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環狀化合物具有空腔可調、構象可變、結構易修飾、合成較方便等優點，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注，用該凝膠制備了多種刺激響應性凝膠體系。

杯[4]芳烴具有離子和中性分子易絡合的疏水空腔，也有溶解性差、構象不穩定等缺點。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行選擇性衍生反應，合成具有特定分子結構的功能性杯[4]芳烴衍生物。

目前在杯[4]芳烴衍生基團有席夫堿[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]芳烴構象穩定，能很好地應用于分子識別和超分子化學組裝的研究領域。超分子凝膠網絡的形成基于多種驅動力，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。

性質優點^[3]

對冠醚和環糊精而言，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用于醫學治療上。同時調控反應條件，可制備得含n(n=4~20)個結構單元苯環的對叔丁基杯[4]芳烴，還具有比較大的自由度；

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

(3)低毒性、熱穩定性好、化學穩定性好、熔點高；

(4)因其獨特的憎水水性空腔結構，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，這應用于分離和純化方面起著重要作用；

(5)和環糊精的空穴結構相比，杯芳烴具有構象自由的性質，可利用調整合成反應條件和引入適當的功能團，固定所需構象的杯芳烴。

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，所以在杯[4]芳烴中存在著多個構象異構體，其對分子識別方面有著重大的意義，且杯[4]芳烴的構象異構體個數與苯環數有關：2/nM=2，其中，M為構象數量，n為苯環的數量。對對叔丁基杯[4]芳烴而言，它有四種不同的構象體，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)。

因對叔丁基杯[4]芳烴主要有4種不同的構象體，當在羥基位置引入的官能團足夠大時，由于整個分子體系的空間位阻作用，使得苯環單元不能自由的翻轉，從而得固定構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構是苯酚單元和亞甲基鏈接，其命名較為復雜，是在“杯”(calix)和“芳烴”(arene)中間插入“[n]”，其中[n]代表化合物中苯環單元數量，如圖所示：

自杯芳烴這類超分子環聚物出現以后，杯芳烴的應用越來越受到學者的關注，到目前為止，杯芳烴被認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

這一方法是至今應用最為廣泛的一種，最開始是由Zinke等首創，后經Gutsche等對該合成方法進行了大量的試驗并改進。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報道，合成產率較高、方法簡單。如若將該方法應用于合成以苯酚為單元個數為奇數的杯[n]芳烴，會限制得到有特殊基團的杯芳烴。

2.片段縮合法

德國學者Bohmer在合成杯芳烴的多步合成法基礎上多次研究，總結得出片段合成法，指片段與片段之間結合而成杯芳烴，減少了多步合成的步驟。已有文獻報道的片段縮合反應有“2+2×2”、“4×l”、“2×1+2×1”、“3+1”、“2+2”等方法。。該法的產率也是比較低的，現只是應用于一些特殊結構的杯芳烴類化合物。

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、偶數的杯芳烴主體分子，若以不同取代基的苯酚為反應的反應物，最終可制備得各種取代基產物，但因反應過程長而復雜導致產率極少，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改進杯芳烴的合成方法后，杯芳烴及其衍生物得到了眾多學者的研究。特別是對其的最佳合成路線設計、分子識別、衍生化等方面進行了深入探索。而國內的高校及研究機構（武漢大學、南開大學、天津大學等單位）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換、上緣叔丁基的功能化等方面。另一個熱點是在光學、手性識別、電學、催化等方面上的應用發展。因此，對杯芳烴進行功能化、衍生化反應有一定的理論研究意義，以及其在核化學、新能源等方面的應用研究具有實際價值。

主要參考資料

[1]楊發福, 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, 25(5), 000545-548.

[2]鐘振林, & 李建森. (1998). 逐步法合成杯[4]芳烴關環反應的改進. 高等學校化學學報, 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, 33(6), 504-510.