超分子化學 杯芳烴

1、第七章第七章 杯芳烴為受體的分子識別及杯芳烴為受體的分子識別及超分子組裝超分子組裝杯芳烴杯芳烴簡介簡介杯芳烴杯芳烴的合成方法及結構（構象）特征的合成方法及結構（構象）特征杯芳烴杯芳烴及其衍生物的分子識別及其衍生物的分子識別杯芳烴及其衍生物為受體的超分子組裝杯芳烴及其衍生物為受體的超分子組裝7.1 杯芳烴類主體物質杯芳烴類主體物質 杯芳烴是杯芳烴是苯酚及其衍生物與甲醛反應得到一類環(huán)狀縮合苯酚及其衍生物與甲醛反應得到一類環(huán)狀縮合物。物。 杯芳烴杯芳烴是繼冠醚、環(huán)糊精以后超分子化學研究的第三代是繼冠醚、環(huán)糊精以后超分子化學研究的第三代主體化合物。主體化合物。結構式構象式杯芳烴合成可追朔到1872年德

2、國化學家Baeyer對苯酚與甲醛水溶液的研究，在該反應中他得到一種樹脂狀難純化的化合物，受當時條件限制其結構未被弄清。30年后，比利時化學家 Backeland 重新對此反應進行了較詳細的研究，制備了酚醛樹脂, 并將其產(chǎn)品商業(yè)化而獲得專利, 命名為Backlite,由于酚醛樹脂不溶不熔，對其結構及固化過程研究極為困難。20世紀40年代，奧地利科學家 Zinke 則設想將對位取代后的苯酚與甲醛縮合，可能得到未交聯(lián)的線型樹脂。由此他首先研究了對叔丁基苯酚與甲醛的反應，但此過程中得到一種高熔點的晶狀化合物，鑒定結構為環(huán)狀的四聚體。杯芳烴的發(fā)現(xiàn)及其發(fā)展歷史20世紀70年代后，隨著對冠醚和環(huán)糊精等的深入

3、研究，尤其是它們作為模擬酶的可能性，這類大環(huán)化合物引起美國化學家Gutsche的極大興趣，其在合成和結構性能等方面的系統(tǒng)工作，推動了人們對杯芳烴的研究熱潮。由于其CPK（Corey-Pauling-Koltun）分子模型類似于Calix Crater的希臘式酒杯，由此G u t s c h e 將 其 命 名 為 杯 芳 烴（“Calixarene”）。化合物化合物1的的CPK (Corey-Pauling-Koltun)模型模型與希臘式酒杯與希臘式酒杯 杯芳烴：苯酚衍生物與甲醛反應得到的一類環(huán)狀縮合物。杯芳烴：苯酚衍生物與甲醛反應得到的一類環(huán)狀縮合物。 分子形狀與希臘圣杯（分子形狀與希臘圣杯

4、（Calix crater）相似）相似 由多個苯環(huán)構成的芳香族分子由多個苯環(huán)構成的芳香族分子(Arene) 杯芳烴杯芳烴7.1.1 杯芳烴結構對叔丁基苯酚與甲醛反應得到一類環(huán)狀縮合物對叔丁基苯酚與甲醛反應得到一類環(huán)狀縮合物結構式構象式通常在酚羥基的對位有不同類型的取代基通常在酚羥基的對位有不同類型的取代基5，11，17，23-四叔丁基-25，26，27，28-四羥基杯4芳烴簡稱對叔丁基杯4芳烴杯4芳烴杯6芳烴杯8芳烴杯杯n芳烴的結構及其位置編號及命名芳烴的結構及其位置編號及命名取代基不同的杯芳烴取代基不同的杯芳烴5，17-二甲基-11，23-二叔丁基-25，26，27，28-四羥基杯4芳烴 (

5、 杯-4芳烴)OHOHOHOHBu-tCH3Bu-tCH37.1.2 杯芳烴合成杯芳烴合成一步合成法一步合成法對叔丁基杯對叔丁基杯4、6、8芳烴芳烴(1-3)的合成條件的合成條件OBnOHnHCHOMOH (M = Li, Na, K)OHOHOHOHO-BnBn-OO-BnO-Bnmm = 1, 2, 3Casnati 等報道“一鍋煮”法制備下列杯芳烴堿堿的類型的類型相對產(chǎn)率相對產(chǎn)率456LiOH201763NaOH10684KOH72172多步合成法 一步合成法制備的杯芳烴的苯酚單元上僅能擁有相同的取代基，要合成具有不同取代基的杯芳烴，則需要采取多步合成的方法完成。 多步方法最早有Haye

6、s和Hunter所闡述，由對甲基苯酚為起始物，經(jīng)過溴化和反復的羥甲基化和脫溴，得到線形四聚體，最后在高度稀釋高度稀釋下完成關環(huán)制備了對甲基杯4芳烴，反應達10步之多。鄰位保護鄰位去保護（Pd/C-H2)三步總收率20%Bhmer等合成多取代杯芳烴擁有內(nèi)外兩種羥基的杯4芳烴片段縮合法片段縮合法Bhmer 改進了多步合成法，將杯芳烴的結構碎片以“31”或“22” 等方式通過共價鍵結合成環(huán)，這種方法被稱之為“片段縮合法片段縮合法”?！?1”“22”（要求：R1R2，R3R4）采用何種方式取決于杯芳烴結構片段縮合法片段縮合法適用于制備取代基不同的杯芳烴適用于制備取代基不同的杯芳烴亞甲基橋上有取代基2

