二丁氧基柱[5]芳烃的合成文献综述

1． 结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写4000字左右的文献综述：

大环化合物,例如冠醚、环糊精、杯芳烃和葫芦脲等,在超分子化学领域发挥了重要作用。柱芳烃作为新兴的主体分子正以其对称的结构和优良的分子识别性质,逐渐受到超分子化学家的重视。由于柱芳烃具有可以从两端进行衍生化的特点,是理想的构筑有机管状结构的前体分子。

1987年，诺贝尔化学奖授予了 Pedersen，Lehn 和 Cram 3 位化学家，以表彰他们在超分子化学方面的开创性工作和重要贡献．超分子化学的最初研究是以冠醚^[1-2]和环糊精^[3-4]等大环为主体分子，分别被称为第一代和第二代超分子主体化合物．

2008年，杯芳烃的对位类似物--柱芳烃作为一类新的大环分子被首次合成报道^[5]． 由此基于柱芳烃的研究如雨后春笋般展开，包括柱芳烃的合成方法 对柱芳烃分子的功能化 柱芳烃分子的主客体化学以及基于柱[5]芳烃的首个分子传感器的制备等．文献^[6]对柱芳烃的合成与分子设计进行了详细的介绍，但随着近来新成果的不断涌现，研究重心正在向基于这类新型大环受体分子的分子识别与组装方向发展． 在这一新兴的研究领域，我国科研工作者做出了巨大的贡献．本文对柱芳烃的结构方面进行系统的综述，并对该领域的发展进行展望。

1 柱芳烃的结构与构象

1.1 柱芳烃结构

柱[n]芳烃是由对苯二酚或对苯二酚醚通过亚甲基桥在苯环的对位连接而成的一类环状低聚物，是一类新型的主体分子.其结构与［l₅］对位连接的环番类^[7]，从端基为苄醇的线性五聚前体制备。采用类似的方法，可以制得亚甲基对位连接的[1₆]环状六聚物，但是迄今为止文献报道的产率都很低。由于受到亚甲基桥键角张力的影响,[1₄]对位环番不能稳定存在。

柱芳烃在空间结构上是圆柱状而并非锥式构象的杯芳烃，其具有更刚性的骨架，在几何结构上和葫芦[n]脲较类似。葫芦[n]脲的结构要进一步修饰较困难，然而，二烷基取代的柱[n]芳烃由于1，4 位的取代基可以在温和的条件下离去，因此可以进一步官能化，这与杯[n]芳烃较相似．

Fig.1 Structures of calix [4] arene(A) cucurbit [5] uril(B) Dmpillar [5] arene(C) and pillar [5] arene(D)

环化五聚物是柱[n]芳烃家族中最常见的化合物，而环化六聚物虽然可以合成，但仅仅是作为柱[5]芳烃的副产物，且产率都较低^[8]，其主要的原因是受到亚甲基桥键角张力的制约．环化四聚物需要 CH2 键角为90，而环化六聚物需要 CH2 键角为 120，均为不稳定结构．单晶数据显示在1，4-二甲基取代的柱[5]芳烃结构中亚甲基桥的平均键角为 111. 3^[9]，与sp3杂化碳原子轨道键角109. 5和五边形的内角108都非常接近．因此，在无模板和其它控制因素的条件下，环五聚物是大环环化反应中最主要的产物。

1.2 构象异构

柱[5]芳烃在空间结构上有2个特性．首先，1,4 位取代基的存在会产生手性异构体(Rp和Sp,见Fig.2),这是由于与二维平面垂直面上芳环取代基的空间重排所致．其次,由于柱[5]芳烃分子内和分子间的氢键作用，使大环分子上1 个或多个芳环翻转产生构象异构体^[10]，并与杯[4]芳烃的构象异构体相似，见Fig.3: ( A) 芳环上的所有取代基都朝相同的方向;(B)1个芳环发生翻转;(C)2个相邻的芳环发生翻转;(D)2个不相邻的芳环发生翻转。

