基礎杯吡咯合成

1、摘要杯吡咯是由吡咯環(huán)和 sp3雜化碳原子通過吡咯環(huán)位連接而組成的大環(huán)化合物。由于其結構和性能方面具有很多的特異之處，杯吡咯構成一類別具特色的新型杯狀化合物。它可以絡合陰離子和中性分子，從而應用于超分子化學領域。本論文主要對以下幾個方面進行了研究：1)以催化劑酸、反應溶劑、反應溫度三方面作為考察因素，得到杯吡咯合成的最佳條件：以濃鹽酸為催化劑，甲醇為反應溶劑，室溫下合成出來了八甲基、八乙基、四環(huán)戊基、四環(huán)己基四種杯4吡咯，產率分別為：85.33%，53.14%，74.76%，61.85%。2)通過質譜和核磁數(shù)據(jù)對四種杯4吡咯的分子結構進行了確認，并利用高效液相色譜法，使用峰面積歸一化原理計算四種

2、杯吡咯的純度分別為91.19%,93.76%,89.75%,89.13%；3)在無水無過氧化物的四氫呋喃體系中，八甲基杯4吡咯與N-溴代丁二酰亞胺加熱回流2 h,合成了八溴-八甲基杯4吡咯，產率42.51%。4)用八溴-八甲基杯4吡咯大環(huán)化合物作為分子主體,以四丁基氟化銨為客體,通過紫外掃描圖表征了杯4吡咯與氟離子之間的多氫鍵作用的分子識別。關鍵詞：杯吡咯；合成；條件優(yōu)化；分子識別IAbstractThe calixpyrrole is macrocyclic compounds with the pyrrole ring and sp3 hybridized carbon atom conn

3、ection via site in pyrrole ring. Because in their structure and performance there are much differences, the calixpyrrole consists of a distinctive and new category calix-compounds. It can be complex anions and neutral molecules, which applies to the field of supramolecular chemistry.The following as

4、pects have been studied in this essay:1) The acid catalyst, the reaction solvent and the reaction temperature have been investigated to find out the optimal condition. In the presence of concentrated hydrochloric acid catalyst, methanol and at room temperature, four spieces of synthesized calix4pyrr

5、oles，namely，meso-octamethyl calix 4 pyrrole, meso-octaethylcalix 4 pyrrole, tetrapentyl calix 4 pyrrole, tetracyclohexyl calix 4 pyrrole are obtained. And their yields are 85.33%, 53.14%, 74.76%, 61.85% respectively.2) The molecular structures of four species of calix4pyrroles were confirmed by MS a

6、nd 1HNMR. The purity of compounds were 91.19%, 93.76%, 89.75%, 89.13% respectively which were calculated through peak area normalization by HPLC method. 3) In anhydrous tetrahydrofuran system, octabromo- oxtamentyl calix 4 pyrrole was synthesized by refluxing octamethyl calix4pyrrole with NBS in 2 h

7、our. And the yield of product is 42.51%.4) The multi-hydrogen interaction between octabromo calix4pyrrole and fluoride ions was studied by the UV - visible spectrum.Keywords: calix4pyrrole; conditional optimization; synthesis; molecule recognition目錄摘要IAbstractII1.緒論11.1 超分子化學的發(fā)展史11.2大環(huán)化合物的合成國內外研究背景及

8、現(xiàn)狀31.2.1冠醚31.2.2環(huán)糊精41.2.3杯芳烴51.3杯吡咯大環(huán)化合物的合成現(xiàn)狀及發(fā)展81.4本實驗的目的及任務132.四種杯4吡咯的合成與表征142.1引言142.2 實驗部分142.2.1主要試劑及儀器裝置142.2.2 合成方案162.3 實驗結果與討論172.3.1 合成機理172.3.2合成條件的優(yōu)化172.3.2.1 杯吡咯的特點172.3.2.2 催化劑酸對合成的影響182.3.2.3 反應溶劑對合成的影響192.3.2.4 反應時間和反應溫度對合成的影響212.3.3杯吡咯圖譜表征：213.八溴-meso-八甲基杯4吡咯合成與識別作用223.1四氫呋喃處理223.2

9、合成路線及實驗步驟233.3數(shù)據(jù)表征233.4識別作用243.4.1實驗部分244.結論28謝辭29參考文獻31附錄 質譜、核磁數(shù)據(jù)等33杯4吡咯大環(huán)化合物的合成與性能1.緒論1.1 超分子化學的發(fā)展史 從大環(huán)化學來看,它里面的大環(huán)化合物如冠醚、穴醚、環(huán)糊精、杯芳烴、碳60等，它們都毋庸置疑跟超分子化學以及它的化合物的發(fā)展息息相關，而且我們知道，分子自組裝（如自組裝的雙螺旋DNA、雙分子脂膜、表面活性劑等）、還有微粒為分子級別制成的器件，新興有機材料合成的研究都要用到超分子化學知識。盡管到目前為止發(fā)現(xiàn)，這門新興的學科超分子化學還沒有一個較為完整、清晰、精確的定義和體系，但從它的誕生那天開始，它

10、的發(fā)展確是充滿活力的向前邁進1,2。 “超分子”一詞最早出現(xiàn)在上個世紀的30年代左右，但當“超分子”受到重視時卻過了50年的時光了。從字面意義上看，超分子化學顧名思義是“超出分子的化學或分子之外的化學”3。20世紀60、70年代，在美國杜邦公司工作的Charles Pedersen一次合成的操作，偶然發(fā)現(xiàn)了嘗試用堿金屬陽離子與冠醚的發(fā)生配位作用，并由此發(fā)現(xiàn)了冠醚這種新型的大分子化合物，同年發(fā)表關于冠醚合成的經(jīng)典論文。十幾年后，化學界迎來了一個嶄新的領域超分子化學拉開了劃時代的序幕。在1987年因對冠醚合成的研究，Charles Pedersen、Donald Cram與Jean-Marie L

