳定的1:1络合物.由于该主客体单晶结构中四苯乙烯的两个外围苯环近乎垂直, 使其在固态下不具有聚集诱导发光特性.

    图式 2

    图式 2.  拓展柱[n]芳烃的合成
    Scheme 2.  Synthesis of extended pillar[n]arenes

    2016年, 杨英威等[10]通过片段缩合法以50%产率得到[2]联苯拓展柱[6]芳烃H2c (Scheme 2, c).单晶结构表明H2c呈拉伸的六边形.通过分析H2c包结甲苯与间二甲苯的晶体结构, 作者推测邻二甲苯及对二甲苯由于位阻效应不能进入大环空腔, 因此, 该大环有望用于二甲苯混合物的分离.此外, 该课题组[11]H2c出发得到水溶性联苯拓展柱[6]芳烃.荧光测试表明该水溶性大环对萘磺酸盐客体络合能力较强, 络合常数可达106 L/mol.向该大环水溶液中加入2 equiv.的2, 6-萘二磺酸钠盐, 溶液中立刻析出主客体复合物, 表明该大环可望用于水相中萘磺酸盐检测及分离.通过将H2c后修饰后与含四苯乙烯的铵盐客体掺杂可得到荧光性质的超分子聚合物[12].该超分子聚合物可实现水相中汞离子的识别与萃取, 用Na2S处理后可循环利用.

    通过间二甲氧基苯3和对二烷氧基苯4与多聚甲醛在布朗斯特酸催化下反应, Szumna等[13]以26%~53%的总产率得到一系列杂[n]芳烃(Hybrid[n]arenes, Scheme 3).根据组成基元的不同可分为[2+2]、[3+1]及[3+2]杂芳烃.此外, 作者还发现将雷琐酚大环和柱[5]芳烃混合物在布朗斯特酸催化下反应, 同样能够得到相应的杂芳烃.研究表明在酸催化下该环化反应具有可逆性, 环化反应进行的程度取决于目标大环的稳定性, 是一个热力学控制的过程.核磁共振氢谱研究结果显示多数杂芳烃具有柔性与不固定的构象结构, 杂[4]芳烃H3aH3b由于部分芳香环的旋转受阻, 因而使其具有一定的刚性, 表现为一对非对映异构体.杂[4]芳烃H3c为一对对映异构体, 但作者只得到其消旋体.

    图式 3

    图式 3.  杂[n]芳烃的合成及结构式
    Scheme 3.  Synthesis and structures of hybrid[n]arenes

    2016年, 喻国灿等[14]从杂[4]芳烃H3d出发, 合成得到一种阴离子型的水溶性杂[4]芳烃WH3d (Scheme 4), 测试了其在水中对百草枯的络合性质, 络合常数可达104 L/mol, 并且该络合过程可通过酸碱进行调控.

    图式 4

    图式 4.  水溶杂[4]芳烃的合成
    Scheme 4.  Synthesis of water-soluble hybrid[4]arene

    5出发, 在三氟乙酸催化下与多聚甲醛缩合, 能够以73%的总产率得到环四聚体与环五聚体. Cohen和Zafrani[15]命名其为杯[n]四酚芳烃(Calix[n]tetrolarene, Scheme 5).通过核磁及单晶结构研究发现, 该大环上沿具有类似连苯三酚杯芳烃的结构, 下沿具有类似杯芳烃的结构, 故而可以看作两种大环的结合体.杯芳烃及联苯三酚杯芳烃均较难得到环五聚体, 而杯[5]四酚芳烃则可以以43%的核磁产率得到.

    图式 5

    图式 5.  杯[n]四酚芳烃的合成
    Scheme 5.  Synthesis of calix[n]tetrolarenes

    2018年, 杨英威等[16]通过两步反应以36%产率得到一个柱芳烃类似物, 并称之为斜柱[6]芳烃(Leaning Pillar[6]arene, Scheme 6).密度泛函理论(DFT)计算结果表明斜柱[6]芳烃H5b的转动能垒低于柱[6]芳烃.此外静电势能计算显示斜柱[6]芳烃苯环上电荷密度分布不均, 两端由于氢键作用产生极化效应, 从而影响其主客体识别行为.值得注意的是, 通过将H5a直接氧化即可得到对应的醌化合物H5c.

    图式 6

    图式 6.  斜柱[6]芳烃的合成
    Scheme 6.  Synthesis of leaning pillar[6]arene

    该课题组[17]H5出发, 通过后修饰得到了阴离子型水溶性斜柱[6]芳烃.将该水溶性大环作为还原剂和稳定剂, 可一步得到其修饰的金纳米粒子.该纳米粒子可用作甲基联吡啶盐的检测剂, 检测限可达10-8 mol/L.此外, 该纳米粒子还可高效催化对硝基苯酚的还原氢化反应, 表观速率常数达0.156 min-1.通过将斜柱[6]芳烃与四苯乙烯等其它材料掺杂, 该课题组进一步构筑了豌豆状的具有双重刺激响应性的有机-无机杂化超分子体系[18].最近, 他们[19]将乙氧基斜柱[6]芳烃作为固体吸附材料, 用于卤代烃异构体的吸附与分离.例如:将1-溴丁烷及1-溴戊烷从其与2-溴丁烷及2-溴戊烷的混合物中分离, 分离效率高达96.3%.单晶衍射、粉末衍射及热重分析表明选择性源于主客体络合模式及稳定性的差异.基于三联吡啶衍生化的斜柱[6]芳烃, 杨英威等[20]利用主客体相互作用及金属配体配位作用正交自组装, 还构建了一种具有多重响应性的荧光超分子聚合物.该超分子聚合物经受酸、竞争性主体或者是加热等外界刺激能够发生解离, 并实现从凝胶到溶胶的转变.

