1、 目 录中文摘要 .1Abstract 11. 引言 22. 环蕃化合物简介.23. 环蕃的应用.33.1对阴离子的识别 33.2对阳离子的识别.43.3对氨基酸的识别53.3.1 手性咪唑鎓环番的合成.63.3.2 手性咪唑鎓环番对 -氨基酸及其衍生物的对映选择性识别.63.4与 DNA 的作用 .73.5 环蕃应用于分子转子.83.6 洞状环蕃对客体分子的识别.93.6.1 合成路线. 93.6.2 识别原理.94. 取代基对环番的影响 105. 环蕃的发展前景.11参考文献 121致谢 . 13环番化合物的研究进展苏艳化学化工学院化学教育专业 2005 级 1 班 指导教师：蒋宗林摘要：
2、 环番是一类人工合成的主体分子，其疏水洞穴的大小、形状及微环境等可根据客体分子进行设计，尤其是功能化的环番可以提供额外的分子间弱相互作用力，如静电吸引，氢键等，洞状化合物 (Speleand)是大环化合物的一个属类 。由于环番化合物的结构易变，已经在分子识别、手性合成催化、超分子化学等方面得到广泛的应用,因此对环蕃化合物的研究受到广泛重视。本文综述了近年来环番类化合物的合成及应用研究进展，参考文献13篇。关键词：环番 超分子体系 分子识别 综述The research progress of cyclophanesuyanCollege of Chemistry and Chemical En
3、gineering Chemical EducationGrade2005 Instructor : jiangzonglinAbstract: The cyclophane is a kind of artificial host molecular, we can design the caverns size, the shape and the micro environment according to the gust molecular. Specially the functionalization cyclophane which may provide the extra
4、interaction between moleculars, just as the electrostatic attraction, the hydrogen bond and so on. Speleand is a kind of miccycle compound.The structure of cyclophane is variable , so it has been widely applied in molecular recognition, the catalysis of asymmetric syntheses and supramolecular chemis
5、try ,etc. The researches of cyclophanhas recently received considerable attention. This paper summarys the synthesis and application of the cyclophanes in the last two decades years, 13 literatures have referenced.2Keywords: cyclophane supramolecular system molecular recognition summary 1 引言超分子化学是当今
6、化学中发展迅速、极具前景的研究领域分子识别是形成超分子化合物的基础相对于阳离子识别，阴离子识别的研究很少，是富有挑战性的重要课题 设计、合成适宜的配体，研究对不同无机、有机阴离子两性分子等的选择识别作用以及超分子催化作用具有重要意义 。环番是一类人工合成的主体分子，它不仅兼备环糊精，冠（穴）醚和多齿配体的一些特点，还具有合成方法与结构修饰的灵活多样性，能更好发挥氢键、疏水作用、静电作用、-、阳离子- 的协同效应，可望发展为更优越的仿酶体系。探索生命奥秘一直吸引着人们的兴趣，学科间的交叉融合使得人们可以从化学的角度去认识生命现象。对生物功能体系进行分子模拟，设计合成具有仿生功能的分子或分子集合体