7、+ 2 組合方式3 + 1 組合方式23-35%Bhmer采用（21 + 2 1） 縮合反應制備下面芳烴， 產(chǎn)率10%Pappalardo采用（21 + 2 1） 縮合制備下面芳烴， 產(chǎn)率60%SnCl4OMeOMeBhmer等的工作， 35%收率Asao等的工作（2 + 2縮合利用“片段縮合法”將取代苯酚用對位連接的二苯酚替換可制備另一類杯4芳烴和橋聯(lián)二杯4芳烴CH2利用“片段縮合法”，外式杯4芳烴替代普通二聚苯酚，可得另一類橋聯(lián)二聚或三聚杯4 芳烴（如下面結構34 和35，產(chǎn)率分別為24%，10%）雜原子橋聯(lián)杯芳烴合成雜原子橋聯(lián)杯芳烴合成Kumagai等一步合成硫橋杯4芳烴，產(chǎn)率56%含氧

8、橋的杯4芳烴制備分子內(nèi)脫水成醚芳烴親核取代反應芳烴親電取代反應雜環(huán)芳烴杯芳烴合成雜環(huán)芳烴杯芳烴合成杯n呋喃m吡咯芳烴其他杯芳烴合成其他杯芳烴合成杯2尿嘧啶2芳烴羥基上的修飾羥基上的修飾杯芳烴的衍生化杯芳烴的衍生化NO2O2NR=R1= 2,4-二硝基苯，二硝基苯， R2 = R3 = H； 或或R1= R3 = 2,4-二硝基苯，二硝基苯， R2 =H； 或或R1 = R3 = H，R2 = 2,4-二硝基苯。二硝基苯。水溶性杯芳烴合成水溶性杯芳烴合成Ungaro 等將對叔丁基杯4芳烴與-溴乙酸叔丁酯在THF中反應，以NaH為堿得到四取代產(chǎn)物，產(chǎn)率70%；以叔丁醇鉀為堿，得到二取代產(chǎn)物幾種不同

9、主體的組合合成Cl-C-(CH2)n-C-ClOOoooooo雙穴杯芳烴Gutsche等人的工作端炔二聚帽式杯芳烴杯芳烴取代基的變換Claisen重排重排硝基還原酰化反應橋聯(lián)二聚杯芳烴杯芳烴構象杯芳烴構象對叔丁基杯對叔丁基杯4芳烴芳烴 4 種可能構象種可能構象杯杯6芳烴芳烴 8 種可能構象種可能構象杯杯6芳烴芳烴 8 種可能構象種可能構象7.2 杯芳烴的分子識別對中性分子識別對金屬離子識別對陰離子的識別模擬酶杯芳烴可看作是一類特殊環(huán)番 (Metacyclophane)。OHOHHOOH 杯芳烴可通過結構修飾，借助于氫鍵、靜電作用、范德華力、疏水作用、陽離子-堆積，-堆積及其誘導契合等實現(xiàn)主客體

10、分子識別與組裝。杯芳烴具有結構靈活多變（尤其構象變化豐富）易于修飾的特點。在上下緣引入不同功能基團的主體，可通過氫鍵、靜電作用、范德華力、疏水作用、陽離子作用、堆積及誘導鍥合等非共價鍵協(xié)同作用來識別客體分子，實現(xiàn)配位、催化和能量轉化等特殊功能。通過對杯芳烴的修飾能形成帶有親脂性、親水性和離子載體的受體，與不同大小、不同性質的客體分子如有機分子、陽離子、陰離子等匹配，形成相應配合物。杯芳烴識別作用取決于杯環(huán)大小、構象及環(huán)上取代基性質。7.2.1 杯芳烴分子識別的特點杯芳烴分子識別的特點7.2.2 杯芳烴對中性分子的識別杯芳烴可以識別多種有機小分子，形成固態(tài)配合物例如:對叔丁基杯4芳烴能識別包結氯

11、仿、苯、甲苯、二甲苯、茴氯仿、苯、甲苯、二甲苯、茴香醚；香醚；對叔丁基杯5芳烴 可以與異丙醇和丙酮異丙醇和丙酮等形成包結配合物；對叔丁基杯6芳烴 能識別包結氯仿、甲醇、苯、甲苯氯仿、甲醇、苯、甲苯；對叔丁基杯7芳烴 能與甲醇甲醇包結；對叔丁基杯8芳烴 則能與氯仿氯仿形成包結配合物。 不同包結配合物穩(wěn)定性差異很大。 對叔丁基杯4芳烴和對叔丁基杯6芳烴可緊密結合客體分子，晶體中的溶劑分子在高溫和真空條件仍能穩(wěn)定結合； 對叔丁基杯8芳烴與氯仿的配合物在常溫就快速分解。杯芳烴與客體分子形成的固態(tài)配合物杯芳烴與客體分子形成的固態(tài)配合物: 內(nèi)式（內(nèi)式（endo)和外式和外式(exo)兩種兩種例如:對叔丁基

12、杯4芳烴與苯、對叔丁基杯4芳烴甲酰乙酯與乙腈等形成內(nèi)式配合物內(nèi)式配合物（endo) 。有機分子處于杯芳烴空腔的中心。對（1,1,3,3四甲基丁基）杯4與甲苯形成外式配合物 (exo) 。甲苯處于杯芳烴分子之間而不是其中，因為杯芳烴對位取代基具有較高柔性而部分自包結進入空腔，阻止杯芳烴進一步容納客體分子。杯芳烴可與客體分子形成各種化學計量比的固態(tài)包結配合物。如杯4芳烴與丙酮形成計量比1：1和1：3 的配合物。對叔丁基杯4芳烴與吡啶形成形成計量比1：1配合物，與對二甲苯和茴香醚形成 2：1 的配合物，等等。對叔丁基杯對叔丁基杯4芳烴與對二甲苯形成芳烴與對二甲苯形成2:1配合物配合物核磁共振技術核磁