    通过将对二甲氧基苯替换为间三甲氧基苯, 杨英威等[21]利用与斜柱[6]芳烃相同的合成手法得到一个新的柱芳烃类似物, 称之为双子芳烃(Geminiarene, Scheme 7).双子芳烃H6的命名源于其两种可相互转化的固态结构.主客体性质研究表明H6可与氯代环己烷形成1:4的络合物, 这有别于传统的1:1或者1:2的络合物. H6固态下有两种晶型: H6α和H6β. H6α可在固-液条件下选择性包结且分离氯代环己烷, 分离纯度可达97%. H6β可在固-气条件下选择性包结且分离氯苯, 分离纯度可达88%.研究发现H6α是热力学稳定产物, 故而利用此特性, 可通过分馏方法一次性的将氯苯及氯代环己烷分别以87%及97%的纯度从其相应的1:1混合体系中分离.

    图式 7

    图式 7.  双子芳烃的合成
    Scheme 7.  Synthesis of geminiarene

    最近, 丛欢课题组[22]将四苯乙烯与柱芳烃相结合, 通过片段缩合方法有效地得到了具有双空腔结构的领结芳烃(Bowtiearene, Scheme 8).该大环分子展现出多重刺激响应的荧光特性, 液态及固态下均可通过改变条件实现蓝光到黄光的转变.作者还进一步研究了领结芳烃的力致/气致变色性质, 发现对晶态的蓝光固体材料施加外力后该材料转为黄光, 之后将其置于二甲苯气体氛围中则可重新发出蓝光.光学性质转变的原因可归结于外界刺激导致晶态材料晶型的转变.

    图式 8

    图式 8.  领结芳烃的合成
    Scheme 8.  Synthesis of bowtiearene

    2020年, Sue和Zuilhof等[23]报道一种新的大环芳烃, 头冠[5]芳烃(Tiara[5]arene, Scheme 9).此大环无法通过甲氧基苯与多聚甲醛缩合得到, 而是先得到两端官能团不同的柱[5]芳烃衍生物9, 之后选择性地将一端官能团脱除, 从而得到外形类似皇冠的头冠[5]芳烃H8.在三溴化硼作用下可定量地得到全部脱除甲基的H8a.晶态的H8可将苯从其与环己烷体积比为1:1的混合液中分离, 分离效率高达92.3%.

    图式 9

    图式 9.  头冠[5]芳烃的合成
    Scheme 9.  Synthesis of tiara[5]arene

    三蝶烯[24-25]具有独特的刚性结构, 已在超分子化学与材料化学等领域中得到了广泛的应用.基于三蝶烯结构基元, 我们课题组[26-27]1011出发, 分别通过一锅煮或片段偶联方法得到两种杯[2]三蝶烯[2]芳烃(Calix[2]triptycene[2]arenes, Scheme 10, a), 产率为17%~25%.大环芳烃H9aH9b互为非对应异构体, 其中H9a为顺式异构体, H9b为反式异构体.变温NMR结果显示H9aH9b在溶液中均具有构象固定的特性.与传统的杯[6]芳烃相比, H9aH9b在无需引入辅助基团的情况下能够与联吡啶盐等客体形成稳定的络合物.当R为苯基时, 顺式或反式异构体大环芳烃还能够与C60及C70形成1:1的络合物, 络合常数均大于104 L/mol.

    图式 10

    图式 10.  杯[2]三蝶烯[2]芳烃的合成
    Scheme 10.  Synthesis of calix[2]triptycene[2]arenes

    按照上述类似合成方法, 通过10与1, 3-二甲氧基或1, 3-二羟基取代苯衍生物13缩合反应, 得到一系列新的杯[2]三蝶烯[2]芳烃类似物H9a'H9b' (Scheme 10, b). H9a'H9b'在溶液中也都具有构象固定的特性, 并且能够与4, 4'-联吡啶盐客体在溶液中或固态下形成1:1的稳定络合物.进一步通过主客体络合物的封端反应, 还得到一个[2]轮烷超分子组装体[28].

    我们[30-31]通过1214缩合反应得到一系列杯[1]三蝶烯[3]芳烃H10 (Calix[1]triptycene[3]arenes, Scheme 11, a), 产率为21%~25%.由二溴取代的三蝶烯衍生物15出发, 能够方便地得到二溴取代杯[1]三蝶烯[3]芳烃H10' (Scheme 11, b).叔丁基取代的大环芳烃H10经液溴于室温下处理, 高产率地得到五溴取代的杯[1]三蝶烯[3]芳烃H10'' (Scheme 11, c).溴代大环芳烃经过Suzuki-Miyaura反应, 得到一系列加深空腔结构的杯[1]三蝶烯[3]芳烃衍生物. H10及其衍生物都具有固定的构象, 并且即使在100 ℃下也不发生构象翻转.在固态下杯[1]三蝶烯[3]芳烃能够包结二氯甲烷、甲醇等有机小分子.

