1、杯芳烃对有机小分子识别作用的研究进展辽宁大学自然科学版第 3O 卷第 1 期 2003 年JOURNALOFLIAONINGUNIVERSITYNaturaliencesitionV01.30No.120o3杯芳烃对有机小分子识别作用的研究进展史春越,曹家庆,范平(辽宁大学化学科学与工程学院,辽宁沈阳 110036)摘要:简要综述了近年来杯芳烃识别有机小分子的研究进展 ,主要涉及以非共价键作用发生的包结作用及作用方式.关键词:杯芳烃:识别作用;有机小分子.中图分类号:0622.1 文献标识码:A 文章编号:10005846(2003)01.008205杯芳烃(Calixarenes)一般是指由
2、亚甲基桥连苯酚单元所构成的大环化合物 tll,其结构如图 1所示:(图 l 杯n】芳烃 n:4.5,6,7,8(Calixnarenes)laR:-C(CH3)3R:Hn:42aR:-C(CH3)2CH2C(CH3)3R:Hn:4lbR:一 C(CH3)3R:.C(X32H5n=42bR:R:Hn=4近几十年来,关于杯芳烃类化合物在金属离子萃取,有机催化反应和可作为模拟酶化合物等方面的研究非常活跃,由于该类化合物具有富,c.电子的疏水空腔及特殊的立体化学结构,在对有机小分子的识别上显示出极大的优势,被誉为继冠醚和环糊精之后的第三代主体分子2-5】.正因为如此,近年来国际上有关杯芳烃的应用研究发
3、展迅猛,其相关的文献,专利层出不穷.本文简要综述了近年来杯芳烃识别有机小分子的研究进展,主要涉及以非共价键作用发生的包结作用及作用方式.1 杯芳烃对有机小分子的识别作用20 世纪 80 年代中期以来,Gutsche 等几个研究组分另报道了杯芳烃及其衍生物能识别多种有机小分子,与它们形成稳定的包结物61 引.这些小分子包括氯仿,二氯甲烷,甲醇,苯,甲苯,苯甲醚,吡啶,氧化吡啶,二氧六环等,分子识别的主要推动力为氢键作用,静电作用和疏水作用,而空穴大小则是主要的选择性依据.1986 年,MckerveyJ 领导的研究组合成了杯4,杯6及杯8芳烃的多种酯类衍生物并报道了杯4芳烃酯类衍生物(1b) 与
4、乙腈形成化学计量 1:1 包结物的晶体结构.这是首次对非芳香客体与杯芳烃衍生物所形成的包结物晶体结构进行的报道,并且证实该包结物为笼形包结物.进入 90 年代后,为了更加有效地识别有机小分子,人们对杯芳烃类化合物的结构及其多种可行的衍生物进行深入研究的基础上,又对其在分离和纯化有机小分子方面进行了有意义的探索.Hamann 等人16J 在 1996 年提出了带有脲基官能团的杯4芳烃可以通过头.尾氢键作用形成二聚体,这种二聚体能够与氟代苯形成化学计量1:1 的包结物.实验中,当客体分子氟代苯加入到?佳童瞳立:史春越(1978.), 女,辽宁省沈阳市人,硕士研究生 ,从事有机合成化学研究收稿日期:
5、2002.09.05.一第 1 期史春越.等:杯芳烃对有机小分子识别作用的研究进展 83上述二聚体的溶液中 FNMR 谱图在高场处出现一新的单峰.这是由于包结后的氟代苯的邻,间,对位氢原子有着不同的化学位移,这说明该客体进入到空腔的特定位置:邻位和间位氢原子位于杯芳烃苯环的一电子体系内,而对位氢原子和氟原子位于闭合环的脲基处,积分表明二者大约按 1:1 化学计量比络合.该类主体对其它客体如吡嗪,对二氟代苯的识别和包结作用也可直接从核磁共振谱图中观测到.随后,Ungaro 等人【l7】合成了几种具有高度的预组织作用和刚性锥形构象的杯4】芳烃衍生物.进一步的工作表明其中具有一供体和刚性桥连的杯【4
6、】芳烃衍生物在气相中对一系列中性有机分子有包结作用,而其余的则能够在气相或氘代氯仿溶液中,络合具有酸性氢的有机小分子,如CH3NO2 和 CH2(CN)2.1998 年,Schatz 等人【ts指出对叔丁基杯4】,杯6】 芳烃包结客体分子甲苯,邻二甲苯,间二甲苯,TFIF,氯仿 ,丙酮,二氯甲烷 ,二硫化碳等的化学计量比(从 1:2 到 4:1)可简便有效地通过热分析,质谱和固态 C-NMR 谱来实现表征.早在 1991 年,Perrin 及其同事 Ltg首次实现了用杯4 】芳烃选择性分离二甲苯的异构体.结果表明,对异丙基杯4】芳烃(p-isopropyiealix4】rene)和对异丙基双氧
7、杂杯4】芳烃(p-isopropyibishomooxa-calix4】arene)分别对邻二甲苯和对二甲苯有显着的选择性.1994 年,Atwood20 和 suzu21】先后发现锥形构象的杯【8】芳烃内径为 8.610I10m 与 C60直径 7.110I10m 相匹配,可形成核.壳式 1:1化学计量比的包结物.由于该包结物在大多数有机溶剂中很难溶解.可以通过分级沉淀有效地把C60 作为沉淀物而提纯.1999 年,查一五等人【22】改用溶解 c更好的溶剂 ,这样不仅成本下降 ,简化了后续处理,而且纯度也比前面报道的高.因此.改进后的方法有望成为大规模分离制备高纯 C60的更有效的方法.此外
8、,杯芳烃类衍生物也能够识别较大的有机分子,可与多种芘23】,醌24】,二茂铁【25I,甾体【引,笼碳【引,染料分子【28】等形成稳定的包结物.目前,围绕杯芳烃的手性识别和仿生物酶等的研究正向更深和更广的方向发展【一 501.2 杯芳烃包结有机小分子的作用方式2.1 穴状空腔(criptato-cavitate)笼形包结物杯【4】芳烃(1a)tst中叔丁基的甲基与芳香族客体分子如甲苯24】的芳核间存在稳定的相互作用,在晶体衍射中观察到该包结物具有分子内主一客体特征:甲苯被容纳在 la 分子的空腔内.在该包结物中,甲苯分子通过 C-CH3 键位于 la 的四重轴上,因此它在 1a 的空腔内有两个相
9、等的方向.许多实验事实表明杯芳烃对芳香族客体的包结络合程度依靠于杯芳烃对位的取代基,如对叔丁基或对叔戊基杯4】芳烃与甲苯形成的包结物比不含叔丁基或对叔辛基的要牢固得多.这种CH3-相互作用的结论后来也为 Bauer 和GutSche【52在研究溶液中杯芳烃和多种客体分子的相互作用的工作所证实.因此.Weber 和joselt53根据主客体类化合物命名规则把具有此种作用方式的包结物称为穴状空腔笼形包结物.Ungaro 等人还报道了一种具有上述穴状空腔的包结物【54】,它是由对叔丁基杯4】芳烃(1a)与茴香醚 2:I 化学计量比络合而形成的,晶体可通过在 la 的茴香醚溶液中慢慢蒸发茴香醚而获得.