7、，研究其分子识别、非共价键作用、模拟酶、分子组装等仿生功能，开发其在生命科学，材料科学，人工智能等领域的应用是仿生化学的重大课题，也是当今化学发展的前沿领域之一。2 环蕃化合物简介环番是一类含苯等芳香环，以亚甲基和杂原子作为骨架桥的环状分子。环番的命名和分类均比较复杂。通常，根据环番空腔的大小分为小环番（如图1）和大环番（如图2）小环番张力较大导致环番中的芳环变形，其物理化学性质都不同于一般芳烃，表现出许多有趣的特性，如跨环电子效应和环加成反应等 1。大环番，其中的芳环的平面性，电子性以及反应活性虽与一般的芳烃区别不大，但环番的疏水性空腔能利用疏水作用，氢键，范德华力，静电力等非共价键作用选择
8、性识别，包结客体分子，根据需要人们可设计不类型的环番，或对环番进行修饰，进一步调节环番的疏水性和亲水性，改变其识别和包结底物的能力。本文论述了环番识别包结底物的特性。31 2NHHN NHHN3 环番的应用3.1 对阴离子的识别对阴离子的主体-客体系统在超分子化学的发展中有着十分重要的作用。特别是用人工制造的主体分子去识别阴离子客体分子是一个研究活跃的领域。在过去的二十年中人们做了不少努力致力于发展对阴离子是识别和检测以及转移。值得指出，对阴离子的识别较之阳离子要困难得多，因为阴离子通常具有如下一些特性：阴离子较阳离子体积大，需要主体分子有较大空腔；阴离子有不同的几何形状，要求主体分子有适宜的
9、结构与之匹配；同时，阴离子电荷密度低，静电作用比阳离子弱，要求供体原子必须有正电荷或吸电基。通过铵基或胍基形成氢键是识别阴离子的主要方式。由于阴离子的特性设计有效的主体对其进行识别仍然是一个很有挑战的课题.在过去的二十年里由于环番化合物的大环特性以及多变的结构特征使得他们在主客体识别和分子组装以及超分子催化等领域引起人们的关注。尽管在这些方面已取得很多进展，但是在具有阴离子选择性识别能力的环番并没有得到完全充分的开发。对这类环番主体的设计要求对相应阴离子的电性和几何结构有所了解。用可提供氢键的代正电的基团利用静电引力，特别是氢键可提供阴离子和主体分子之间的引力。基于这一原则，近年来，已有一系列
10、以铵和胍基为基础的环番类化合物作为主体对阴离子进行识别 10。咪唑是生物体中的一类重要物质。1，3 取代咪唑是一类较好的阴离子识别主体。他们通过形成非常规的氢键是阴阳离子相连，在这一方面，Howarth,Sato 和他的同事已经进行了一系列的研究，他们发现可以设计开链的咪唑盐在有机溶剂中对阴阳离子进行选择性识别。与其他铵类环番不同的是咪唑环番在酸或碱介质中都能保持稳定。这意味着咪唑环番对阴离子的选择性识4别使用与更多的介质中。近年也有不少关于咪唑环番的合成和结构的研究。如1999 年 Alcalde 和他的同事已咪唑为主体对阴离子的识别。他们发现 CHCl-在有形成的氢键在阴离子的识别中起着重
11、要的作用，不论是在固态还是在溶剂中都是这样。另外，袁艺和他们同事研究咪唑和苯并咪唑对卤素阴离子的识别 2 如图 3NN NNN N NNNN NN PF6Br BrMeCN2PF-6.2NNN N NNHHNBr BrMeCN 2X-(CH2)4NNN NNBr Br .2X-2X- X-: PF-6,Br-2X- X-:PF6-, Br-Br BrNHNN N+HN+ .2X-(CH2)4MeCNMeCN2X- X-: PF-6,Br.NNN NN33.2 对阳离子的识别杯芳烃实质上是一种特殊的环番(Metacyclo-phane)，这类大环化合物具有结构灵活多变(尤其是构象变化)、易于修饰
12、的特点。在环的上缘和下缘引入适当的功能基团所得到的主体，能借助于氢键、静电作用、范德华力、疏水作用、阳离子- 作用、- 堆积作用及诱导契合等非共价键协同作用来识别客体分子，从而实现配位、催化和能量转换等特殊功能。在杯芳烃上下缘引入各种基团的功能化杯芳烃，可以构成以杯环为骨架的带有亲脂性、亲水性和离子载体的受5体，能与不同大小、不同性质的客体分子相匹配，如与有机分子、阳离子以及阴离子形成主一客体或超分子配合物。识别配位作用取决于杯环大小、构象及环上取代基的性质。且由于杯环的柔韧性，而具有特别良好的诱导契合能力 。如文献 3中的介绍。通过溶剂萃取法研究了两种含氧硒原子醚链基团取代的取代的杯芳 4a