2 柱芳烃的合成研究

对于任何化合物而言,能否通过简单的方法制备且分离到目标产物都是其研究和应用的基础。对大环化合物而言更是如此,只有能通过比较简单的步骤合成且分离得到,才能降低其研究的门滥,吸引更多的研究人员进入这一领域。对于柱芳烃来说,经过这几年的发展,其制备方法已经基本成熟,可以相对比较简便的制备和分离方法得到大量产物。这也是柱芳烃领域能够快速发展的最根本原因。

Fig.4 Preparation of DMpillar[5]arene from 1,4-Dimethoxybenzen.

2.1柱芳经的成环反应

作为一类新型的大环化合物,柱芳烃制备的核心问题就是提高其成环反应的效率,提高生成特定大环的选择性,减少高聚合物的生成,从而简化成环反应的后处理过程。通常来说,对于制备环状寡聚物而言,其合成都可以用两种方法得到,一锅法和片段法。其中一锅法相对于片段法的优越性不言而喻,除了可以较高的总收率得到目标产物外,分离过程还相对简单。由于柱芳径的成环反应是一类动态的反应过程^[11],所以对于制备冠醚和杯芳烃等大环较为成功的片段法,对柱芳径而言并不适用。

与杯芳烃不同,柱芳烃的成环反应都是由对苯二酚的双醚类衍生物为起始物的,所以其成环反应均为酸催化(包括路易斯酸或某些质子酸)的,而不能使用碱性催化剂
。因此从本质上讲柱芳烃的成环反应是一类芳香亲电取代反应,且与其他类型的付克反应类似，均有可逆性。这也是柱芳经通常在碱性条件下较为稳定,而在将其进行磺化,硝化^[12]，溴化等亲电取代反应时往往并不能得到柱芳经苯环继续取代的产物而是发生了环断裂的原因。

下面分别从成环反应所需单体,催化剂,溶剂等 同因素分析柱芳烃的成环反应:

首先所有制备柱芳烧的单体均包含对苯二酚双醚的结构单元,主要可分为以下三类: 1,4-二烷氧基苯(Fig 5.a)^[13]； 1,4-二烷氧基-2,5-二苄醚衍生物(Fig 5.b)^[14]；2,5-二烷氧基苄醇和 2,5-二烷氧基苄溴(Fig 5.C)^[15]。

Fig.5 Three different kinds of monomers for preparation of pillar[5]arene.

2.2 以1,4-二烷氧基苯类化合物为单体制备柱芳烃

制备柱芳烃最常用的单体是1,4-二烷氧基苯(Figure 5.a)类化合物。因通常该类单体可直接购得,或通过对苯二酚一步反应即可得到,所以应用较为广泛。这也是生越友树首次报道的柱芳径时所用的合成方法。他分别利用三氟化硼乙醚络合物(BF₃OEt₂),三氯化铝(AlCl₃),三氯化铁(FeCl₃),硫酸(H₂SO₄),四氯化钛(TiCl₄).四氯化锡(SnCl₄)等为催化剂,在以1,2-二氯乙烷(ClCH₂CH₂Cl)为溶剂的反应条件下研究对苯二甲醚与多聚甲醛的缩聚反应。他发现当使用三氟化硼乙醚为催化剂时,生成的寡聚体最多。当时加入的是等当量的多聚甲醛,收率为22%。后来他又改进了制备方法,在其他条件均相同的情况下,当加入了3倍量的多聚甲醛时,甲基柱[5]芳烃的收率可提高至71%^[16]。2012年,Boinski等人又发现催化量的三氟乙酸(5%最佳)也可以高产率的得到甲基柱[5]芳烃(81%),且此方法对水不敏感^[17]。同年,吉林大学杨英威等人发现少量三氟甲磺酸、甲磺酸(5%)亦可用于此类单体和多聚甲醛的成环反应制备柱芳轻^[18]。