    图式 11

    图式 11.  杯[1]三蝶烯[3]芳烃的合成
    Scheme 11.  Synthesis of calix[1]triptycene[3]arenes

    由三蝶烯衍生物16出发, 经过两步反应, 我们[29]还方便地以20%~22%的产率得到类杯雷琐酚大环芳烃H11 (Calixresorcinarene-like host, Scheme 12).该大环芳烃为顺式异构体, 变温核磁结果表明三蝶烯基元的引入能够有效地固定其在溶液中的构象.单晶结构显示该大环在固态下能够形成胶囊状的二聚体, 并进一步组装成为管道结构, 管道中包结二氯甲烷分子.

    图式 12

    图式 12.  类杯雷琐酚主体的合成
    Scheme 12.  Synthesis of calixresorcinarene-like hosts

    2016年, 我们[32]报道了一种新型大环芳烃, 由于该大环具有类似螺母的手性结构, 因而将其命名为螺芳烃(Helicarene).首先由2, 6-二甲氧基蒽出发, 通过三步常规反应合成三蝶烯衍生物17, 然后在对甲苯磺酸催化下17经环化反应以15%的产率得到环三聚体, 最终通过脱甲基、引入手性辅助基团以及经过高效液相色谱(HPLC)手性柱拆分, 得到一对螺芳烃对映异构体(Scheme 13).对映异构体的绝对构型通过其前体的单晶结构确定. 2018年, 我们[33]由光活性的前体分子17出发, 通过三氯化铁催化环化反应, 可以克级量地得到相应手性螺芳烃(Scheme 14).变温核磁研究表明螺芳烃在溶液中具有固定的构象.此外, 螺芳烃能够方便地进行溴代反应、醚化反应以及进一步的Suzuki-Miyaura偶联反应等, 得到不同官能团化的螺芳烃衍生物[33], 为其功能与应用研究奠定基础.

    图式 13

    图式 13.  螺芳烃H12的合成与拆分
    Scheme 13.  Synthesis and resolution of helicarene H12

    图式 14

    图式 14.  螺芳烃对映体的直接合成
    Scheme 14.  Direct synthesis of helicarene enantiomers

    手性螺芳烃对于手性季铵盐客体分子G1~G3(图 2)显示出显著的对映选择性识别性能[32], 其中P-H12对手性茚铵盐对映体R-G1S-G1的选择性达到1:6.67.螺芳烃与季铵盐、含N杂环盐以及中性贫电子客体G4~G19也能够在溶液中或固态下形成1:1络合物[34].螺芳烃还能够与碳正离子G20在溶液中形成稳定的1:1络合物, 其主客体络合与解络合过程可通过氧化还原调控, 同时这个过程还伴随着明显的颜色变化[35].螺芳烃与叔铵盐客体G21~G28在溶液中也可以形成1:1络合物, 并且该主客体络合物的形成及解离[36]能够通过酸碱及氯离子的加入与除去进行有效调控(Scheme 15, a).基于这一络合作用, 我们进一步合成首例基于螺芳烃的[2]轮烷.螺芳烃与质子化2-苯基吡啶盐G29~G31的络合过程不仅能够通过酸碱进行调控, 也可以在基于螺吡喃的光酸存在下, 通过光对其进行有效调控[37](Scheme 15, b).此外, 与烷氧基取代的螺芳烃衍生物相比, 羟基取代的螺芳烃H12对联吡啶盐及质子化联吡啶盐的络合能力更强, 并且与客体G32的络合与解离过程可通过酸碱调控[38].

    图 2

    图 2.  客体分子结构式
    Figure 2.  Chemical structures of the guests

    图式 15

    图式 15.  通过(a)氯离子与(b)光酸调控的主客体络合过程
    Scheme 15.  Switchable complexation processes controlled by (a) Cl- ion and (b) photoacid

    H12经过三步反应得到阳离子型水溶性螺芳烃(Scheme 16), 其在水溶液中与季膦盐G33~G35形成1:1络合物, 络合常数达到105 L/mol以上, 并且络合过程能够通过酸与碱进行调控[39].最近, 马达课题组[40]研究了H12G36~G37等客体之间的主客体络合作用, 并基于H12G36的主客体络合作用构筑一种超分子囊泡, 发现该囊泡可负载并运输药物分子阿霉素(G38)至海拉细胞内, 在合适刺激下解组装并释放药物从而杀死海拉细胞.

    图式 16

    图式 16.  水溶性螺芳烃的合成路线
    Scheme 16.  Synthesis of water-soluble helicarenes

    最近, 我们[41]利用一对手性水溶性螺芳烃衍生物P-H12aM-H12a与客体G39形成的络合物进行组装, 制备了一种手性纳米粒子, 实现了手性由主体到客体的转移, 并且发现纳米粒子的圆二色(CD)以及圆偏振发光(CPL)性质可通过酸碱进行有效地调控(图 3).