13、共振技術應用于檢測杯芳烴包結配合物的形成應用于檢測杯芳烴包結配合物的形成Bauer和Gutsche曾研究了杯芳烴在溶液狀態(tài)的分子鍵合能力。他們使用“芳環(huán)溶劑誘導位移 (Aromatic Solvent-Induced Shift)” 技術測定了不同杯芳烴與甲苯在氯仿中的結合能力。研究發(fā)現(xiàn)：杯芳烴與甲苯形成1:1配合物,但結合常數(shù)僅1.1 dm3.mol-1。此外，還發(fā)現(xiàn)對叔丁基杯4芳烴的核磁位移值核磁位移值顯著大于叔丁基杯6芳烴和叔丁基杯8芳烴, 表明兩者與甲苯具有不同的結合方式。對叔丁基杯4芳烴的質子信號移向高場高場, 對叔丁基杯8芳烴的質子信號移向低場低場, 說明甲苯與對叔丁基杯4芳烴結合

14、更緊密。這與晶體測定結果一致。Gutsche 等曾研究了取代杯芳烴與烷基胺烷基胺在乙腈中的包結配位作用。他們認為識別過程分兩步：（1）杯芳烴酚羥基脫去質子并將其轉移到氨基氮原子上杯芳烴酚羥基脫去質子并將其轉移到氨基氮原子上（2）質子化脂肪胺與芳香烴負離子形成離子對質子化脂肪胺與芳香烴負離子形成離子對 通過紫外光譜和1HNMR等其研究發(fā)現(xiàn)，主客體間形成計量比1：1配合物。在經(jīng)歷離子對的過程后，例如對丙烯基杯4芳烴叔丁基胺體系而言，在乙腈溶液最終形成內(nèi)式(endo) 配合物。 1H NMR 確定質子轉移形成離子對的平衡常數(shù)約為5104，而由紫外光譜確定形成內(nèi)式配合物內(nèi)式配合物的平衡常數(shù)為5065。

15、Gormar 等研究了杯4和杯8芳烴與環(huán)胺在乙腈中的作用。發(fā)現(xiàn) 環(huán)胺氮原子均參與配位作用，而二齒胺類與杯芳烴形成1:2計量比的配合物。Pochini等合成了下緣為冠醚橋連,上緣擁有一個側臂的杯4芳烴衍生物，其具有剛性杯芳空穴和側臂雙重鍵合區(qū)域。通過1H NMR研究這類分子對酰胺分子酰胺分子在CDCl3的識別能力，結果表明側臂為N-苯基脲取代時（X = O)，其對甲酰胺（HCONH2）的鍵合常數(shù)高達756 dm3 / mol?？刂茖嶒灡砻鳎?骨架保持柔性而未被固定時，檢測不到其對酰胺客體的鍵合。由此可知，杯芳烴非極性的剛性結構剛性結構是決定分子識別過程效率的關鍵因素之一。X = O, SPin

16、khassik等將金剛烷和苯環(huán)引入杯4芳烴上緣，合成了如下的杯芳烴，通過考察它們與水、二甲亞砜、吡嗪、噠嗪和乙腈等在四氯化碳中的配位作用，發(fā)現(xiàn)化合物 B（R = n-C3H7) 與水分子水分子形成計量比 1：1 配合物，穩(wěn)定常數(shù)為270 dm3 / mol。而另一類似物A（R = H) 與水分子結合常數(shù)很弱（ Ks 硝基甲烷 乙腈?？腕w與吡啶橋間的氫鍵以及客體與芳香烴芳環(huán)間的CH-相互作用是主客體配合物形成的主要驅動力。Kubo等合成了上緣有氨基苯醌取代基而下緣有聯(lián)萘基團的杯4冠醚，通過紫外測定其在乙醇中對丁胺異構體丁胺異構體的分子識別能力，表明主客體間配合物位1：1，識別順序：t-Bu-NH

17、2 s-Bu-NH2 i-Bu-NH2 n-Bu-NH2Nijenhuis等合成了杯4冠醚鈾配合物及擁有不同醚鏈長度的類似物，發(fā)現(xiàn)它們可包結水、甲醇、二甲亞砜和尿素水、甲醇、二甲亞砜和尿素等中性分子。這些客體分子的氧與鈾形成配位鍵分子的氧與鈾形成配位鍵，客體分子處于兩條醚鏈和杯芳烴4個酚羥基圍成的空腔中。CH3CH3CCH3NH2CH3-CH2-CH2-CH2-NH2CH3-CH-CH2-NH2CH3CH3-CH-CH2-CH3NH2Shinkai等用熒光光譜研究了下緣磺酸基修飾的杯芳烴與芘在水溶液中的配位作用。發(fā)現(xiàn)叔丁基杯叔丁基杯6衍生衍生物物給出較穩(wěn)定的化學計量比1：1的配合物，可能杯6芳

18、烴的空腔以及叔丁基擴展的空腔與芘的尺寸最為匹配。a n = 4b n = 6c n = 87.2.3 對有機陽離子的識別杯芳烴與脂肪胺的配合物形成中，存在主客體間的質子轉移，后經(jīng)過離子對的過渡態(tài)形成穩(wěn)定配合物。其實質是杯芳烴負離子（酚氧負離子）對有機陽離子的識別過程。Beer等研究了杯4芳烴醌主體與烷基胺和銨離子在乙腈中的配位作用.紫外光譜滴定結果表明, 25C時，其與銨離子 (NH4+) 形成穩(wěn)定常數(shù)lgKs為3.1的配合物，而在客體中引入丁基后，穩(wěn)定常數(shù)到lgKs增加到4.0，由此推測客體烷基與杯芳烴空腔存在某種程度的疏水相互作用，兩者形成內(nèi)式配合物。Pappalardo和Parisi等合