2.3以1,4-二烷氧基-2,5-二苄醚衍生物为单体制备柱芳烃

2009年,华南理工大学曹德榕课题组报道了利用另外一类单体1,4-二烷氧基-2,5-二苄醚衍生物(Fig 5. b)在对甲苯磺酸(TsOH)催化下制备柱芳烃的方法。由于此类单体中已经存在成环所需的桥连亚甲基,所以该法不需要再加入多聚甲醛,减少了一种成环所需的非均相反应物,所以此法制备柱芳烃的收率相对较高(75-95%)。他们还发现硫酸、磷酸可催化此类反应,而非氧化性酸盐酸和三氟化硼乙醚则不能催化此反应。此类单体对于R3和R4的要求与第一类单体基本相同。R5则可以是烷基、苄基或氢原子。另外当R3和R4同时为乙基或丁基时,还有少量的柱[6]芳烃生成(8-11%)。由于该类单休由对苯二酚出发,需要经三步反应才能制得所需单体,通常并不能直接购买得到^[19]。因此此法虽然成环的收率较高,然而实际应用并不广泛。

Fig.6 Preparation of pillar[5]arenes and pillar[6]arenes.

2.4以2,5-二烷氧基苄醇或2,5-二烷氧基苄溴为单体制备柱芳烃

除上述两类单体之外,张子彬课题组发现以2,5-二烷氧基苄醇或2,5-二烷氧基苄溴为起始物(既当第三类单体中R8为羟基或溴原子时),在不同路易斯酸催化下(Fig 5.c),也可以进行柱芳径的成环反应。我们发现对于2,5-二烷氧基苄溴来说,除三氟化硼乙醚络合物(BF₃0Et₂)外,三氯化铝(AlCl₃),三氯化铁(FeCl₃), 二氯化锌(ZnCl₂),四氯化锡(SnCl₄)等均可以催化反应。另外,当单体中R6, R7均为正辛基时,可以基本相同的产率得到柱[5]芳烃(14%)和柱[6]芳经(13%)。此类单体对于R6和R7的要求与第一类单体基本相同。同样由于此类单体的制备相对第一类单体而言较为复杂,所以其应用也比较有限。

2.5三类单体制备甲基柱[5]芳轻的总结

在柱芳径的实际合成中,仅第一种方法应用的最多,现今己报道的实验数据并不足以全面对比三类不同单体的成环反应。现仅对1,4位分别为甲基取代的三种不同单体为起始物,制备甲基柱[5]芳烃的最优条件下加以简单总结(Table 1)。

Table 1 Preparation of DMpillar[5]arene from different monomers.

3 柱芳烃的研究进展

作为一种新兴的超分子主体化合物, 目前, 柱芳烃的应用主要体现在三个领域: (1)主客体包合与分子识别; (2)自组装体系; (3)智能材料.

3.1 主客体包合与分子识别

主客体包合现象是基于主客体间的超分子相互作用^[20]。柱芳烃与客体分子发生包合的超分子相互作用力主要包括电子供体和受体间的相互作用、亲疏水相互作用以及氢键等. 针对主客体包合与分子识别领域的研究可以进一步开发出有针对性和更灵敏的识别探针以及制备出锁式结构^[21]。与其他主体化合物分子识别不同的是, 柱芳烃的主客体分子识别还有一种特殊目的, 就是通过在空腔内引入客体分子, 来有效阻止母体中芳烃亚结构单元的旋转, 使主体分子构象稳定。

2.2自组装体系

分子自组装通常是指由小分子通过氧键、金属配位、π-π作用、范德华力等非共价键协同作用,从而自发形成的具有特定结构和功能有序聚集体的过程。在柱芳烃主客体研究的基础上,自2010洋起其自组装研究也已有大量报道,不仅可以通过柱芳烃主客体化学,制备得到超分子聚合物,基于柱芳经同大分子的主客体络合的准聚轮焼、聚轮焼也有报道。最近一些课题组分别报道了,基于柱芳径自组装形成囊泡,并将其成功应用于纳米粒子的分散及自组装等领域。