11、ehn共同獲得1987年的諾貝爾化學獎。與此同時法國科學家諾貝爾化學獎獲得者Jean-Marie Lehn 第一次提出了“超分子化學”這一概念, 在其撰寫的超分子化學概念和展望一書中，他指出: “超分子化學是基于分子間的非共價鍵存在著的分子化學, 基于分子組裝體和分子間鍵而存在著的化學”。用一句通俗易懂的話說，即就是超分子化學的核心是分子間的相互作用，且超分子體系的微觀單元是由若干乃至許許多多個不同化合物的分子或離子或其他可單獨存在的具有一定化學性質的微粒聚集而成。對于聚集數(shù)可以是確定的，也可以是不確定的，在這一點上，超分子化學的聚集數(shù)與基礎化學中要求分子中要有嚴格確定的原子個數(shù)有本質區(qū)別，在

12、超分子化學中，把這些多個組分的基本微觀單元聚集到一起的“凝聚力”或作用力不是所謂的共價鍵，金屬鍵等化學鍵，而是 相對于共價鍵等化學鍵以外的較弱的作用力如范德華力(含氫鍵)、親水或憎水作用等。在超分子化學中，可以根據(jù)它們不同的強弱程度、取向以及對距離和角度的依賴程度區(qū)分不同類型的相互作用，大致可以分為：金屬離子的配位鍵、氫鍵、-堆積作用、靜電作用和疏水作用等。同時驅動超分子自組裝的動力是它們的強度，其分布主要是由-堆積作用及氫鍵的弱到中等，到金屬離子配位鍵的強或非常強。根據(jù)超分子自組裝原則，人們可以利用分子間的相互作用力作為工具，按照一定的方式把特定的結構或帶有特定功能的組分組裝成新的超分子化合

13、物。在這些新的超分子化合物中，不僅能體現(xiàn)出單個分子所不具備的特有性質，而且能大大增加化合物的種類和數(shù)目。設想如果人們能夠很好的控制超分子自組裝過程，按照預期目標更簡單、更可靠的得到具有特定結構和功能的化合物，人類的一些疾病或許可得到一些針對性、特異性的治療，為人類健康謀求新的福祉。從20世紀90年代以后,Surpramolecular Chemistry雜志的創(chuàng)立可以看出，超分子化學，這個化學這門科學的分支，像高分子化學，合成化學等一樣，真正地成為一個獨立的學科，并且已經(jīng)得到世界各國化學家的普遍認同。在我國，上世紀八九十年代，一些高校和科研機構已經(jīng)展開了相關科研，并已做了相當多的工作。 由于超

14、分子學科具有廣闊的應用前景和重要的理論意義，超分子化學發(fā)展成為了化學領域里發(fā)展前景迅速的一門學科超分子學科。在與其他學科的交流中，近十多年來超分子化學的研究在國際上非常活躍，國內外的學術交流也越來越緊密，利用此契機，我國積極開展這方面的研究工作，一些高校和科研機構已經(jīng)展開了相關科研。由于涉及極其廣泛的領域，超分子化學不僅利用傳統(tǒng)的化學(如無機化學、有機化學、物理化學、分析化學等)的儲備理論，而且還要求或者涉及材料科學、信息科學和生命科學等學科的較前沿的理論。同時超分子化學的興起與發(fā)展促進了許多相關學科的發(fā)展，也為它們提供了新的機遇。科學家及科研工作者利用超分子化學中的分子識別，通過分子組裝等方

15、法構筑了一個有序超分子體系，同時展示了電子轉移、能量傳遞、物質傳輸、化學轉換以及光、電、磁和機械運動等多種新穎特征。還有一些科學家設想能在未來逐一實現(xiàn)超分子功能材料及智能器件、分子器件與機器、DNA芯片、導向及程控藥物釋放與催化抗體、高選擇催化劑等等?？茖W界曾有人預言，隨著時代的發(fā)展，未來的某一天，分子計算機和生物計算機也會實現(xiàn)。在信息科學方面，與傳統(tǒng)材料相比，由于超分子的化合物具有光、電、磁和機械運動等多種新穎特征，超分子材料或許在未來能夠成為新材料，假使成功，將帶動信息及相關領域的產業(yè)技術革命，將對世界經(jīng)濟產生深遠的影響?？梢源_信，超分子科學已不在單一的獨立的分支化學，或許可能是開啟21世

16、紀新思想、新概念和高新技術的重要科學源頭。1.2大環(huán)化合物的合成國內外研究背景及現(xiàn)狀1.2.1冠醚 1967年，杜邦公司工作的化學家Charles Pedersen，一次偶然機會發(fā)現(xiàn)了發(fā)現(xiàn)冠醚與堿金屬陽離子的配位作用，并由此發(fā)現(xiàn)了冠醚這種新型的大分子化合物。通過深入研究，它很驚訝的發(fā)現(xiàn)，能夠牢牢的與鉀離子配位。在一份早期關于在16 - 冠- 4中溶解鉀的報告中提到，Charles Pedersen發(fā)現(xiàn)環(huán)多醚實際上是一類全新的化合物，有著與堿金屬結合的能力。接下來，他發(fā)表了一系列的論文報告了經(jīng)過系統(tǒng)研究的合成方法以及冠醚的成鍵性質。很多不同學科受益于冠醚的發(fā)現(xiàn)，包括有機合成、相轉移催化等。 19

17、68年，在美國著名化學家R·B·Woodward實驗室做完博士后研究回國的萊恩，在Charles Pedersen發(fā)表的論文的啟發(fā)下，進行了投入研究，構思出巧妙的設計思想和精湛的實驗操作技術，通過與同事的協(xié)作成功地合成了一類大二環(huán)型化合物，由于結構酷似土穴，他們稱其為穴醚(eryptand ether)。 隨后，他們又設計并合成了更高層次的大三環(huán)、大四環(huán)型穴醚化合物，在近10年時間他們都在對其性質和應用進行了研究。研究表明，這類分子更像是“鑰匙和門鎖的關系，每把鑰匙只能開一個門鎖，具有強烈的特異性”，正因為這樣，此類分子與金屬離子發(fā)生的是特異的配合作用，且具有決定分子相互識