    图 3

    图 3.  主体与客体的结构式(a)及组装体的酸碱可控CD性质(b)
    Figure 3.  Structures of hosts and guest (a) and CD properties of the assemblies in water with different pH values (b)

    基于光酸能够调控螺芳烃与质子化吡啶盐之间的络合过程, 我们[42]进一步设计合成了三种轮烷型超分子组装体, 研究发现该组装体中大环芳烃在质子化吡啶盐及烷基链两个不同位点之间的穿梭或开关运动可以在光酸存在下通过光诱导质子转移(photo-induced proton-transfer, PIPT)进行有效地可见光调控(Scheme 17), 尤其是该光调控的开关运动能够重复50次以上没有显著的效率变化.

    图式 17

    图式 17.  基于PIPT策略的光驱动轮烷运动
    Scheme 17.  Photo-driven motion of rotaxane by PIPT strategy

    最近, 我们[43]基于螺芳烃还设计合成了一种双稳态[2]轮烷型组装体.该组装体可通过氟离子的加入与去除、酸与碱以及改变溶剂极性, 实现螺芳烃在两个不同位点之间的开关运动.利用类似的络合模式, 我们[44]还发展了一种基于氟离子诱导封端基离去反应的单向分子传输系统(Scheme 18), 这为分子马达的设计构建提供了一种新的策略.

    图式 18

    图式 18.  单向分子传输系统
    Scheme 18.  A directional macrocycle transportation system

    最近, 我们[45]发现了一个具有pH振荡特征的连续化学反应(Scheme 19), 其中一个反应吸收酸, 另一个反应能够释放酸.将该pH振荡的化学反应用于螺芳烃与质子化吡啶盐客体形成的互锁型分子机器中, 能够通过在外加一次亚碘酰苯(化学燃料)之后, 自动地实现大环在两个不同位点之间的一个往返运动(Scheme 20), 从而有效地提高合成分子机器的能量利用效率和操作的便捷性.

    图式 19

    图式 19.  TFA吸收和释放的PhIO触发氧化还原循环
    Scheme 19.  PhIO triggered redox cycle with TFA absorption and release

    图式 20

    图式 20.  亚碘酰苯引发的连续反应调控的轮烷运动
    Scheme 20.  Step-by-step reaction controlled motion of rotaxane triggered by PhIO

    2015年, 李春举等[46]报道了一种新型大环芳烃, 其命名为联苯芳烃(Biphen[n]arenes, Scheme 21).烷氧基取代联苯18在三氟化硼乙醚催化下与多聚甲醛缩合反应, 分别以22%和8%的产率得到联苯[3]芳烃和联苯[4]芳烃.单晶结构表明联苯[3]芳烃呈扭曲的三棱柱状, 联苯[4]芳烃呈长方体状或者盒子状.此外, 两种大环分子组成基元呈不同排列方式:联苯[3]芳烃中联苯基元均采取顺式构象, 而联苯[4]芳烃中采取交错的顺式与反式构象.联苯芳烃对阳离子客体及中性缺电子客体均展现识别性能.

    图式 21

    图式 21.  对乙氧基联苯[n]芳烃的合成及其晶体结构
    Scheme 21.  Synthesis of per-ethoxylated biphen[n]arenes and their crystal structures

    黄飞鹤等[47]通过联苯芳烃的衍生化, 得到阴离子型水溶性联苯[3]芳烃H13a.测试了水相中H13a对客体分子G40的络合性质, 络合常数可达104 L/mol.进一步研究表明向两亲体G41的溶液中加入H13a, 溶液中的组装体可实现胶束到纳米粒子的转变.李春举等[48]详细研究了H13a的主客体络合性质, 发现其对联吡啶盐类客体G42~G47有较强的络合作用.由于电荷转移作用, 主客体混合后溶液的颜色发生明显改变, 因此该大环也可用于百草枯的裸眼检测.

    喻国灿等[49]合成了首例阳离子型水溶性联苯[3]芳烃H13b, 发现H13b对客体G48~G50显示良好的络合性能, 络合常数在102~103 L/mol之间, 推测驱动力主要是疏水作用及静电相互作用.基于H13b与两亲性客体G54的相互作用进行了进一步的组装研究, 结果表明G54可在水中自组装成小的球形胶束, 当向其中加入H13b后, 形成的主客体复合物可组装成更大尺寸的纳米粒子(图 4). 2016年, 李春举等[50]报道了羟基联苯[4]芳烃的主客体络合性质, 发现主体分子对体积较大的金刚烷客体G51及二茂钴客体G52有较强的络合作用.他们[51]进一步合成了羧酸根衍生的水溶性联苯[4]芳烃H13c, 并发现其对乙酰胆碱的主客体络合过程可通过酸碱进行调控.