13、 和 4b 以及三种杯芳环桥连氧硒杂冠醚 5a，5b 和 5c 对一价碱金属和二价碱土金属以及一些过度金属阳离子（包括铵离子）的识别行为。从 4a 和 4b 对阳离子的萃取可以看到，二者对碱金属离子和铵离子的萃取率都比较低，主要原因是主体杯芳烃中的软配位硒原子与高水合的主族金属离子结合较弱，而对于多数二价离子来说，同样由于离子软硬不匹配的问题也没有较好的给出交好的萃取率，但是 4a 和 4b 对于 Ag+和 Hg2+则表现出较高的萃取率，这主要是软硬匹配的结果，即“软”的 Ag+和 Hg2+与“软”的硒原子容易形成稳定的配合物。 由于 5a，5b 和 5c 分子中增加了冠醚体系，使得他们整体上
14、的萃取效果高于 4a 和 4b，拥有较大的吡啶取代基的 5b 和 5c 对所有阳离子的萃取率明显大于 5a，但选择性较差。在这三者对阳离子的萃取中，较硬酸碱原则所起作用并不明显，尤其对 5b 和 4b 更是如此。通过对杯芳烃的芳环进行各种功能化修饰，即引入多种不同结构和性质的取代基，可以使其对阳离子的萃取率产生较大的影响。 MeO Se OMeSeO OR2 R2R2R2OHHOn nSe SeO OR2 R2R2R2OHHOn nNSeSeO OR2 R2R2R2OHHn n4a:n=1; 4b:n=2 5a: n=2 5b: n=1; 5c: n=33.3 对氨基酸的识别新型手性咪唑环番的
15、合成及对氨基酸的对映选择性识别超分子化学是当今发展迅速、前景广阔的研究领域在这一领域中，冠醚、环糊精、杯芳烃及环番等已成为研究热点环番由于兼备冠醚、环糊精和多齿配体的特性，在主客体识别、超分子催化、模拟酶、分子自组装、材料科学等方面受到广泛关注 11-613手性物质与生命活动密切相关，手性识别是生物化学中最基本的过程之一如， L-组氨酸的咪唑基作为重要“生物配体”，参与了生命体内许多重要的生物化学反应，对生命活动起到重要作用因此，设计合成手性开链或环状咪唑、咪唑鎓化合物，进行手性识别、超分子催化、模拟酶和分子自组装研究，探索生命活动过程的奥秘具有重要意义郭生金等人研究了新型手性咪唑环番的合成及
16、对氨基酸的对映选择性识别 4：以L-丙氨酸、 L-亮氨酸和 L-苯丙氨酸为手性源，经过缩合、酯化和胺解反应得到开链双手性咪唑二酰胺(8a-8c) ，最后在无水和高稀淡条件下与多种二溴化合物进行季铵化关环和阴离子交换反应，合成了一系列含有多个手性中心的咪唑翁环番(9-11)采用UV Vis光谱研究了此类手性环番对手性氨基酸及其衍生物的对映选择性识别研究目标分子由于存在多个氮、氧原子和手性中心，对-氨基酸及其衍生物表现出了很好的对映选择性识别3.3.1 手性咪唑鎓环番的合成NH2COOHROHO H H HO, ,NaOH,NH3,H2O(2) CH3OH,SOCl2NH3COOCRNNH2 NH
17、2CH3OH,refluxNNR HNONHO RNN(1) YBr Br, CH3CN, reflux(2)NH4PF6 NNHNONHO RNNY2PF6-R=CH3(a),(CH3)2CHCH2(b),PhCH2(c);Y= NClOH(9) (10) (11)9-11876(1)3.3.2 手性咪唑鎓环番对 -氨基酸及其衍生物的对映选择性识别在25下，以乙腈-水作溶剂(体积比1：100)，固定主体浓度(1.010 -5molL)，连续改变客体浓度(2010 -41810 -3 molL)，体系的最大吸收呈规律性下降，表明主客体分子之间发生了识别配位作用为消除客体化合物浓度及体积的改变对
18、吸光度的影响，采用相同浓度的客体溶液作参比，所加客体溶液总体积不超过100L 每次加入客体后即得到相对于主体初始浓度的吸光度的变化A根据Hildebrand-Benesi方程，对A 进行非线性最小二乘法拟合，7获得主客体结合常数K，并比较对映识别效果(K LK D )。 采用UV-Vis光谱法研究了此类手性咪唑鎓环番对-氨基酸及其衍生物对映选择性识别能力结果表明，主客体之间形成了1：1超分子配合物，主体分子对所考察的氨基酸及其衍生物均具有识别能力由K LK D可以得出，主体分子对大多数构型客体的识别能力高于D构型的，主体9a，11a11b对D构型组氨酸甲酯盐酸盐的识别能力高于L构型的主体分子对