18、別的作用。 20世紀80、90年代后，冠醚、穴醚等大環(huán)化合物含有“空腔”的特殊性質引起許多化學家們的重視，冠醚化學逐漸成為倍受關注的新興邊緣學科，目前已滲透到了化學的許多領域18-20，例如有機合成、配位化學、分析化學、萃取化學等。比如說，冠醚在有機合成中的應用相轉移催化劑在一些有機化學反應中，由于反應物有油態(tài)和水態(tài)兩種狀態(tài)，在反應中會出現(xiàn)相界，使得反應速度大大減慢。這是我們就需要一種催化劑把水性物質帶入油性物質中，同時把油性物質帶入水性物質中。由于冠醚為大分子環(huán)狀化合物，其中間有很大的空間，能攜帶一些離子等。所以在有機合成中可用冠醚作為相轉移催化劑。比如，18 -冠- 6和乙腈存在下，氰化鉀

19、與氯化芐反應得到苯乙腈，產率為100%。在分子催化、酶模擬、生物學、土壤化學及醫(yī)藥等領域也得到廣泛的應用。例如，冠醚土壤化學種的應用去除環(huán)境中的有毒離子，離子進入冠醚的空穴中形成聚合物-固載試劑，這種物質易處理，可回收利用。除此以外冠醚還能用于水的凈化。1.2.2環(huán)糊精作為超分子化學的重要載體，首先環(huán)糊精是來自于微生物芽孢桿菌中，微生物體內的葡萄糖基轉移酶分解淀粉能產生的葡萄糖過程中而生成的一類環(huán)狀低聚糖，一般含有612個D-吡喃葡萄糖單元。在超分子化學研究中，含有6、7、8個葡萄糖單元的的環(huán)糊精的研究最為熱門，它們命名為、-環(huán)糊精。關于環(huán)糊精的歷史主要是歸功于德國科學家Villiers，他在

20、1891年首次發(fā)現(xiàn)環(huán)糊精，在1935年Freudenberg和French對其進行結構表征。環(huán)糊精是具有一定尺寸的立體手性空腔體，環(huán)的結構中有親水的環(huán)外、疏水的環(huán)。正由于環(huán)糊精分子結構的特殊性，從理論研究還是實際應用中都有廣泛的研究。在1978年，日本科學家發(fā)明了酶法生產環(huán)糊精，原理是將淀粉用特定的酶直接轉化為環(huán)糊精。由于環(huán)糊精的大規(guī)模的工業(yè)化生產，其在醫(yī)藥，食品工業(yè)，環(huán)境保護，生物醫(yī)學，電化學等方面工業(yè)應用得到了長足的發(fā)展。目前，-環(huán)糊精是工業(yè)上使用較多的。根據(jù)X-射線晶體衍射、紅外光譜和核磁共振波譜分析的結果來看，環(huán)糊精分子的每一個吡喃葡萄糖都是椅式構象，各個葡萄糖單元以1，4-糖苷鍵連接

21、成環(huán)，糖苷鍵不能自由旋轉。同時因為環(huán)糊精略呈錐形的圓環(huán)，伯羥基在錐形的小口，仲羥基在錐形的大口，所以它不是圓筒狀分子。在環(huán)糊精結構中，伯羥基具有親水性，而空腔內由于受到C-H鍵的屏蔽作用形成了疏水區(qū)。它在水溶性溶劑和油溶性溶劑中具有一定的溶解性。還有環(huán)糊精加熱到200左右才開始分解，熱穩(wěn)定性較好且不易吸濕，但可以形成水合物。對于它的疏水性空腔內而言，可以容納有機化合物，為了利用其空腔優(yōu)勢，進行化學改性，環(huán)糊精更好地有機大分子。還有因為環(huán)糊精被發(fā)現(xiàn)與研究的時間早，人們還發(fā)現(xiàn)環(huán)糊精在一些反應中具有催化作用。目前環(huán)糊精的應用主要是在食品、醫(yī)藥等方面。例如食品工業(yè)上，人們利用環(huán)糊精的疏水空腔生成包絡物

22、的能力，可使食品的許多活性成分與環(huán)糊精生成復合物，減少被氧化的可能，同時降低揮發(fā)性，從而保護食品中的芳香物質或保持色素穩(wěn)定。環(huán)糊精還可以脫除異味、去除有害成分，例如現(xiàn)在的 “三高癥”患者較多,可以利用環(huán)糊精的疏水性除去在蛋黃，稀奶油等食品中存在著大部分膽固醇，從而降低或減少對身體的進一步損傷。還有在茶葉飲料的加工中，在不破壞茶多酚、氨基酸等有益物質的前提下，利用-環(huán)糊精轉溶法可以抑制茶湯低溫形成渾濁物的現(xiàn)象。在醫(yī)藥業(yè)因為環(huán)糊精的外緣親水性而腔體的疏水性，在主客體化學中起到了重要作用。環(huán)糊精可以作為主體(Host)包絡適當?shù)目腕w(Guest)。例如可以利用環(huán)糊精的“兩性”與一些水溶性不良的藥物形

23、成包結物，改善了在水中的溶解度和溶解速度，還有些如腸康顆粒中揮發(fā)油的不穩(wěn)定性，它與環(huán)糊精結合能提高藥物吸收度；再有藥物穿心蓮的不良氣味或苦味使人們不太想服用，利用環(huán)糊精的包結作用就可以某種程度降低其苦味和不良氣味。在全球變暖等一系列環(huán)境惡化的問題下，人們在環(huán)境保護方面越來越重視。環(huán)糊基于環(huán)糊精的包結作用，利用其與污染物形成穩(wěn)定的包絡物從而減少環(huán)境污染。另外，日常生活中，有些空氣清新劑具有一定時間的持有釋放香味，其原因就是添加環(huán)糊精形成分子包結物，可以達到緩慢釋放氣體分子，延長香味持續(xù)時間的作用。1.2.3杯芳烴在1942年，奧地利的化學家Zinke在一次有機合成時偶然地得到杯芳烴。最初，通過研