    图 4

    图 4.  水溶性联苯芳烃及客体的结构式
    Figure 4.  Structures of water-soluble biphenarenes and guests

    采用类似的合成方法, 李春举等[52]得到了一系列2, 2'-联苯芳烃H14 (2, 2'-Biphen[n]arenes).如Scheme 22所示, 由2, 2'-二乙氧基取代联苯19出发, 以51%的总产率分离得到五种新的大环芳烃:环四聚体到环八聚体.他们同时还尝试3, 3'-二乙氧基取代联苯20的环化反应, 但是没有得到成环产物, 原因可能是取代基的邻对位均为活性位点, 导致反应过程复杂从而无法得到目标的成环产物. H14对客体G55~G57的络合常数均在102~104 L/mol之间.该课题组[53]通过2, 2'-联苯[4]芳烃衍生化, 得到一种羧酸修饰的水溶性大环H14a, 在磷酸盐缓冲溶液中测试了其对两种生物碱巴马汀G58以及黄连素G59的络合作用.核磁及荧光光谱证明了主客体络合物的形成, 络合常数可达106 L/mol.另外, 在客体溶液中加入大环分子后, 溶液出现显著的荧光增强现象, 肉眼可以辨别.

    图式 22

    图式 22.  2, 2'-联苯芳烃的合成及客体结构式
    Scheme 22.  Synthesis of 2, 2'-biphenarene and chemical structures of guests

    2019年, 李春举等[54]21出发, 通过一锅煮方法以99%的产率得到2, 2', 4, 4'-四甲氧基联苯[3]芳烃H15 (2, 2', 4, 4'-tetramethoxylated biphen[n]arenes).与H13H14相比, H15组成基元的取代基数目由两个增加到了四个, 产率大大提高(Scheme 23).溶剂影响环聚体的种类及产率, 溶剂为二氯甲烷、乙腈时, 可分别以98%和99%的产率得到环三聚体; 溶剂为二氯乙烷时, 可以5%的产率得到环五聚体, 而此时环三聚体的产率为54%.单晶结构表明大环H15呈三角形状, 空腔大小为0.543 nm.晶态的联苯[3]芳烃可选择性地吸附顺式二氯乙烯, 单次吸附实验中顺式二氯乙烯纯度可达96.4%(起始顺式反式二氯乙烯体积比为1:1).单晶及粉末衍射研究表明客体的进入会诱导主体结构的转变, 这体现了联苯芳烃自适应性的特点.

    图式 23

    图式 23.  2, 2', 4, 4'-四甲氧基联苯[n]芳烃的合成
    Scheme 23.  Synthesis of 2, 2', 4, 4'-tetramethoxylated biphen[n]arenes

    采用类似的合成方法, 李春举等[55]以41%和35%的总产率合成得到了三苯芳烃TPns (Terphen[n]arenes)以及四苯芳烃QPns (Quaterphen[n]arenes) (Scheme 24).与H13H14H15相比, 此两类大环分子在空腔尺寸上独具优势, 其中QP6空腔大于3.0 nm.两类大环的环五聚体与环六聚体均可在二氯甲烷和环己烷的混合溶液中形成凝胶, 这可能由于分子间的π…π堆积作用有利于自组装体进一步组装形成凝胶.通过湿凝胶在真空干燥箱80 ℃干燥得到的干凝胶, 不仅在液态而且在气态下均能够作为吸附碘的材料, 对碘的吸附可归因于碘与苯环之间的电荷转移作用.

    图式 24

    图式 24.  三苯芳烃和四苯芳烃的合成
    Scheme 24.  Synthesis of terphen[n]arenes and quaterphen[n]arenes

    最近, 李春举等[56]利用模块化合成策略得到了一系列功能大环主体分子(Scheme 25), 其中包括分别含有萘、芘、蒽醌、卟啉等功能基团的大环分子.环化过程因前体结构而异:利用线性前体23得到环三聚体和环四聚体, 而基于V型前体24则得到环二聚体.大环分子的后修饰反应也较为便捷. H17a单晶结构显示大环分子为消旋体, 存在两对对映体, 具有不同的边长和扭转角.

    图式 25

    图式 25.  由线性单体及V-型单体合成大环
    Scheme 25.  Synthesis of the macrocycles from linear monomers and V-shaped monomers

    2016年, 喻国灿等[57]报道了一个新的大环芳烃杯[2]联苯[1]类杂[3]芳烃([2]Calix[1]biphenyl-type Hybrid[3]arene).如Scheme 26所示, 由2526出发, 在三氟乙酸催化下回流30 min, 可以25%的产率得到H19.延长反应时间会得到分子量更大的杂[2+3]芳烃及杂[4+2]芳烃, 只能通过质谱表征, 核磁峰过于杂乱无法完成结构表征. H19对客体分子G60的络合常数为102 L/mol.最近, 黄飞鹤与喻国灿等[58]基于晶态H19, 实现了苯(Bz)及环己烷(Cy)的分离.将活化后的H19晶态材料置于Bz与Cy体积比为1:1混合气氛中, 发现H19可以97.5%的纯度实现Bz的分离.吸附Bz的晶态材料被加热后可将Bz释放, 之后再用于Bz及Cy的分离纯化(Scheme 26).该材料可重复利用10次以上, 具有较高的可重复利用率.