10、在该包结物中,不显电性的客体被包裹进由两分子 1a 所围成的闭合笼形结构中,其中 1a 的叔丁基与茴香醚的芳核发生相互作用.茴香醚无序地分布在至少 8 个等价方向上.其中 4 个方向是茴香醚.OCH3 沿着四重轴指向闭合笼形结构中的一分子 la 的内部,另外 4 个方向则是.OCH 指向另一分子 la 的内部,该复合模式对无序体系是很有利的.前面曾提到 Mckervey 等人的工作中 ,当只在杯芳烃主体分子中的酚羟基进行官能化时.就会破坏杯芳烃完整的锥形构象,减少了其对称性排布,但他们在羟基官能化的杯4】芳烃衍生物(1b)与乙腈形成的包结物的 X 射线图中惊奇地发现:该穴状笼形包结物仍维持由主
11、体杯芳烃所形成的完整的锥形构象,乙腈分子插入到杯芳烃空腔内部,其氮原子指向外部.84 辽宁大学自然科学版 2003 薤Cram 等人】在杯芳烃衍生物的芳杯上与亚甲基相邻的两个碳原子间引入一 O-si(R)20 一官能团而使其构象具有刚性,二硫化碳客体分子则进入该刚性的预组织主体中.此主体也能够与丙炔形成穴状笼形包结物,丙炔的甲基位于空腔外部.2.2 管状【tubulato) 笼形包结物Anddreetti 等人563 曾指出对叔丁基杯4芳烃(1a)与芳香族客体分子形成包结物时,客体分子总是占据着杯芳烃的分子内空腔,而其分子间空隙则是空着的.随着研究的深入,他们指出这类化合物的包结行为不总是按照
12、上述情况发生,它是受环的大小,苯酚对位取代基的性质和环构象的刚性程度等几种因素的影响.他们报道了杯4芳烃衍生物(2a)与甲苯形成的化学计量 1:1 包结物时仍采取锥形构象.但与对叔丁基杯4芳烃(1a)不同的是,2a 的锥形构象不能使甲苯分子进入其分子内空腔,而只能进入由 2a 分子堆积形成的分子间空隙内.为了与以前的工作相对照,将这种包结物称为管状笼形包结物.这说明单一靠主体分子中存在的锥形构象不足以确保分子内包结作用的发生,其它因素的影响也很重要:如苯环对位取代基既不能太大(如 2a 中有两个辛基链的末端叔丁基指向空腔内,阻止了甲苯分子的进入),也不能太小(否则不能包裹住客体分子).Coru
13、zzi 等人81 也报道了对叔丁基杯4芳烃(1a)与对二甲苯形成穴状笼形包结物而杯4芳烃(2a)与芳香族分子s8】 则形成管状笼形包结物的实验结果.在此基础上,他们还研究了杯5芳烃与丙酮形成化学计量 2:1 笼形包结物的晶体和分子结构.Ungaro 等人【59J 还指出杯 4芳烃(2a) 与苯 1:1 络合,杯【4芳烃(2b) 与四氯乙烷 3:1 化学计量比络合均属于管状笼形包结物,并详细阐述了杯4芳烃(2b)60-61】与丙酮形成化学计量 3:1和 1:1 包结物的特征.杯4芳烃(2b)在脂肪族溶剂和芳香族溶剂中均易溶解,通过其在 1,2,4,5 一四甲基苯或百里酚存在下的几组结晶实验而进一
14、步阐述 CH3 一,c相互作用对稳定主.客体中性络合物起着重要作用.在百里酚存在下,获得与丙酮 3:1 化学计量比络合的笼形包结物的六方晶体;在四甲基苯存在下.获得与丙酮 1:1 化学计量比络合的笼形包结物的斜方晶体.在这两种晶体中,主要由于苯环与桥连亚甲基平面间角度的不同,杯芳烃分子都失去了四重对称性而具有平面对称性,二者的几何构象有着明显的区别.在六方晶体中 2b 的两个相对的苯环被推进空腔内部,而另外两个则被推向外部.这种扭曲不会影响分子内氢键作用,它主要破坏了桥连亚甲基碳原子的键角,如从六方晶形到斜方晶形其键角变小了,分子间的堆积力也相应减小了,杯芳烃的构象和分子形状也随之改变.因此,
15、杯4芳烃(2b)与丙酮形成化学计量 3:1 包结物的六方晶体表现出管状笼形包结物的分子排布;而杯4芳烃(2b)与丙酮 1:1 化学计量比络合所观察到的分子排布为斜方晶形,是一种介于穴状空腔笼形包结物和管状笼形包结物之间的分子堆积形式.Ungaro 把此类包结物称为中间添加状(in terealato)笼形包结物 .2.3 一些新的进展由于杯芳烃分子的空穴大小可调.其上沿烷基取代基和下沿酚羟基,以及桥连亚甲基均能进行各种选择性官能化.因此近年来,人们根据不同的目的设计合成具有特殊结构和高度选择性的主体分子,其识别作用也从单部位识别发展到多部位或多重识别(multiple recognition)