24、究前人合成交聯(lián)狀樹脂塑料的工作后，Zinke想利用單體苯酚替換為對位取代的苯酚，可以線型的樹脂塑料，而非原來交聯(lián)狀的樹脂。在他的設計思想下，叔丁基苯酚與甲醛水溶液在氫氧化鈉存在下反應，但發(fā)現(xiàn)產物不是他預期的線型酚醛樹脂，而是一個最終鑒定為環(huán)狀的四聚體高熔點的晶狀化合物，(如圖杯4芳烴)，這是杯芳烴發(fā)現(xiàn)的由來。但因其結構像一個酒杯而被美國CDGutscht稱為杯芳烴。圖1.1 杯4芳烴通過研究發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)的杯芳烴一般熔點較高，通常在250以上，且在有機溶劑中的溶解度都很小，在水中的溶解度幾乎為零。還有杯芳烴具有可調節(jié)大小的“空腔”，可以形成主-客化合物，與環(huán)糊精、冠醚相比，是一類更具廣泛適應性的

25、模擬酶，被科學界稱為繼冠醚和環(huán)糊精之后的第三代主體化合物。在20世紀五六十年代，三位科學家Hayer，Hunter及Krammere先后做了大量詳細的研究，設計和合成一些具有不對稱取代基的杯芳烴，隨后英國著名化學家，諾貝爾獎獲得者Comforth也參與了這類化合物的研究，但它們的研究成果未引起科學界的廣泛的興趣。直到70年代后期，隨著科學家對環(huán)糊精、冠醚等大環(huán)化合物的深入研究，美國化學家Gutsche對杯芳烴產生極大的興趣，同時他的研究對該領域作了大量卓有成效的工作，提出并優(yōu)化合成杯芳烴的“一步法”，大大提高了杯芳烴的收率，同時在修飾杯芳烴方面也進行了研究，指出該類化合物具有大小可調的空腔，認

26、為其是一類具有廣泛適應性的“模擬酶”。由此開始，人們的才逐漸普遍關注杯芳烴類化合物的合成及性能。自七十年代后期以來，杯芳烴化學發(fā)展取得了蓬勃生機。在分子識別和超分子化學領域的應用方面，已報道一些杯芳烴，如在下緣或上緣取代的杯芳烴和它的杯芳烴衍生物, 冠醚、穴醚和杯芳烴組合的杯芳烴冠醚和杯芳烴穴醚, 兩個或三個杯芳烴構成的雙杯芳烴,三杯芳烴,以杯芳烴為基礎，合成出如樹枝狀分子的大分子，還有具有水溶性杯芳烴和杯芳烴聚合物等。目前在杯芳烴的研究領域中，一個新的方向也開始發(fā)展，即改造杯芳烴的骨架，包含采用如吡咯呋喃等雜原子構成的五元六元環(huán)化合物替代苯環(huán)形成雜原子的杯雜芳烴，或用雜原子S，N，P或含雜原

27、子的基團代替橋聯(lián)亞甲基而形成雜杯芳烴。通過杯芳烴的改造，拓寬了杯芳烴及其衍生物的研究和應用道路，使得杯芳烴化合物在四大基礎化學和材料化學以及這些學科的交叉領域都顯示了其作為超分子(supramolecular chemistry)化學中一類優(yōu)良主體的特有價值。杯芳烴的結構特點是在其結構中，上緣規(guī)定為疏水性的烷基，它和苯環(huán)一起構成疏水性環(huán)狀穴腔（cavities），下緣規(guī)定為整齊排列的親水性酚羥基。在杯芳烴（calixarenes）中，存在著兩種基本的結構形式，一類被稱為杯n芳烴（Calixnarenes）（n是表示環(huán)狀分子中苯酚單元的數(shù)目），這類杯吡咯是以堿催化，通過對位取代的苯酚和甲醛縮合而

28、獲得的環(huán)狀低聚物，苯酚單元同多位于酚羥基鄰位的亞甲基相連。通常情況下，環(huán)狀分子中苯酚單元的數(shù)目n在48個，且n為偶數(shù)的杯芳烴易于制備且產率較高；另一類是以酸催化，通過鄰苯二酚和醛（甲醛除外）縮合而獲得的環(huán)狀低聚物，取代亞甲基位于鄰苯二酚單元的臨位，酚單元數(shù)目為4，被稱為雷鎖杯4芳烴（resorc4arenes）。廣義上的杯芳烴一般是兩類杯芳烴的變體和數(shù)量眾多的功能化杯芳烴，但目前研究杯芳烴的較多。杯芳烴的環(huán)狀結構具有錐形、偏錐形等多種構象，對于錐形構型而言，下緣排列著的是緊密而有規(guī)律的親水性的酚羥基，上緣疏水性的取代烷基團，中間形成了一定尺寸的空腔，使得杯芳烴既可以識別陽離子，又可以通過多種非

29、共價鍵包裹有機中性分子、陰離子，形成主-客體大環(huán)化化合物。雖然絕大多數(shù)的杯芳烴一般熔點較高，通常在250以上，且在有機溶劑中的溶解度都很小，在水中的溶解度為零，但通過引入一些官能團，可以一定程度的改善溶解性，例如：通過引入親水基團如磺酸基和季胺基團，杯芳烴的水溶性有了一定的提高。杯芳烴的紅外譜有一個顯著的特點，在波數(shù)為31503300cm-1范圍內出現(xiàn)的波峰是羥基官能團峰，由于寬波峰的特點可能會有杯n芳烴（特別是n=4時）很強的分子內氫鍵。對于杯芳烴的分子內氫鍵的強弱，其方法為測定羥基的解離常數(shù)pKa，例如Skinkai等用酸堿中和滴定，計算出了水溶性磺酸基杯4芳烴的pKa值。 作為第三代主體