    图式 26

    图式 26.  杯[2]联苯[1]类杂[3]芳烃的合成及吸附分离性质
    Scheme 26.  Synthesis of [2]calix[1]biphenyl-type hybrid[3]arene and its adsorptive separation properties

    杨鹏等[59]由咔唑衍生物27出发, 在二氯甲烷为溶剂、六水合三氯化铁为催化剂条件下与多聚甲醛缩合反应, 以20%的产率得到杯[3]咔唑(Calix[3]carbazole) (Scheme 27).更大的环聚体如杯[4]~杯[6]咔唑亦能够生成, 但由于纯化困难, 因而未做进一步研究.杯[3]咔唑可形成一端封闭的锥形结构, 与钾离子通道大小相当, 此外该大环具有较深的富电子空腔, 对体积较大的四乙基氯化铵客体具有较好的络合性质, 在有机体系中络合常数可达102 L/mol.

    图式 27

    图式 27.  杯咔唑的合成
    Scheme 27.  Synthesis of calix[n]carbazoles

    从杯[4]咔唑出发, 杨鹏等[60]通过两步反应得到阳离子型水溶性杯[4]咔唑H20a (Scheme 28).由于咔唑基元的引入, H21a具有荧光.核磁及分子模拟研究表明H21a呈1, 3交替式构象, 在水中可与有害的工业材料双酚F形成1:1络合物, 能够作为检测双酚F的荧光探针, 检测限可达10-7 mol/L.

    图式 28

    图式 28.  水溶杯[4]咔唑的合成
    Scheme 28.  Synthesis of water-soluble calix[4]carbazole

    二价铜离子催化C—H键活化研究颇多, 但但有关该过程的可视化研究以及可逆性研究报道却较少. 2017年, 杨鹏课题组[61]将杯[3]咔唑与二价铜离子络合与解离的过程作为传感器用于C—H键的断裂与生成的可视化检测.杯[3]咔唑与二价铜离子络合后, 桥连亚甲基上的C—H键裂解, 从而产生碳正离子中间体, 此时溶液为蓝色.向溶液中加入更强的配体三亚乙基四胺后, 二价铜离子被剥离, 碳正离子中间体又转变成初始的杯[3]咔唑(Scheme 29).质谱检测到的碳正离子中间体, 电子顺磁共振波谱检测到了产生的一价铜离子, 为C—H活化反应机理提供了佐证.基于这一现象, 该杯[3]咔唑可作为检测二价铜离子的可视化传感器.

    图式 29

    图式 29.  杯[3]咔唑的合成及其可能的C—H活化机理
    Scheme 29.  Synthesis of calix[3]carbazole and proposed mechanism for the reversible C—H activation

    杨鹏课题组[62]利用水溶性杯[4]咔唑具有类似亮氨酸拉链形状的特点, 将其作为客体与DNA的A片段结合, 通过紫外、荧光、圆二色谱及核磁等方法表征了该络合过程. TWJ-DNA是DNA复制及重组过程中的中间产物, 在生命过程中扮演重要角色.最近, 杨鹏等[63]合成了水溶性杯[3]咔唑, 并利用紫外、荧光、圆二色谱、凝胶电泳及核磁等研究了其与TWJ-DNA的结合作用, 结果表明该大环主体可以选择性地与TWJ-DNA结合, 驱动力是疏水效应及尺寸匹配效应.基于大环分子的荧光性质, 该杯[3]咔唑可用作检测TWJ-DNA的荧光探针.

    2016年, Szumna等[64]通过1, 6-二甲氧基萘28与甲醛在二氯乙烷为溶剂、三氟乙酸(TFA)为催化剂条件下缩合反应, 以15%产率得到两个杯[4]萘芳烃异构体大环(Calix[4]naphthalenes, Scheme 30).由于萘基元的引入使得两个大环具有加深的富电子空腔与柔性结构, 在溶液中对吡啶盐及咪唑盐客体均具有较强络合性能.

    图式 30

    图式 30.  杯[4]萘芳烃的合成
    Scheme 30.  Synthesis of calix[4]naphthalenes

    最近, Gaeta等[65]通过2, 6-二甲氧基萘29与甲醛在TFA催化下缩合反应, 得到了三种棱芳烃(Prismarenes, Scheme 31):棱[5]芳烃H22a、1, 4-C-棱[5]芳烃H22b以及棱[6]芳烃H22c.以二氯乙烷为溶剂可以40%产率得到H22b, 当向溶液中加入合适模板离子后可分别得到H22a (产率47%)与H22c (产率20%).将H22a置于70 ℃的二氯乙烷中16 h后可完全转化为H22b, 结果表明H22a是动力学产物, H22b是热力学产物. H22c也可在高温下转化为H22b.棱[5]芳烃具有加深的富电子空腔, 可通过阳离子…π和+NC—H…π作用对季铵盐客体显示优异的主客体络合性质, 络合常数最高可达107 L/mol.