19、成了1，3對叔丁基杯5冠醚化合物，核磁共振測定該化合物與烷基胺離子RNH3+在CDCl3-CD3OD中的配位作用，表明下緣取代基的空間阻礙作用以及客體陽離子的形狀對客體配合物穩(wěn)定性有重要影響。 如R=H (取代基較小)時，其可以與n-Pr-NH3+, n-Bu-NH3+, i-Bu-NH3+通過-NH3+與冠醚間的氫鍵作用無選擇性地形成配合物，而與i-Pr-NH3+、s-Bu-NH3+ 和 t-Bu-NH3+ 無配位作用。而酚羥基被取代后，如R=CH3 等，則僅與直鏈烷基胺離子形成內(nèi)式配合物。由烷基鏈上質子受芳環(huán)屏蔽產(chǎn)生的位移值,可估算配合物穩(wěn)定常數(shù), 其中與n-Bu-NH3+形成1:1配合物

20、穩(wěn)定常數(shù)分別為86 dm3.mol-1 和 83 dm3.mol-1. Shinkai等在考察對磺酸基杯6芳烴與酚藍酚藍配位作用時,發(fā)現(xiàn)酚藍自身的最大吸收峰 (660 nm) 在磺酸基杯6 芳烴的存在下紅移紅移到685 nm, 這完全不同于通常的酚藍在非極性溶劑中吸收峰藍移藍移的現(xiàn)象，他們認為通過形成內(nèi)式配合物,杯芳烴穩(wěn)定了酚藍電荷分離酚藍電荷分離的激發(fā)態(tài)的激發(fā)態(tài)，靜電相互作用在此起重要作用。(穩(wěn)定常數(shù)為5.6102 dm3.mol-1)若酚羥基氫被甲基取代, 則稍微紅移至662 nm;若酚羥基氫被十二烷基取代, 高濃度時藍移至603 nm, 歸因于酚藍結合到杯芳烴疏水部位, 而低濃度藍移至5

21、92 nm, 則歸因于酚藍質子參與配位(質子型)。(穩(wěn)定常數(shù)達到2.0105 dm3.mol-1)Arena 等采用1H NMR和量熱法研究了下面兩種水溶性杯芳烴(A和B）與三甲基苯基銨(TMA), 芐基三甲銨(BTMA)和對硝基苯基三甲銨 (BTMAN) 陽離子在中性條件下的配位作用。與構型易變的對磺酸基杯4芳烴不同, 這兩種杯芳烴固定為錐式錐式構象，其中前者選擇性鍵合TMA的Me3N+基團, 后者僅識別TMA的芳環(huán)芳環(huán).改變客體分子結構, 帶電荷的極性基團與芳環(huán)環(huán)間引入亞甲基(BTMA)或在芳環(huán)引入吸電子基團(BTMAN), 前者仍選擇性鍵合Me3N+基團, 后者也選擇性識別BTMAN的M

22、e3N+基團。其中后者給出更高的穩(wěn)定性.AB7.2.4 對金屬陽離子的識別芳香烴本身具有的緊密相鄰的多個羥基和芳香烴本身具有的緊密相鄰的多個羥基和一個一個 體系空洞，使其幾乎能與所有金屬離體系空洞，使其幾乎能與所有金屬離子形成配合物。子形成配合物。由此杯芳烴被廣泛用于對主族金屬、過渡由此杯芳烴被廣泛用于對主族金屬、過渡金屬及鑭系和錒系金屬的識別研究金屬及鑭系和錒系金屬的識別研究Izatt等最早報道對叔丁基杯n芳烴（n = 4, 6, 8) 對 Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+和 Ba2+ 等金屬離子的包結行為。 研究發(fā)現(xiàn)在中性溶液中對叔丁基n芳烴不具有離子載體行為，而在強堿溶液則對

23、堿金屬離子具有顯著的遷移效應。 這些杯芳烴對堿金屬離子具有較好識別作用，但對堿土金屬離子則沒有表現(xiàn)好的有效遷移。 對叔丁基杯4芳烴單陰離子的環(huán)形結構直徑約為0.1nm ；杯6 0.24 nm；杯8 0.48 nm. 因此杯芳烴也存在尺寸效應; 其中對Cs+離子表現(xiàn)出特殊遷移效率, Bohmer 等歸結為Cs+離子與杯芳烴形成內(nèi)式配合物。對主族金屬離子識別對主族金屬離子識別源相源相離子直離子直徑徑/nm對叔丁基杯芳烴對叔丁基杯芳烴對新戊基杯芳烴對新戊基杯芳烴46848LiOH0.152102NaOH0.2042229310KOH0.276 0.71310123RbOH0.304671340121

24、11CsOH0.34026081099641492Ba(OH)20.2701.63.2杯芳烴對堿性溶液中陽離子的遷移杯芳烴對堿性溶液中陽離子的遷移（mol.S-1/m2108） 叔丁基杯4芳烴單陰離子的環(huán)形結構直徑約為0.1nm ；杯6 0.24 nm；杯8 0.48 nm.Proposed structure for the 35Cs+ complexC3v-C3v interconversionMcKervey等首先研究了杯芳烴104a（杯4芳烴） 對堿金屬離子的萃取作用，它對Li+, Na+, K+, Rb+和Cs+的萃取率分別為31.4%, 99.2%, 84.1%, 53.7% 和

25、83.8%.含有羰基的杯4芳烴下緣衍生物對堿金屬離子的萃取率高于被乙酸乙酯基團取代的杯4芳烴。因此它們有可能在堿金屬離子的配位萃取中有重要應用。McKervey等隨后合成了一系列不同尺寸和不同取代基的杯芳烴，并研究了它們在二氯甲烷中對堿金屬離子的萃取結果，研究發(fā)現(xiàn)杯芳烴 104a 對堿金屬鈉（Na+)離子的萃取作用最理想。有人歸因于其預組織錐式構象杯杯4杯杯5杯杯6杯芳烴尺寸對堿金屬苦味酸鹽萃取率影響杯芳烴尺寸對堿金屬苦味酸鹽萃取率影響對于杯5芳烴系列對堿金屬離子萃取能力，從下圖看出，杯芳烴上緣及下緣鄰近羰基的基團為叔丁基（104 d)，對所有金屬離子給出最高的萃取率，當下緣叔丁基脫去后，某種