30、超分子化合物，杯芳烴、冠醚和環(huán)糊精都存在著獨特的空穴結構，但與它們相比具有獨特的特點：（1）設計并合成的聚合物，具有能夠調節(jié)空穴大小結構；（2）通過控制不同反應條件，按所有需要的構象引入適當?shù)娜〈唬?）在杯芳烴的衍生化反應方面，通過在杯芳烴下緣的酚羥基、上緣的苯環(huán)對位，而且連接苯環(huán)單元的亞甲基進行選擇性功能化衍生化，引入一些親水基團如磺酸基，季胺基團等，改善杯芳烴水溶性，同時部分改善其分子絡合能力和模擬酶活力；（4）杯芳烴衍生化后，某些其衍生物也具有很好的溶解性；（5）可以與離子和中性分子形成主客體包合物，這一點綜合冠醚和環(huán)糊精兩者之優(yōu)勢；（6）合成較為簡單，可以進行工業(yè)化生產，使其商品化

31、。如腎上腺素、去甲腎上腺素兩種兒茶酚胺對多巴胺具有選擇性。但它們同時也受鉀離子干擾極大。在生理條件下，為了能找尋一種能運用，具有高效多巴胺選擇性的分子識別傳感器，研究發(fā)現(xiàn)一種類似杯芳烴衍生物對多巴胺具有選擇性識別，而且對鉀離子很好的選擇性。 由于杯芳烴杯芳烴具有結構靈活多變、易于修飾，其衍生物主體分子具有高效選擇性，能通過超分子作用與如離子、中性分子等客體分子絡合的特點，在分子識別領域的應用是最為廣泛的。例如在化學、生物樣品中，杯芳烴的一種理想骨架的探針集團與杯芳烴具有預先通過鍵位結合的活性探針結合，當受化學、生物樣品的刺激后，杯芳烴就能進行分子識別。在分子催化領域的方面，杯芳烴特殊的空腔結構

32、和易于衍生化的特點使其在用作催化劑方面具有獨特的優(yōu)勢。與常用的相轉移催化劑比較，通過衍生化適當修飾的杯芳烴具有良好的相轉移催化性能，杯芳烴催化劑的用量更少，反應時間更短，活性更高。1977年，Buriks等就發(fā)現(xiàn)，在非極性溶劑中，杯芳烴的結構中下緣連有乙氧鏈的對叔丁基杯芳烴具有相轉移催化能力，可以解決油水乳化等問題，它已經(jīng)應用于石油精餾。還有專利曾報道，較季銨鹽相比，用杯芳烴做相轉移催化劑可以有效地提高芳基鹵化物氟代反應，且得到的產物產率和純度較普通法要多些。再者，杯芳烴的空穴還能包含客體有機分子，所以還可應用當做反相轉移催化劑，即在有機反應中把有機物從有機相轉送到水相，在水相中進行反應。與普

33、通的相轉移試劑相比，反相轉移試劑有兩大優(yōu)點：一、易于分離和循環(huán)含水的催化劑溶液；二、在在反應溫度下若有機反應物是液相，則不需要其他的有機溶劑充當反應介質。近幾年，杯芳烴為受體的反相轉移催化劑方面的研究工作比較活躍。例如Shimizu等設計了一種水溶性磷杯芳烴-金屬配合物作為反相轉移催化劑，這類催化劑同時還具有均相金屬催化劑的功能，并且可以多次重復使用，催化活性不變。Molenveld利用杯4芳烴-Zn3配合物模擬三金屬核磷酸二酯酶，從而加快RNA二核酸醚交換反應速度并對核酸堿基具有專一性。 經(jīng)過近三十年的發(fā)展，由于目前超分子化學中杯芳烴的衍生物的合成已經(jīng)相當成熟，在化學傳感器方面的應用，杯芳烴

34、的熒光分子傳感器的研究成為一個熱門話課題。人們將冠醚片段、酯基或酰胺基等修飾到杯芳烴上，制得易于功能化杯芳烴，可以提高對陽離子的選擇性識別能力。例如當含有光敏基團杯芳烴衍生物和金屬離子選擇性離子識別時，光敏基團杯芳烴衍生物發(fā)生了明顯的光物理變化，尤其在熒光強度的明顯變化，因此它們可以作為熒光傳感器和分子開關。 綜上所述，近年來，杯芳烴化學不論是從結構、性質研究發(fā)展到了人工酶、傳感器、光電材料等多方面的應用研究，還是從單一分子合成發(fā)展到分子多層次聚集體的高層次研究，已取得長足的發(fā)展。1.3杯吡咯大環(huán)化合物的合成現(xiàn)狀及發(fā)展在1886年德國化學家Baeyer首次合成了八甲基杯4吡咯,當時Baeyer

35、把它叫做“丙酮吡咯”，到20世紀30年代,Fischer把這個“丙酮吡咯”命名為、-八甲基卟啉原。然而，他通過研究發(fā)現(xiàn)這類所謂的“介位(meso)八甲基卟啉原”物質具有穩(wěn)定的高熔點，其化學性質穩(wěn)定，存在氧化芳構化禁阻。也許可能恰恰是因為這個原因，從1886年被發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在的一個多世紀中，這類化合物一直就沒有引起人們的關注。1996年，美國Texas大學的Sessler研究小組在對陰離子識別體系研究時無意中發(fā)現(xiàn)，這個被世人塵封了一個世紀之久的存在氧化芳構化禁阻的介位(meso)八甲基卟啉原也可以識別陰離子和中性分子。根據(jù)這一現(xiàn)象，在1996年他們?yōu)檫@個大環(huán)化合物糾正 “錯誤”，為了喚起人們對它的研