    图式 31

    图式 31.  棱芳烃的合成
    Scheme 31.  Synthesis of prism[n]arenes

    通过1, 4, 5, 8-四甲氧基蒽31和间二甲氧基苯30在三氟乙酸催化下与甲醛缩合反应, Szumna等[66]得到两个含有蒽的杂[4]芳烃H23aH23b (Anthracene-based Hybrid[4]arenes, Scheme 32).该反应受热力学控制, 其中H23a产率为10%, 而H23b为痕量产物, 推测与其较低的热力学稳定性有关. H23a中的蒽基元通过Diels- Alder反应转化为刚性的三蝶烯基元, 导致大环分子具有增大的空腔.

    图式 32

    图式 32.  含蒽杂[4]芳烃的合成及H23a的Diels-Alder反应
    Scheme 32.  Synthesis of anthracene-based hybrid[4]arenes and modification of H23a by the Diels-Alder reaction

    2, 6-二甲氧基蒽32是螺芳烃前体2, 6-二甲氧基三蝶烯的合成原料[32].最近, 我们[67]研究发现32与多聚甲醛在二氯甲烷中通过三氟乙酸催化缩合反应, 能够分别以31%与32%产率得到两个新型大环芳烃H24aH24b (Scheme 33), 其中H24a中所有蒽单元通过1, 5位亚甲基桥连, 而H24b中除一个亚甲基通过蒽单元的1, 10位桥连, 其他亚甲基均通过蒽单元的1, 5位桥连.由于这类大环芳烃具有类似于四方宝塔结构特征, 因而命名为塔芳烃(Pagoda[n]arenes), 其中H24a为塔[4]芳烃, H24b称为异塔[4]芳烃.蒽的结构基元使得塔芳烃大环不仅有着强的蓝色荧光性质, 而且具有固定的构象及深的富电子空腔.塔芳烃不仅可以在固态下包结正己烷、一个或两个二氯甲烷分子, 而且能够与不同链长的中性二腈分子以及广泛的含氮杂环盐客体形成稳定的1:1主客体络合物, 络合常数多数大于103 L/mol, 有些甚至高达105 L/mol以上.尤其是由于塔芳烃具有加深的空腔结构, 因而随着二腈类客体烷基链长度的增加, 主客体间多重分子间相互作用逐渐加强, 主客体络合物的络合常数从戊二腈到辛二腈增加显著.此外, 由于塔芳烃具有稳定的平面手性, 因此, 通过HPLC可以进一步实现其有效拆分, 得到两对对映异构体.对映异构体的绝对构型通过X衍射单晶结构决定(图 5).有趣的是基于塔芳烃的对映异构体不仅显示镜像的CD信号, 而且展现出强的圆偏振发光(CPL)性质, 这是首例具有CPL性质的大环芳烃研究报道, 也使得它们在手性发光材料中具有潜在的应用.

    图式 33

    图式 33.  塔[4]芳烃与异塔[4]芳烃的合成
    Scheme 33.  Synthesis of pagoda[4]arene and i-pagoda[4]arene

    图 5

    图 5.  (a) pS-H24apR-H24a的晶体结构, (b) pS-H24apR-H24a、(c) pS-H24bpR-H24b的CD光谱, 以及(d) pS-H24apR-H24a、(e) pS-H24bpR-H24b的CPL光谱
    Figure 5.  (a) Crystal structures of pS-H24a and pR-H24a, CD spectra of (b) pS-H24a and pR-H24a, (c) pS-H24b and pR-H24b, and CPL spectra of (d) pS-H24a and pR-H24a, and (e) pS-H24b and pR-H24b

    总结了过去十余年尤其是近年来人们发展的新型大环芳烃分子, 包括基于苯环基元的大环芳烃、基于三蝶烯基元的大环芳烃、基于联苯基元的大环芳烃、基于咔唑基元的大环芳烃、基于萘环基元的大环芳烃以及基于蒽环基元的大环芳烃.这些新型的大环芳烃分子不仅易于合成, 具有特殊的结构, 而且显示广泛的主客体络合性能.尤其是有些大环芳烃还具有荧光或手性性质, 塔芳烃分子甚至具有强的CPL性质.这些都使得新型大环芳烃分子正逐渐发展成为一类重要的合成主体, 并被广泛地应用于超分子组装、分子机器、吸附分离以及荧光探针等领域中.

    尽管大环芳烃化学得到了快速的发展, 各种不同类型的新型大环芳烃分子不断地被报道, 但是具有特殊光电性质以及手性性质的大环芳烃分子体系依然有限, 如何实现新型大环芳烃分子的特殊功能与应用仍是难点.可以相信新型大环芳烃以其特殊的结构和性质, 必将受到人们越来越大的关注与兴趣, 并在超分子化学、生物医药以及功能材料等领域中显示出广泛的应用前景.