26、程度上降低了對堿金屬離子的萃取能力。當與羰基相連的基團為甲基時，萃取能力大幅降低。因此, 上下緣取代基均對堿金屬離子的萃取有影響。杯芳烴上緣和下緣取代基變化對堿金屬苦味酸鹽萃取率影響杯芳烴上緣和下緣取代基變化對堿金屬苦味酸鹽萃取率影響Chang等合成了下面杯芳烴衍生物，研究了其對堿金屬離子的遷移效率，發(fā)現(xiàn)它們的遷移速率相對于對叔丁基杯4芳烴母體，大為提高。 其中a, b對Ca2+和Ba2+的萃取率也分別達到5.3-6.4 % 和9.217.9. 由此表明下緣的酯基酯基存在對堿金屬和堿土金屬離子的萃取存在增效作用。a, n = 6b, n = 8Chang 等又合成了下緣引入酰胺基的杯芳烴衍生物

27、，研究了其對堿金屬離子的遷移效率. 發(fā)現(xiàn)與酯基衍生物比較，對堿金屬離子萃取率下降（ Sr2+ Ba2+ Mg2+ ，與CaCl2 水溶液作用后，通過對上緣生色基團的紫外吸收光譜研究，發(fā)現(xiàn)最大吸收峰（437nm）紅移至603nm。在488 nm 給出等吸收點，溶液顏色由微黃變?yōu)樗{綠色。 Kubo等曾報道生色杯4芳烴，研究了其對堿金屬和堿土金屬離子的識別，發(fā)現(xiàn)該化合物對Ca2+離子的靈敏度遠遠大于Na+, K+, Mg2+.IR和NMR研究發(fā)現(xiàn)Ca2+離子可以包結到OCH2CO2基團與杯“錐式”構象的杯4芳烴的空腔中，在99乙醇中，配合物計量比1：1，穩(wěn)定常數(shù)高達7.6106 dm3 / mol，

28、為Ca2+離子檢測提供了潛在分析試劑。 以上研究結果表明，杯芳烴及其簡單修飾杯芳烴可以對堿金屬和堿土金屬離子具有選擇性識別作用，可作為輸送陽離子的理想模型，一般親和力和選擇性的相關因素可概括為：（1）杯芳烴環(huán)空腔大小與金屬離子大小的匹配性(尺寸效應)；（2）杯芳烴構象和陽離子大小的配位選擇性。例如Iwamoto和Shinkai提出錐形異構體對Na+和Li+選擇性高，半錐型和 1，3-交替構象對K+的選擇性高，隨后發(fā)現(xiàn)有時半錐型和1，3-交替構象的親和力高于相應錐形異構體，其識別作用通過陽離子-作用實現(xiàn)；（3）對位取代基不同能影響其選擇性；（4）杯芳烴下緣取代基的種類和數(shù)目也有影響.通常醚、酯、

29、酮對堿金屬離子的親和力大于對堿土金屬離子的親和力，而酰胺的情況則相反。將冠醚殘基鍵入杯芳烴，同樣對金屬離子具有選擇識別作用。Ungaro等合成了一系列的杯4冠醚。上緣取代基為叔丁基，n = 3 時，對K+離子配位能力較強。而且半錐式構象的冠醚配位能力最強。R = CH3 主體分子自身為“錐式”構象，配位后轉變?yōu)椤鞍脲F式”構象.當R= CH2CH3, 未參與橋聯(lián)的苯環(huán)由于乙氧基的位阻效應無法自由旋轉，可以分離出錐式、半錐式、1，3交替三種 構象，其中只有半錐式與 K+離子配位時的幾個氧原子與K+離子軌道匹配, 同時還可屏蔽溶劑; 以這種構象存在時, 杯冠醚的K+/Na+選擇性為1.2104, 高

30、于R為甲基的情況.1,3-交替構象 (n=3, R = H, R= i-C3H7) 的K+/Na+選擇性更高, 高于自然界中的最佳的K+載體纈氨霉素, 由此說明杯芳烴上緣取代基同樣對離子選擇性有影響. Shinkai等合成了擁有四個醚氧鍵的杯4冠醚，這種短鏈冠醚對Na+離子有特殊的選擇性。其中，Na+/K+ = 105.0-105.3擁有四個醚氧鍵的杯4冠醚，在n = 4 時,適合于與Cs+配位,其中1,3-交替構象效果最好.其中R為正辛基時的1,3-交替杯4冠醚的選擇性為：Cs+/Na+ = 3104. Kim等合成了下面式氮雜冠醚殘基杯4芳烴。兩個化合物均對 K+給出高選擇性。B-a對Li

31、+選擇性高，B-b對K+選擇性好。與母體冠醚比較, B-a對Li+ 顯示高選擇性, B-b 對K+顯示高選擇性, 與尺寸效應密切相關.AB雖然氮雜冠醚殘基杯雖然氮雜冠醚殘基杯4芳烴對相應金屬離子萃取率下降，芳烴對相應金屬離子萃取率下降，但其使但其使K+ / Na+, K+/ Cs+選擇性提高選擇性提高。a n = 1b n = 2a n = 0b n = 1Blanda合成杯6芳烴。與金屬離子形成1:1 配合物。兩個杯芳烴均對較大尺寸Cs+的選擇性強于其他金屬離子。后者選擇性更好，如Cs+/Na+ = 1:500, 前者僅為1：100。1，2，3交替錐式錐式構象被認為是兩個冠醚協(xié)同配位一個金屬