36、究興趣，按照杯芳烴類似物，將其重新命名為“杯吡咯”。雖說杯吡咯與杯芳烴及杯芳烴的衍生物類似, 但由于其結構和性能方面更多的特異之處，將成為一類別具特色的新型杯狀化合物。 （1）杯吡咯化合物的結構研究由Baeyer開端，Dennstedt和Zimmermann曾研究過“丙酮吡咯”的合成反應。1916年,Chelintzev和Tronov以甲乙酮、甲基己基酮和環(huán)己酮為原料合成了新的杯4吡咯同系物，其中包括由兩種酮與吡咯共縮合制備的meso-六甲基-meso-二乙基杯4吡咯。從目前合成的產物來看，基本上都是杯4吡咯,即環(huán)體中含4個吡咯單元的環(huán)四聚結構。其實環(huán)四聚結構早在1916年由Chelintze

37、v 和Tronov 提出, 當時是基于八甲基杯4吡咯被鉻酸氧化以及熱解反應的產物作出的推測。在1955年Rothemund和Gage等人通過進一步實驗研究后發(fā)現(xiàn),杯吡咯分子內的4個橋碳原子中至少有3個是通過吡咯環(huán)的位聯(lián)結，但還在懷疑第4個橋碳原子的鍵合本質。二十世紀六十年代，Corwin等采用1HNMR方法研究了八甲基杯4吡咯， 結果發(fā)現(xiàn)其分子結構是一個高度對稱性的結構，從而確證了Fischer提出的八甲基卟啉原化學結構。據(jù)文獻報道，由Sabalitschka和Haase合成的一系列杯4吡咯同系物的熔點，同時中科院蘭州物化所也報道上述同系物的熔點（*表示），如表1.1示：表1.1 杯4吡咯同系

38、物的熔點編號杯4 吡咯熔點/ 1meso-八甲基杯4吡咯296( 303305) *2meso-四甲基-meso-四乙基杯4吡咯150 和162( 152)3meso-四甲基-meso-四丙基杯4吡咯226( 224225)4meso-八乙基杯4吡咯2082105meso-四環(huán)己基杯4吡咯272. 5( 281282)6meso-四甲基-meso-四正丁基杯4吡咯193194( 224)7meso-四乙基-meso-四丙基杯4吡咯2198meso-四乙基-meso-四正丁基杯4吡咯2052069meso-四乙基-meso-四異丁基杯4吡咯19910meso-四甲基-meso-四己基杯4吡咯17

39、9( 183185)雖然早期的杯吡咯容易制得,但是伴隨大量線形或聚合副反應產生的副產物也很多,從而使得目標產物收率較低,一般情況下，純化后的收率普遍低于20%，且高位阻酮類的反應收率更低,甚至難以得到產物。就合成而言,從首次合成到喚起人們繼續(xù)研究杯吡咯，如何合成、怎樣優(yōu)化一直在探討，到現(xiàn)在仍有許多值得探索的工作。 早期采用直接縮合法合成meso-四環(huán)己基杯4吡咯的產率只有25%，在1977年,以Borwn等人為小組的科研團隊，設計了采用兩步法合成了meso-四環(huán)己基杯4吡咯,但在后期的純化處理過程中，比較難以分離純化中間產物,最終得到的產物收率與直接縮合相當。（meso-四環(huán)己基杯4吡咯結構見

40、圖1.3） 圖1.3 meso-四環(huán)己基杯4吡咯與meso-八乙基杯4吡咯 而Jacboy等人的研究小組在合成meso-八乙基杯4吡咯的時候，采用了一種新的優(yōu)化條件，即在加熱回流條件下，以甲磺酸為催化劑，氮氣做保護氣的情況下，產物的收率達到了67%，同時還縮短了反應時間。（meso-八乙基杯4吡咯結構見圖1.3） 科研工作者在如何提高杯4吡咯的產物的產率的同時，也接受了富有挑戰(zhàn)性的課題探索杯n吡咯( n>4)的合成。Sessler等人稱他們以經(jīng)典方法合成杯4吡咯時, 曾檢測到了痕跡量的杯5，6和7吡咯,而目前他們正采用特殊的模板方法嘗試杯n吡咯的合成。例如在2000年,由瑞士的Khokn

41、e等人以杯6呋喃為中間體得到杯6吡咯化合物,產率為42%。ab、ca) MCPBA(6.2mol),CH3Cl；b)Zn/CH3COOH；c)CH3COONH4/EtOH圖1.4 杯6吡咯的合成路線 2004年，有文獻報道了新的杯吡咯的修飾。目前涉及衍生化反應的研究尚不多見，杯吡咯化學研究的重要內容之一就是對杯吡咯分子進行化學修飾。從杯吡咯的分子結構來看,一種是通過一定的反應途徑，利用杯吡咯的介位、杯吡咯環(huán)位以及N原子位置引入活性官能團。另一種就是可以通過杯吡咯衍生化反應，制備一些其它途徑難以直接制備的新型大環(huán)化合物，如針對杯4吡咯母體中吡咯環(huán)進行擴環(huán)反應現(xiàn)己成功制備了杯4吡啶。 含官能團的酮

42、與吡咯反應可以直接合成介位官能化的杯4吡咯，例如Florinai研究小組從出發(fā),通過金屬有機化學方法，在其介位烷基鏈端引入官能團，如圖1.5得到的化合物。圖1.5 杯4吡咯化合物在介位烷基鏈端引入官能團的方法單從吡咯的結構出發(fā)可以看出，吡咯環(huán)存在著上和位的H，但是杯吡咯的合成反應一般發(fā)生在環(huán)的位上，杯吡咯的位已經(jīng)進行了親電取代反應，因此還可在位進行取代，形成杯吡咯衍生物。杯吡咯的官能團的衍生化反應是直接通過親電取代試劑反應得到的。例如meso-八甲基杯4吡咯在無水無過氧化物的THF溶劑中，與N-溴代丁二酰亞胺（NBS）加熱回流,可以得到八溴-meso-八甲基杯4吡咯。 同時還有包含吡啶單元的大