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  • 图 1  新型大环芳烃的结构

    Figure 1  Structures of novel macrocyclic arenes

    图式 1  姜芳烃的合成

    Scheme 1  Synthesis of asararenes

    图式 2  拓展柱[n]芳烃的合成

    Scheme 2  Synthesis of extended pillar[n]arenes

    图式 3  杂[n]芳烃的合成及结构式

    Scheme 3  Synthesis and structures of hybrid[n]arenes

    图式 4  水溶杂[4]芳烃的合成

    Scheme 4  Synthesis of water-soluble hybrid[4]arene

    图式 5  杯[n]四酚芳烃的合成

    Scheme 5  Synthesis of calix[n]tetrolarenes

    图式 6  斜柱[6]芳烃的合成

    Scheme 6  Synthesis of leaning pillar[6]arene

    图式 7  双子芳烃的合成

    Scheme 7  Synthesis of geminiarene

    图式 8  领结芳烃的合成

    Scheme 8  Synthesis of bowtiearene

    图式 9  头冠[5]芳烃的合成

    Scheme 9  Synthesis of tiara[5]arene

    图式 10  杯[2]三蝶烯[2]芳烃的合成

    Scheme 10  Synthesis of calix[2]triptycene[2]arenes

    图式 11  杯[1]三蝶烯[3]芳烃的合成

    Scheme 11  Synthesis of calix[1]triptycene[3]arenes

    图式 12  类杯雷琐酚主体的合成

    Scheme 12  Synthesis of calixresorcinarene-like hosts

    图式 13  螺芳烃H12的合成与拆分

    Scheme 13  Synthesis and resolution of helicarene H12

    图式 14  螺芳烃对映体的直接合成

    Scheme 14  Direct synthesis of helicarene enantiomers

    图 2  客体分子结构式

    Figure 2  Chemical structures of the guests

    图式 15  通过(a)氯离子与(b)光酸调控的主客体络合过程

    Scheme 15  Switchable complexation processes controlled by (a) Cl- ion and (b) photoacid

    图式 16  水溶性螺芳烃的合成路线

    Scheme 16  Synthesis of water-soluble helicarenes

    图 3  主体与客体的结构式(a)及组装体的酸碱可控CD性质(b)

    Figure 3  Structures of hosts and guest (a) and CD properties of the assemblies in water with different pH values (b)

    图式 17  基于PIPT策略的光驱动轮烷运动

    Scheme 17  Photo-driven motion of rotaxane by PIPT strategy

    图式 18  单向分子传输系统

    Scheme 18  A directional macrocycle transportation system

    图式 19  TFA吸收和释放的PhIO触发氧化还原循环

    Scheme 19  PhIO triggered redox cycle with TFA absorption and release

    图式 20  亚碘酰苯引发的连续反应调控的轮烷运动

    Scheme 20  Step-by-step reaction controlled motion of rotaxane triggered by PhIO

    图式 21  对乙氧基联苯[n]芳烃的合成及其晶体结构

    Scheme 21  Synthesis of per-ethoxylated biphen[n]arenes and their crystal structures

    图 4  水溶性联苯芳烃及客体的结构式

    Figure 4  Structures of water-soluble biphenarenes and guests

    图式 22  2, 2'-联苯芳烃的合成及客体结构式

    Scheme 22  Synthesis of 2, 2'-biphenarene and chemical structures of guests

    图式 23  2, 2', 4, 4'-四甲氧基联苯[n]芳烃的合成

    Scheme 23  Synthesis of 2, 2', 4, 4'-tetramethoxylated biphen[n]arenes

    图式 24  三苯芳烃和四苯芳烃的合成

    Scheme 24  Synthesis of terphen[n]arenes and quaterphen[n]arenes

    图式 25  由线性单体及V-型单体合成大环

    Scheme 25  Synthesis of the macrocycles from linear monomers and V-shaped monomers

    图式 26  杯[2]联苯[1]类杂[3]芳烃的合成及吸附分离性质

    Scheme 26  Synthesis of [2]calix[1]biphenyl-type hybrid[3]arene and its adsorptive separation properties

    图式 27  杯咔唑的合成

    Scheme 27  Synthesis of calix[n]carbazoles

    图式 28  水溶杯[4]咔唑的合成

    Scheme 28  Synthesis of water-soluble calix[4]carbazole

    图式 29  杯[3]咔唑的合成及其可能的C—H活化机理

    Scheme 29  Synthesis of calix[3]carbazole and proposed mechanism for the reversible C—H activation

    图式 30  杯[4]萘芳烃的合成

    Scheme 30  Synthesis of calix[4]naphthalenes

    图式 31  棱芳烃的合成

    Scheme 31  Synthesis of prism[n]arenes

    图式 32  含蒽杂[4]芳烃的合成及H23a的Diels-Alder反应

    Scheme 32  Synthesis of anthracene-based hybrid[4]arenes and modification of H23a by the Diels-Alder reaction

    图式 33  塔[4]芳烃与异塔[4]芳烃的合成

    Scheme 33  Synthesis of pagoda[4]arene and i-pagoda[4]arene

    图 5  (a) pS-H24apR-H24a的晶体结构, (b) pS-H24apR-H24a、(c) pS-H24bpR-H24b的CD光谱, 以及(d) pS-H24apR-H24a、(e) pS-H24bpR-H24b的CPL光谱

    Figure 5  (a) Crystal structures of pS-H24a and pR-H24a, CD spectra of (b) pS-H24a and pR-H24a, (c) pS-H24b and pR-H24b, and CPL spectra of (d) pS-H24a and pR-H24a, and (e) pS-H24b and pR-H24b

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  • 发布日期:  2020-11-25
  • 收稿日期:  2020-05-04
  • 修回日期:  2020-05-23
  • 网络出版日期:  2020-05-29
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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