32、離子, 而1,2,3-交替構象則被認為是金屬離子在兩個冠醚環(huán)間快速交換, 由于可能存在的靜電排斥, 所以只有一個金屬離子被結合。Kim合成了1，3交替式杯4雙冠醚，其與堿金屬離子的結合常數(shù)lgKs分別為：Na+, 7.94, K+, 9.57, Rb+, 9.18, Cs+, 8.74. 表明其對堿金屬離子選擇性差可能是主體化合物自身擁有兩個不同尺寸的冠醚環(huán)。Beer 合成了醚鏈橋聯(lián)對叔丁基杯4芳烴，過量堿金屬 K離子存在下，可形成完全配位化合物。首先形成陽離子作用結合中間體，然后進入4條鏈圍成的空穴。橋聯(lián)杯橋聯(lián)杯 4芳烴芳烴116與鉀離子的配位過程與鉀離子的配位過程對過渡金屬離子的識別對過渡

33、金屬離子的識別Ti, Fe, Co, Ni, Mo, W, Cu, Zn, Ag, Pd等Shinkai合成了下緣修飾杯芳烴pH = 5.4, 119a, 120a 對Fe3+, Cu2+, Zn2+和Pb2+ 均表現(xiàn)良好選擇性。120a 即使在 pH = 2.2 時仍表現(xiàn)對Fe3+離子的高效選擇性。119b, 120b 對Fe3+, Cu2+, Pd2+表現(xiàn)良好選擇性。119c, 120c 對 Pb2+, Pt4+ 表現(xiàn)選擇性萃取。Vural合成了下緣修飾 對叔丁基杯6芳烴，研究其對Fe3+的萃取與液膜傳輸，發(fā)現(xiàn)，121b比121a萃取能力提高。其萃取能力隨pH值提高而增大。Konig等制備

34、了下緣被乙?；揎椀膶κ宥』紵N，研究了它們對Na+, Ba2+, Tl+, Zn2+, Hg2+, Cu2+ 和Ag+的液液萃取能力，發(fā)現(xiàn)它們均對Ag+表現(xiàn)出一定的萃取能力，而對其他金屬離子的萃取能力較差。隨主體空腔增大，萃取能力也增大，122a 122b 122c.其中酸度的影響也較大,酸性較強時,不利于萃取的進行.陳遠蔭等將硫硒雜冠醚殘基引入對叔丁基杯4芳烴下緣，發(fā)現(xiàn)128a 對堿金屬離子有一定萃取能力。而128b對Ag+表現(xiàn)最高親和力，128c則對 Hg2+表現(xiàn)最高親和力。軟硬酸堿及尺寸匹配決定了主體與離子間的配位作用強度。Loeber 合成了下面的含磷杯芳烴，其具有特殊的配位催化性

35、能。其對過渡金屬離子有優(yōu)良識別能力，能與Pt4+, Pb2+, Ru2+等金屬離子形成螯合物。在催化過程中具有對某些部位的特殊選擇性.7.2.5 對陰離子的識別杯芳烴設計合成應考慮以下因素：（1）陰離子半徑均較大，如單原子陰離子F-(0.136nm), Cl- (0.181nm), Br- (0.195nm), I- (0.216nm)(2) 具有不同的幾何構型: 包括球形，線形，平面形，四面體形（3）有很強的溶劑化趨勢，受酸度影響大，很多陰離子僅存在于一定的pH范圍內(nèi)。Beer 合成了下緣修飾的雙酰胺二茂鐵取代杯芳烴，電化學研究表明，即使體系存在大量Cl- 和 HSO4-，也不干擾化合物A對

36、 H2PO4-的識別.識別順序： H2PO4- HSO4- Cl-ABCB對陰離子沒有選擇性，而C的選擇性與A相似。下面仍是Beer 等的工作，上緣取代基位二茂鈷。研究表明，化合物141 對羧酸根的選擇性較差，而對無機陰離子給出了較好的選擇性，其選擇性順序為：CH3CO2- PhCO2- PhCH2CO2- C10H17CO2- H2PO4- NO3- Cl- HSO4-Br-.化合物142a對陰離子的配位選擇性順序為CH3CO2- PhCH2CO2- PhCO2- -NfCO2-H2PO4-Cl-, Br-, NO3-, HSO4-.異構體142b的選擇性順序則不同，為H2PO4- PhCH

37、2CO2-, CH3CO2-PhCO2-, -NfCO2-Cl-.142a與142b不同的選擇性說明了對甲苯磺?；念A組織對選擇性存在較大的影響。通過在杯芳烴上下緣引入釕配合物得到一類新型杯芳烴a, b。由于具有氧化還原活性和光學活性，便于進行檢測。A 可在下緣空腔包結一個H2PO4-, 其依靠于2個酰胺和一個酚羥基羧形成的氫鍵而穩(wěn)定存在于杯芳烴空穴中。循環(huán)伏安研究表明，即使在10倍 HSO4- 和 Cl-存在下，a 仍能夠選擇感應H2PO4-。a n = 0b n = 1這類化合物表現(xiàn)出與前面化合物相似的性質，與H2PO4-的結合常數(shù)位4400 dm3/mol, 而與氯僅為80 dm3/mo

38、l。 Cl- Br- CN- I- SCN-（146） Cl- Br- CH3CO2- HSO4- H2PO4-（147） HSO4- H2PO4- CH3CO2- Cl- Br- （148）醌氧與陰離子氫形成氫鍵兩個杯芳烴均對HSO4- 有較高選擇性，前者與HSO4- 穩(wěn)定常數(shù)4455 dm3 / mol, 高于F-, PF6-。后者對HSO4- 的選擇性是Cl-, NO3-的100倍。R = -CH2CH2NHC(O)Me雙功能受體雙功能受體1994年Reinhoult報道，兼具陰陽離子結合點位。能選擇性在上下緣分別識別和配位Na+和H2PO4-前者與H2PO4- 穩(wěn) 定 常 數(shù)3900