19、客体苏氨酸的识别作用较弱，而对侧链含芳基的客体显示出了较好的手性识别效果这是由于主体分子的桥联基上芳环与侧链含芳基客体的芳香环的-堆积作用引起的同时，芳香族客体在尺寸上可能与主体分子匹配得更好，所有主体分子对苯丙氨酸的对映识别 K LK D均大于化合物7主体分子环番侧链的变化造成的微环境效应对手性识别能力也有较大影响当侧链为苄基时，对苯丙氨酸的对映识别能力增大例如化合物11b对手性苯丙氨酸的对映识别K LK D分别为2.09，而化合物11c的K LK D达到了3.41，这仍是由于环番11c的侧链芳环与客体的芳环间存在-堆积作用引起的主体咪唑嗡环番的桥联基团对客体的手性识别能力也有一定影响当桥联
20、基团为吡啶环或对氯苯酚时，其对客体的对映识别较好如10a对苏氨酸的对映识别优于9a这可能是由于吡啶环中的氮原子、对氯苯酚的酚羟基均能与客体形成氢键的原因主体咪唑嗡环的C2-H能与客体的羰基形成氢键可以推断，在本文主体分子的两个咪唑鎓环上的C2-H也应该能够与氨基酸或其衍生物的羰基形成C2-H0=C氢键，氢键的存在对于主客体间对映选择性识别能力的提高有较好的贡献同时，客体分子的氨基、羰基等分别与环番分子的羰基、酰胺氮氢之间形成多重氢键作用，成为主客体间相互作用的重要推动力。3.4 新型咪唑鎓环番的合成及其与 DNA 相互作用以咪唑鎓正电荷为结构单元构筑的咪唑鎓型环番可发挥大环效应、范德华力、氢键
21、、-堆积及阳离子 -等相互作用，而在主-客体化学、超分子化学及仿生物研究中备受青睐，已经有多个研究小组从事该类化合物的设计、合成、分子识别、仿生及超分子性能研究。刘志昌等人曾烷基、芳基、甾体、葡萄糖类等咪唑鎓型环番。他们在文献 5报道了新型咪唑鎓环番，羟基的引入可使咪唑鎓环番发挥氢键，偶极-偶极等共价键力相互作用，增强咪唑鎓环番对阴离子，中性分子特别是DNA等生物分子的识别作用。以对氯苯酚为原料，经羟甲基化，咪唑甲基化得到2，6-二咪唑甲基-4-苯酚，再分别与二溴化物在乙腈中高稀浓度的条件下季铵化，进行2+2关环而得到多多羟基咪唑鎓环番(15a-15e) 产率分别为 84.3%(15a)，80
22、.2%(15b)，87.5%(15c)， 63.1%(15d)，81.3%(15e) 。8化合物15a-15e 未见文献报道，其结构由 IR,1HNMR,MS和元素表征，化合物4a-4 e有良好的荧光特性，多羟基咪唑鎓环番 15a-15e与DNA 相互作用的初步研究表明 ，其结构（空腔大小，空间构型，羟基的多少等）不仅影响和DNA的作用模式，结合位点，而且影响与DNA的结合强弱，研究发现多羟基咪唑鎓环番能有效断裂DNA。ClNNN NOHClOH NNNNHO ClRNCl OHNN NRRBr Bra R=p-phenylene, b R=m-phenylene d R= e R=OH Cl
23、OH12 13 15a-e14a-ec R=2,6-pyridylene4Br-3.5 环番应用于分子转子人们一直期待有一种微型的设备能够达到分子级别，而且目前为止，已经发现很多纳米级分子的机理。转子作用就是其中之一。至今，许多关于能自动旋转的分子的机理已经探明。其中Hirohiko Kanazawa及其同事在文献中构建了一种研究分子机理的模型，它是以具有自由旋转轴的对苯烯为基础的 6。他们在一个简单的对环蕃分子系统中插入一个分子模型，以证明它是否具有活性功能。一个对位被取代的芳环可能具有对位旋转轴，因而可作为旋转装置。当分子形成大共轭体系时，在1，4位的取代基团会被氧化，形成一个醌式结构，从
24、而被固定。如果循环骨架包含对苯烯，在整个分子中结构会发生很大的变化。如对苯二胺可以达到这种目的。具有还原活性的聚胺单元结构可以用来还原。一个对苯烯二胺可以被氧化为对苯醌二胺，这种转变最初是由两个电子的失去引起的。这种转变是稳定且可逆的，无副反应发生。如图16所示916该文还以AM4,DM4为客体进行实验，在还原过程中，他们的分子洞可以打开或者关闭。对苯烯二胺是一种最简单最基本的固定模型，而且在对苯烯中释放自由转子。图不仅限定某种分子而且对很多分子体系都又限制作用，因此分子空腔的打开与闭合对于环蕃分子的化学识别有十分重要的意义。3.6 洞状环蕃对客体的识别原理H2NNH2NH2HOHO3iiiC
25、HCl3-CH2OHNaBH4NHNHNHNH HNHNL17+洞状环蕃L与两个丙酮分子结晶，其中一个丙酮分子刚好位于环番空腔的中间，而另一个位于分子缝隙上。如图18a 17所示。在空腔中或者缝隙上没有水分子，说明他们的亲水性很弱。丙酮分子在L中通过 C-HN相互作用被包裹，其中N为主体环蕃分子中的二级氮。顶端的苯环的键长为 7.584 .中心正好落在被包入的丙酮分子羰基C上。 分子立体模型展示了内部丙酮分子被包入的情况，如图18b-c所示。中间的苯环顶端和被羰基包入的丙酮分子键长为3.803， 3.787 。这表明丙酮分子刚好位于环蕃分子的正中央。这对于环蕃分子识别另一个丙酮分子是十分重要的