43、環(huán)化合物也一直被認為具有很重要的性能。近年來，人們已設計合成了許多含吡啶單元的大環(huán)化合物，其中也包括類似杯芳烴的多吡啶大環(huán),但是如果通過吡啶的2位和6位以sp3雜化碳原子連結的杯4吡啶化合物很難直接合成。在1995年，以Florinai等人組成的研究小組，通過利用以meso-八乙基杯4吡咯過渡金屬配合物與CO發(fā)生反應,制備了杯1吡啶3吡咯和杯2吡啶2吡咯兩種衍生物。圖1.6 杯1吡啶3吡咯和杯2吡啶2吡咯的路線 1998年,Sesselr等人利用一種全新的合成方法制備出了杯m吡啶n吡咯(m+n=4)化合物，他們的合成方法是利用杯4吡咯與二氯卡賓發(fā)生反應,使在吡咯環(huán)上能夠發(fā)生重排擴環(huán)反應，最終通

44、過采用該合成方法第一次得到了杯4吡啶大環(huán)化合物。 合成的-十氟杯5吡咯化合物,產率最高為31.5%，-十六氟杯8吡咯化合物,產率最高為16% 。（見圖1.7）圖1.7 -十氟杯5吡咯和-十六氟杯8吡咯 位取代的杯吡咯衍生物還可以用碘代杯吡咯和TMS(三甲基氯硅烷)乙炔基杯吡咯為主要中間體,來制備-芳香炔烴基取代的杯吡咯衍生化合物。（見圖1.8）圖1.8 -芳香炔烴基取代的杯吡咯衍生化合物合成路線1.4畢業(yè)設計的目的及任務畢業(yè)設計實驗目的：本課題擬對八甲基、八乙基、四環(huán)己基和四環(huán)戊基杯4吡咯的合成方法進行優(yōu)化，考察催化劑酸、反應溶劑、反應時間以及反應溫度對產率和純度的影響。并在此基礎上，參考外文

45、文獻的概述，利用自身實驗條件進行衍生化反應合成-八溴-meso-八甲基杯4吡咯，通過紫外掃描圖表征了杯4吡咯與氟離子之間的多氫鍵作用的分子識別。352.四種杯4吡咯的合成與表征2.1引言由吡咯環(huán)和sp3雜化碳原子組成的杯吡咯，是通過吡咯環(huán)位連接而構成的大環(huán)化合物。1886年德國化學家Baeyer（拜耳）發(fā)現(xiàn)了八甲基杯4吡咯，當時Baeyer認為是產生了“丙酮吡咯”，直到20世紀30年代，F(xiàn)ischer把其命名為、-八甲基卟啉原，通過研究發(fā)現(xiàn)其具有穩(wěn)定的高熔點，其化學性質穩(wěn)定，但是存在氧化芳構化禁阻。也許可能恰恰是因為這個原因，從1886年被發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在的一個多世紀中，這類化合物一直就沒有引起人們

46、的關注。1996年,美國Texas大學的Sessler 研究小組在對陰離子識別體系研究時無意中發(fā)現(xiàn)，這個被世人塵封了一個世紀之久的存在氧化芳構化禁阻的介位（meso）八甲基卟啉原也可以識別陰離子和中性分子。根據(jù)這一現(xiàn)象，1996 年他們?yōu)檫@個大環(huán)化合物糾正 “錯誤”，為了喚起人們對它的研究興趣，按照杯芳烴類似物，將其重新命名為“杯吡咯”。雖說杯吡咯與杯芳烴及杯芳烴的衍生物類似。但由于其結構和性能方面更多的特異之處，將成為一類別具特色的新型杯狀化合物。2.2 實驗部分2.2.1主要試劑及儀器裝置試劑：重蒸吡咯分析純科龍試劑丙酮分析純科龍試劑3-戊酮分析純（進口分裝）Lancaster環(huán)戊酮分析純

47、科龍試劑環(huán)己酮分析純科龍試劑氨水分析純科龍試劑濃鹽酸分析純科龍試劑甲醇分析純科龍試劑試劑：乙醇正丁醇分析純分析純科龍試劑科龍試劑甲磺酸分析純科龍試劑四氫呋喃分析純科龍試劑氯仿分析純科龍試劑二氯甲烷分析純科龍試劑氫氧化鉀濃硫酸分析純分析純科龍試劑科龍試劑主要儀器： 醫(yī)用氣囊 三頸燒瓶、分液漏斗、冷凝管、廣譜pH試紙等 FA2004N電子分析天平（上海精科） DF-101S集熱式磁力攪拌器（鞏義予華儀器廠） HJ-6磁力攪拌電熱套（北京中興） RE201D旋轉蒸發(fā)器（鞏義予華） Agilent G6430質譜儀 Bruker 400MHz全數(shù)字化核磁共振譜儀(CDCl3為溶劑，TMS為內標物) W

48、QF-520型紅外光譜儀（北京瑞利分析儀器有限公司）（KBr壓片法）（波長 范圍:7000-400cm-1,波數(shù)精度：±0.5cm-1,最優(yōu)分辨率：0.5cm-1,信噪比 (10000:1) SHZ-C型循環(huán)水式多用真空泵（鞏義市予華儀器廠） 高效毛細管電泳液相色譜一體機（北京華陽利民儀器有限公司） 日本島津UV-1800分光光度計（波長范圍190-1100nm，分辨率可達1 nm， 波長準確度：±0.1nm，波長重現(xiàn)性：±0.1nm，波長精確度：±0.3nm）2.2.2 合成方案1、合成路線：R1，R2=CH3,C2H5，環(huán)戊基，環(huán)己基等2、合成方法：