39、dm3/mol, 與Cl-, HSO4- ,ClO4-等的結合 常 數(shù) 小 于10。其可用于液膜傳輸.選 擇 性 分 離堿 金 屬 磷 酸鹽。后 者 可 同時傳輸Cl- 和Cs+,對 于 親 水性 較 強 的CsCl傳輸速率 常數(shù)達到1.210- 7 mol.m-2.s-.3 杯芳烴為受體的分子催化和模擬酶研究杯芳烴為受體的分子催化和模擬酶研究 相轉移催化 杯芳烴及其衍生物具有萃取和轉移金屬離子的能力，其在相轉移催化研究有潛在應用前景。 高效相轉移催化劑的基本要求：同時具有親脂親水基團，可以在兩相介質中進行物質傳遞。因此，通過在杯芳烴的上下緣進行適當修飾，可以滿足此要求. 1

40、977年，Buriks等發(fā)現(xiàn)，下緣連有乙氧基鏈的對叔丁基杯芳烴在非極性介質中具有相轉移能力，可以解決油-水乳化問題,并應用于石油精練。 Taniguchi 和 Nomura 合成了下面結構的杯芳烴Taniguchi 和Nomura使用上述杯芳烴衍生物進行相轉移催化，研究芐溴和苯酚在堿作用下生成苯甲基苯醚的反應。其催化活性與其他催化劑的研究結果比較如下表 :從上表可以看出：與常用催化劑比較，杯芳烴具有用量少，反應時間短，活性高的優(yōu)點 各種催化劑對苯酚與芐基溴反應的催化活性比較催化劑催化劑苯酚苯酚/催化劑（摩爾比）催化劑（摩爾比）時間時間/h產(chǎn)率（）產(chǎn)率（）159352100聚乙二醇醚聚乙二醇醚5

41、.8380四丁基氯化銨四丁基氯化銨4.820100無催化劑無催化劑2030 此外，他們還研究了杯芳烴對苯酚與二氯甲烷的Williamson 成醚反應的催化作用. 在催化劑存在的情況下，反應24小時后轉化率為 100 %，而無催化劑時的轉化率僅為 0.3%。催化活性高于聚乙二醇和聚乙二醇醚，而活性大小與所用苯酚的類型有關。 OH2CH2Cl2KOH, 40oCO-CH2-O Nomura等則發(fā)現(xiàn)，在三氯甲烷和乙腈中，其對羧酸堿金屬鹽與鹵代烴成酯的反應具有很高催化活性。使用0.4 nm分子篩干燥的CHCl3作溶劑，它對于對硝基芐溴與乙酸鉀成酯反應的轉化率達到 100%。 R-COONa+R-XR-

42、COOR催化效率優(yōu)于季銨鹽和冠醚 。 Shinkai等制備了具有類似結構的杯芳烴，將上緣 -C(CH3)3 換為親酯性更高的-C(CH3)2CH2CH3 ，而下緣僅有一個單元的乙氧基乙氧基，其催化對硝基芐溴與正丁酸鈉的成酯反應的活性與二環(huán)己基并18-冠-6相當。 而當醚氧鏈增長時，其膠束化作用使反應活性反而下降。 -OCH2CH3-C(CH3)2CH2CH3NO2CH2Br+ CH3CH2CH2COONaNO2CH2-OOCCH2CH2CH3 Okada等合成了具有醚鏈的杯4芳烴衍生物，并將之用作Williamson醚合成和Finkelstein反應的相轉移催化劑。 結果表明，在催化苯酚與芐溴

43、成醚反應中，化合物催化活性與上面的相當。 在催化 Finkelstein 反應時，化合物使催化反應速率比沒有催化劑時提高了1.5倍到2倍。 RONaKOH, 40oCROHR-O-R Shimizu等將水溶性膦杯芳烴-金屬配合物作為反相相轉移催化劑，這類催化劑還具有均相金屬催化劑的功能。如該化合物的銠（Rh)催化劑可以作為雙重催化劑催化1-辛烯和1-癸烯的兩相羰基化反應。 結果表明b具有較高催化活性，轉化率高達98%，收率86%，可多次重復使用。 Single-Site Catalysis by Bimetallic ZincCalixarene Inclusion ComplexesOrg.

44、 Lett., 7,5123, 2005L-乳酸的開環(huán)聚合反應高的分子量，低的分散度 1a 和3b以及1b和3a具有相同的催化效率， 聚合物具有相同的端基，表明催化活性位點位于杯芳烴外端。模擬酶 杯芳烴及其衍生物可作為人工模擬酶模擬生物酶的催化功能。 酸催化1芐基1，4二氫煙酰胺水合示意圖 Shinkai等較早開展這方面的研究?；诟视腿?3-脫氫酶催化部分氫化的腺嘌呤二核苷酸煙酰胺煙酰胺的水合過程中，酶作為底物提供質子并同時擁有帶負電荷的基團以穩(wěn)定生成的正電荷中間體的考慮，他們將上緣被磺酸基取代的杯6芳烴（A)A)用作這種酶模型，發(fā)現(xiàn)其能顯著催化1-芐基-1，4-二氫煙酰胺的水合 。 Shi

45、nkai等較早開展這方面的研究。 基于甘油醛-3-脫氫酶催化部分氫化的腺嘌呤二核苷酸煙酰煙酰胺胺的水合過程中，酶作為底物提供質子并同時擁有帶負電荷的基團以穩(wěn)定生成的正電荷中間體的考慮，他們將上緣被磺酸基取代的杯6芳烴（A)A)用作這種酶模型，發(fā)現(xiàn)其能顯著催化1-芐基-1，4-二氫煙酰胺的水合 。（A A） 通過跟蹤實驗中的熒光光譜變化，認為1-芐基-1，4-二氫煙酰胺被包結到受體的空腔中，下端羧基提供質子，上端磺酸基負離子穩(wěn)定正電荷中間體，從而使第一步（速控步）加快而加速水解。Gutsche 等 發(fā)現(xiàn)杯芳烴衍生物（B B）也能加速上述反應，將磺酸基替換為羧酸基后，反應效果變差，可能上端羧酸基負