基于主客体相互作用,通过分子的自组装制备超分子聚合物的过程是大环化合物的一类重要研究内容。对于柱芳烧而言也是如此,随着其主客体化学的发展,基于柱芳经的自组装研究也逐渐开展起来。将可以与柱芳径络合的客体通过一定的化学修饰连接到柱芳轻上就可以制备简单的可用于自组装的A-B型单体。

3.3智能材料

由于含有环型π共轭结构,其吸收光谱相对于联苯炔亚结构的吸收光谱发生了红移, 即具有贯穿空腔的π离域性质(through-space π delocalized). 这在大环化合物中是非常少见的。此外, 温度和溶剂性质的改变可以直接影响其光学特性. 例如, 调节溶剂的疏水性和温度的高低, 可以改变其空间构象的稳定性, 进而导致发射光谱在蓝色和绿色间转化. 因此,是一种具有开发潜质的温控和溶剂控制的光学智能材料.

4 柱芳烃的应用研究

柱芳烃之所以引起人们的兴趣,主耍是由于其独特的柱状分子空腔,并且可以通过改变其重复单元数量,调节空腔尺寸。另外通过在柱芳经两端选择性引入不同的官能团,可改变其主客体化学性质,从而可使其广泛的应用于各种有机或水相体系中。在其主客体化学的基础上,不仅关于柱芳经的理论计算化学有所发展,其应用研究也发展迅速起来。现在柱芳烃已被广泛应用于制备分子传感器,分子器件,催化反应,物质的跨膜传输,络合细胞内毒性小分子,功能性纳米粒的制备,稳定分散碳纳米管,刺激响应性材料等领域。

4.1柱芳烃在有机合成中的应用

首先,利用大环化合物的主客体化学高效制备机械互锁结构是其应用的重要组成部分。基于机械互锁结构的轮烧和索径是分子器件的重耍一类,具有非常重要的研究价值,不仅可用于信息存储材料,还可应用于分子电子学,药物控释等领域。基于柱[5]芳经和柱[6]芳经的轮烧制备均已有报道,而关于柱芳径索径的制备还未见报道。

基于柱芳烃的轮焼制备,多是基于焼基化柱芳烃同中性或有机阳离子客休的主客体作用,使其先形成互穿结构,再通过比较温和高效的封端反应得到的。其屮比较有趣的是,生越友树通过在柱芳经上修饰多甘醉链制备得到一种常温下呈液态的大环化合物。该柱芳径可在无溶剂条件下,非常高效的络合宵链院基客休(Fig.7),从而以高达91%的产率得到[2]轮院^[22]。

Fig.7 Schematic representation of synthesis of [2]rotaxane based on liquid pillar[5]arene.

除此之外,侯军利课题组还成功利用柱芳经的主客体化学使底物与反应位点接近,从而可作为催化剂提高乙酸苯酷的胺解反应速度^[23]。另外,由于柱[5]芳烃的产率很高,直接以柱[5]芳经为反应物制备其他方法不易得到的有机化合物也是比较经济的。曹德格课题组直接以柱[5]芳轻为原料,在较温和反应条件下高选择性地制备得到一类重要的化工原料二-(4-溴-2,5-二烷氧基苯基)甲焼及其类似物^[24]。

4.2柱芳径在纳米领域的应用

纳米科学是近年的新兴热门学科,将分子识别作用引入到纳米材料体系中,可以实现纳米材料的可控自组装。组装所得到的杂化纳米体系具有独特的光、电、催化等功能,在分子器件、分子调控等领域有着臣人的应用价值。