26、。L分子的三个臂不完全等同，而且固体状态的晶体结构显示其中的两个臂能够共同识别缝上的丙酮分子，这可以由以下数据证明：相邻的两个苯环中心键长为11.16 ，11.27 和9.375 。缝隙对丙酮分子的识别是通过C-H O分子间作用力实现的。这种同一个L分子的两臂就如1， 3-轮杯4芳烃。但是相对于10被装入空腔中的丙酮分子而言，在缝隙上绑定的丙酮作用力较弱。184 取代基对环番的影响 Giovanni F. Caramori和他的同事运用计算法研究了有一个环被氟取代的F4-2.2对环蕃(19), F4-反-2.2间环蕃(20a), F4-顺-2.2 间环蕃( (20b), 和F4-2.2 间环蕃
27、(21a-b) 。他们主要研究了F 原子对环蕃的几何构型、能量以及整体和部分的方向性的影响 8。他们还用相关仪器测定分析了电子云密度的变化，结果发现氟化作用对环蕃的分子结构影响很大，同时，等构反应显示被氟化的环比没有被氟化的环更加稳定。他们还采用NBO、NSA、 AIM等分析方法，这些分析也证明了氟化作用无论对于被氟化的环和非氟化环都有不同程度的影响。其中NBO、 NSA分析还表明氟化作用不仅增大了环的空间浇盖空间同时也加强了他们相互作用的强度。AIM分析指出F4-2.2 间环蕃对该反应空间受阻。而且，根据原子特性和 计算原子域的方法也证明这些影响不仅与取代位置有关而其与环的位置有关，他们可以
28、影响原子的价态，力矩和体积。11FF F FFF F FFFF FFFF FFFFF19 20a 20b21a 21b5 环蕃的发展前景大环化学发展非常迅速，其中各种新型结构的大环化合物的设计和合成，始终占据这一研究领域的主导地位。设计合成特殊结构、具有仿生功能的分子，是仿生化学的重大课题。近年，各种结构环番仿生新体系相继合成开发。含有吡啶甲酰基、硫脲基的新型环番至今未见报道。为了进一步研究此类化合物的性质，以期得到有更强生物活性的化合。人们设想，如果能将具有生理活性的基团，如吡啶二甲酰基、硫脲基结合在一个分子中，构筑成吡啶二甲酰硫脲型环番化合物，其中含有氧、氮、硫多种原子，可作为电子给予体，
29、提供电子对和多种离子作用，预期新化合物会有更强的生物活性、配位金属阳离子的性能，它们在农药、医药、模拟酶催化等方面有重要的应用前景。它的多样性和复杂性也引起高分子化学家的兴趣；它在工业上的广泛应用也进一步推动了基础研究的发展，逐步成为较系统的学科。它在分子识别及超分子化学领域中也将体现出愈来愈明显的价值，随着人们对芳香大环化合物的认识逐步加深而开发这类化合物的潜在的应用性将成为未来发展的主流，吸引越来越多的科研工作者的视线。12参考文献1 鄢家明, 周合成, 谢如刚. 环蕃作为人工受体和人工酶的研究进展 J 有机化学 1995，15，5775892Yi Yuan, Ge Gao, Zong-L
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35、dical Cyclopolymerization of Oriented Styrenic DifunctionalJ MonomersMacromolecules 2009, 42, 1860-1866致 谢在我毕业论文开题，调查，研究和撰写过程中蒋宗林教授给予了我耐心细致和全面的帮助在此谨向蒋老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 同时，特别感谢在读研究生李鹏熙师兄。他在这几个月中，教我做实验找资料给了我极大的帮助，在我写的论文过程中还得到了在读研究生谭明、齐斌、郭雄明、霍娜、杨玲玲等师兄、师姐的指导，在此对他们表示衷心的感谢。另外，还要感谢倪承燕同学在查找文献方面给了我许多帮助。正是由于他们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可14敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!