16、,并向不对称识别发展,识别所带来的特殊功能已引起生物化学界的高度瞩目.2000 年,Ardulni 等人62j 设计在杯【4芳烃酚羟基对位选择性官能化引入一个取代基苯基脲基,得到的主体能够在非极性介质中对带有特殊官能团的客体分子酰胺进行识别,并通过两个结合部位来表征:一是刚性的杯【4芳烃空腔,客体酰胺中.NH 与其,c 一电子发生相互作用.这决定包结的有效性和选择性;二是在酚羟基对位引入能够形成强烈的氢键作用的侧链苯基脲基,酰胺中一 CO 与其一 NH 发生氢键作用.这决定分子识别的程度.为了说明上述两个方面缺一不可,他们还合成了几种只具有一个结合部位的主体,均观测不到对一系列酰胺的包结作用.
17、根据这种作用原理可以设计合成新一代对酰胺包结作用第 1 期史春越,等:杯芳烃对有机小分子识别作用的研究进展 85更好的杯芳烃主体分子,它们在生物领域中对肽及表层蛋白质的识别作用方面具有极大的应用前景.3 结语和展望利用人工合成的具有高度选择性的主体与适当的客体之间的分子识别功能建立仿生物酶模型的研究,已成为生物有机化学前沿极具挑战性和应用前景的新兴领域.近年来,人们已经发展了多种人工模拟酶,其中功能化了的杯芳烃作为仿酶模拟物并且将其分子识别功能应用在生物领域,有望成为新世纪杯芳烃化学的重要研究课题.参考文献:1】GutseheC.D.,Iqbal,M.,StewartD.,Org.ChemJ】
18、.1986.151:742.2】ShinkaiS.,TetrahedronJ 】.1993,49:8933.3】IkedaA.,ShinkaiS.,J.Am.Chem.SocJ 】.1994,116:3102.4】InokuchiF.,MiyaharaY.,eta1.Angew.Chem.Int.Ed.EnglJ】.1995,34:1364.5】AsfariZ.,B6hmerV.,eta1.Calixarene2001.KlumerAcademic,Dordrecht,2001.6】GutscheC.D.,DhawanB.,eta1.J.AM.Chem.SoeJ】.1981,103:3782.
19、7AndreettiG.D.,UngaroR.PochiniA.J.Chem.Soc.,Chem.CommunJ】.1979,1006.8】ConmiM.,AndreettiG.D.,BocchiV.eta1.J.Chem.Soc.,PerkinTram.2J】.1982,1133.9】NinagawaA.MatsudaH.M.Chem.RapidCommonJ】.1982,3:65.10】NakamotoY.,IshidaS.M.Chem.RapidCommunJ】.1982,3:705.11GutscheC.D.“Calixarenes“TheRoyalSocietyofChemistry
20、B】.1989.12】ChenS.H.,YuX.Q.,ZhaoH.M.ExplorationofNatureJ】.1990,2:48.13】ChelaS.H.LaoG.R.“BioorganicChemistry“SichuanDaxuePublishingHouseJ】.1991,272.【14GutscheC.D.,Ace.Chem.ResJ】.1983.16:161.15】MckerveyM.A.,SewardE.M.eta1.J.Org.ChemJ.1986.51:3581.16】HamannB.L.ShimizuK.D.,RebekJ.J.,AngewChem.Int.Ed.EI1glJ】.1996,35:1326.17】1819】20】21】【22】23】24】