金纳米粒子因其独特的性质及其在电子材料、光材料及催化等众多其他领域的广泛应用而显得极其重要。因此我们设计合成了一个水溶性的具有十个咪唑基团的柱[5]芳轻分子^[25]。通过研究我们发现该分子可以作为稳定剂在水相中制备小于 6 nm的金纳米粒子。另外我们还发现该类纳米粒子对对硝基苯胺还原反应具有催化作用。其后,吉林大学杨英威等人利用含有十个羧基的水溶性柱[5]芳径作为稳定剂,在水相中制备得到粒径均匀小于3 nm的金纳米粒子。另外利用柱芳烃自身的主客体化学性质,他们发现通过加入百草枯的衍生物,可以控制生成的金纳米粒子的自组装行为^[26],并可使用该类金纳米粒子识别水中的百草枯分子。

碳纳米管的制备方法已日趋完善,但制备出的碳纳米管常呈团聚形态。在实际应用过程中,团聚形态往往会破坏单根碳纳米管所表现出的优异力学电学特性,限制了对碳纳米管的深入研究与应用。碳纳米管的分散程度在复合材料改性、纳米器件的制造及光学应用方而直接与材料的性能密切相关,碳纳米管的分散是其在应用过程中关键的一环。在此,我们利用超分子分子主客体络合行为的刺激响应,实现了碳纳米管在水相中的响应性分散。通过简单的调节体系的酸碱度,就可实现碳纳米管的可调控分散。首先,我们制备了一种水溶性的柱[6]芳经,该主体分子可以在水相中络合修饰了长烷基链的芘分子。该主客体体系,在水中通过芳香堆积作用,可使碳纳米管均匀分散(Fig.8)。当将体系调为碱性时,主体分子在水中溶解度减小,从而不能继续分散碳纳米管^[27]。

Fig.8 Illustration of the Ph-responsive solubility of the MWNTs in the presence of water soluble pillar[5]arene.

4.3柱芳烃在生物领域的应用

百草枯,是一种快速灭生性除草剂,具有触杀作用和一定内吸作用,能迅速被植物绿色组织吸收使其枯死。对非绿色组织没有作用。百草枯对人毒性极大,且无特效药,口服中毒死亡率可达90%以上。通过我们前期工作表明,全羟基化柱[6]芳烃可以络合百草枯分子,并形成互穿的准轮院的结构^[28]。在此,我们制备了一种两端羧基修饰的水溶性的柱[6]芳经,该分子在水中对百草枯的络合常数高达1亿(Fig.9)。由于此主客体体系巨大的络合常数,因此该主体分子,可以基本上包裹水中大部分的百草枯分子,进而降低了该分子同生物体内其他物质的接触机会降低其毒性。通过研究我们发现该水溶性的柱[6]芳径可以有效降低百草枯的毒性,因而可以作为百草枯的解毒剂^[39]。

Fig.9 Schematic representation of the reduction of paraquat toxicity.

5 总结与展望

综上所述,经过近5年时间的发展柱芳经化学已经成为超分子化学中最活跃的研究领域之一。迄今为止己近百篇相关文献报道,仅相关的综述类文献就有5篇。说明这一领域的发展速度之快。柱芳经以其独特的柱状结构,种类繁多的功能化衍生物,丰富多样的主客体化学,而被广泛应用于自组装体系、智能材料、纳米材料、分子器件、反应催化、跨膜传输、环境保护等领域。总之,作为?种新型超分子大环主体,柱芳烃类化合物的应用前景广阔,亟待超分子化学、环境科学、有机化学、纳米科学等学科的科研工作者继续深入合作。我们相信随着柱芳径化学研究的进一步深入和越来越多科技工作者的加盟和共同努力,会有更多独特且优良的重要应用性能尽快幵发出来。

6 本论文思路

（1） 以对苯二酚和溴丁烷为实验原材料，在碳酸钾存在下于乙腈溶剂中反应制得对苯二丁醚；

（2） 对苯二丁醚在二氯乙烷溶液中以三氟化硼乙醚做催化剂，与对聚甲醛一起反应合成二丁氧基柱[5]芳烃，反应在室温下反应即可进行，要求无水。

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