46、離子不易形成，不利于穩(wěn)定正電荷中間體。 （B B） Shinkai等將杯芳烴季銨鹽用作水解酶模型，它能夠催化十十二烷羧酸對硝基苯酯二烷羧酸對硝基苯酯的水解。研究中發(fā)現(xiàn)，易形成主客體配合物的杯6芳烴比相應的不易形成主客體配合物的杯4芳烴有更高的催化活性。 因此，作用過程主要通過形成內(nèi)式配合物進行，并非簡單的去屏蔽機理。 n = 4, 6+NO2OOC-C11H23-nNO2OHHOOCC11H23-nUngaro等將冠醚杯芳烴成功用于水解酶模型。 研究發(fā)現(xiàn)其對乙酸酯的甲醇解在沒有金屬離子存在時反應極慢。 但加入少量Ba2+后，可使反應加速100萬倍以上，效率與轉?；皋D?；赶喈敗?CH3COO

47、RCH3COOCH3-ORCH3O- 其原因是主客體配合物的Ba2+能穩(wěn)定親核加成時產(chǎn)生的負離子中間體，使親核加成控速步的反應速度顯著提高。 其在被Ba2+活化后，在中等強度的堿性條件下能作為有效的?；D移催化劑。 它可以使對硝基苯乙酸酯（p-NPOAc）的水解速度增加10倍。其反應機理如下：核糖核酸酶催化機理核糖核酸酶催化RNA水解分兩步進行：1。RNA呋喃環(huán)上C-2羥基進攻磷原子，將原有磷酸二酯轉化為環(huán)狀磷酸二酯環(huán)狀磷酸二酯，RNA鏈斷裂。2。酶催化水分子進攻此環(huán)狀磷酸二酯，在RNA核糖糖單元的C-3上生成磷酸單酯，而在C-2上重新生成羥基。 在核糖核酸酶（124個氨基酸殘片的牛胰核糖核酸

48、酶）中，催化基團是組氨酸12和組氨酸119 的2個咪唑環(huán)，其中一個以中性咪唑環(huán)形式存在，作為一般堿催化劑；另一個咪唑環(huán)質子化，作為酸催化劑，兩者交替使離去基團質子化或增強親核試劑的親核性。 Reinhoult等合成了一系列吡啶基修飾杯4芳烴鋅(II)配合物和咪唑基修飾杯4芳烴銅(II)配合物，將它們作為核核酸模擬酶酸模擬酶。 在適合pH下可以顯著催化RNA酶模型底物2-羥基丙基-對硝基苯基磷酸二酯的環(huán)化反應，其中化合物A使反應加速 2300倍，化合物B加速 10000倍。即使在底物過量4倍時仍具有催化周轉活性。AB 此外，該類模擬酶具有對底物的選擇性，如果酯的醇部分沒有羥基取代基則沒有活性，催

49、化機理如下：2-羥基丙基-對硝基苯基磷酸二酯7.3 7.3 杯芳烴為受體的超分子組裝杯芳烴為受體的超分子組裝 分子內(nèi)和分子間的氫鍵相互作用氫鍵相互作用是杯芳烴自組裝的主要作用方式。例如，通過在杯芳烴邊緣引入脲基或硫脲基團后，可以通過脲基間的氫鍵相互作用構筑二聚體。 Rebek等將等將脲基脲基連到杯連到杯4芳烴和對芳烴和對苯基杯苯基杯4芳烴的上芳烴的上緣，兩個四脲取代緣，兩個四脲取代杯芳烴的氫鍵給體杯芳烴的氫鍵給體和受體相互間作用，和受體相互間作用，形 成形 成 1 6 個 分 子 間個 分 子 間C=O.H氫鍵，組氫鍵，組裝成為裝成為“頭對頭頭對頭”式二聚體。由于有式二聚體。由于有中空結構，被

50、稱為中空結構，被稱為分 子分 子 “ 膠 囊膠 囊 ”（Capsule).A1和A2是兩種典型的分子“膠囊”。 前者有直徑為0.7 nm的接近球形的空腔，內(nèi)部容積0.2 nm3, 可以與苯、氯仿和樟腦等分子可逆結合；由于客體分子交換速度較核磁共振時間慢，可通過1HNMR 檢測到結合與未結合的底物分子。 后者為橢球形，內(nèi)部容積0.4 nm3，可與雙苯環(huán)客體分子結合，其與聯(lián)苯、聯(lián)吡啶類客體分子的結合常數(shù)高達 5.6103 dm3/mol 1.9105 dm3/mol。 Ungaro等合成了上緣修飾的1，3交替4芳烴二甲酸和 1，3，5交替杯6芳烴三甲酸，這兩種衍生物具有錐式構象，在氯仿中可以通過甲酸基團的分子間氫鍵結合成二聚體，如下圖，它們可以有效結合 N甲基吡啶甲基吡啶客體分子。 Shinkai等則合成了吡啶修飾杯芳烴和甲酸修飾杯芳烴，兩種杯芳烴衍生物間通過吡啶氮和羧基氫形成氫鍵吡啶氮和羧基氫形成氫鍵進行組裝。 Gonazalez等合成了雙吡啶羰基（嘧啶結構）修飾的杯4芳烴基本結構單元，由于分子間1，3交替構象，兩個分子間可以通過8個氫鍵在氯仿中組裝成為二聚體，其