49、 將150 mmol（約10.06 g）重蒸吡咯溶于200250 ml無水乙醇（或甲醇）中，室溫攪拌下滴加催化劑酸2.0 ml，通過滴液漏斗將150 mmol酮在20 -30 min內滴加完畢，用磁力攪拌器攪拌，反應15 h后，停止攪拌，加濃氨水調節(jié)溶液pH值約等于7，即終止反應，而后靜置，減壓抽濾分出沉淀物（或粘狀物），將其轉移至燒杯中，加入過量的無水乙醇（或甲醇）洗滌三次，減壓抽濾后得粗產物，分別選擇適宜的溶劑體系進行重結晶純化，真空干燥后得到目標產物。3、實驗裝置圖圖2.1 杯吡咯合成裝置圖2.3 實驗結果與討論2.3.1 合成機理 從吡咯的結構上來看氮原子上存在著一對孤對電子，參與了吡

50、咯環(huán)上的電子共軛，根據(jù)休克爾的芳香烴“4n+2”規(guī)則，吡咯是一個含有sp2雜化原子的共平面的共軛單環(huán)體系的富集著電子供電子基團。在質子酸的催化下，十分容易與如醛、酮類的親電試劑反應，同時吡咯與親電試劑發(fā)生反應的難易，極大程度地取決于酮結構中羰基的碳所帶的正電荷。一般情況下，親電試劑主要進攻的是吡咯環(huán)的位，由共振理論解釋：位所生成的中間體產物比進攻位所生成的中間體產物穩(wěn)定。故在吡咯的親電取代反應中主要產物為位反應產物，但只有當吡咯環(huán)的N取代基體積較大或者位被占據(jù)時，從空間位阻考慮，這時候親電試劑才會在位取代。通常杯吡咯的合成是在酸催化下吡咯與酮的縮合反應，酸催化使其縮聚，并且自發(fā)的無模板環(huán)化使4

51、個吡咯單元互相結合,在分子內反應形成大環(huán)，而不是無限次地與更多的酮和吡咯發(fā)生線性增鏈聚合反應。如圖2.2為杯吡咯合成的反應機理。圖2.2 杯吡咯的反應機理2.3.2合成條件的優(yōu)化2.3.2.1 杯吡咯的特點在前面我們已經(jīng)知道杯吡咯是吡咯環(huán)和sp3雜化碳原子通過吡咯環(huán)位連接而成的大環(huán)化合物。它作為第三代超級大分子具有以下特點:一、與杯芳烴相似，杯吡咯的空間結構柔順，易變換，構象有錐形、部分錐形、1, 2 交替及1, 3 交替等多種構象形式(如圖2.3)。若存在底物分子，能與杯吡咯產生識別作用時, 杯吡咯變換成錐形構象,每一個吡咯環(huán)上的4個氮原子在同一平面內。二、杯吡咯的空腔結構大小可調，這就能設

52、計出識別各種分子、離子大小的杯吡咯。目前主要是控制構成其吡咯單元的個數(shù)來獲得不同大小的腔體空間，或是通過介位（meso-）引入體積較大的基團從而擴大了腔體。三、容易制備，而且能夠通過衍生化反應進行化學修飾。通過吡咯或位衍生吡咯與含有其它基團的酮發(fā)生反應, 可以得到一些的帶有特殊官能團的杯吡咯衍生物。四、高熔點且良好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性,能部分溶解在有機溶劑。正是這幾點杯吡咯化合物的具有特點，關于杯吡咯超分子化學研究已經(jīng)使各個國家化學家密切關注其發(fā)展。特別是近幾年來, 杯吡咯的合成與修飾及其分子識別作用研究取得重要進展，例如在陰離子鍵合、傳感器、色譜分離新技術以及用作相關藥物載體和抗病毒藥物傳

53、輸?shù)确矫娴难芯拷Y果都已顯示其潛在的研究價值和應用前景，所以就合成而言，目前仍有很多值得對合成條件探討的必要。圖2.3 杯吡咯的空間構象（a）1, 3 交替構象（b）錐形構象(c)半錐形構象（d）1, 2 交替構象 2.3.2.2 催化劑酸對合成的影響 從圖2.1中可以看出，催化劑酸的存在，對杯吡咯的合成起到重要的作用。在有機化學的理論上，強酸是增強酮轉變成為烯醇的傾向，在合成杯吡咯的過程是有利的，但是反過來看，強酸還可以使吡咯形成質子化，降低了其親核反應的能力，又對反應是不利的。基于這樣的情況，通過以無機酸、有機酸、強堿等作為催化劑，以合成四種杯4吡咯為例，研究催化劑酸（堿）對反應影響。表2.

54、1 催化劑酸對產率的影響催化劑酸（堿）濃硫酸濃鹽酸甲磺酸醋酸NaOH八甲基C4P產率% 84.26% 85.33%82.74% 81.52%無產率八乙基C4P產率%52.88%53.14%51.27%50.38%無產率四環(huán)戊基C4P產率%74.45%74.76%74.12%73.77%無產率四環(huán)己基C4P產率%60.34%61.85%61.56%58.29%無產率 表2.1中可以看出，催化劑酸對合成杯吡咯的反應影響，濃鹽酸，濃硫酸兩種無機酸與兩種有機酸催化效果相當，而NaOH無催化作用，也就是說合成杯4吡咯應該在酸性條件下進行的，且可以看出在濃鹽酸催化體系杯4吡咯的產率最高，故催化劑酸應選擇濃

55、鹽酸。2.3.2.3 反應溶劑對合成的影響 冰浴或室溫，在酸催化的醇溶劑體系中，反應物吡咯與酮經(jīng)過“一鍋法”就能合成杯吡咯。由于杯吡咯與中性分子存在相互作用，可以形成絡合物，在合成的過程中，需要考慮溶劑的兩個因素。一、低級脂肪醇的作用對于合成杯吡咯的反應，從溶劑的極性來看，極性高可能對提高產率有利；從溶解度方面看，反應物以及在反應中的中間化合物和副產物在反應介質中溶解性能也直接影響反應的產率和純度。相對于高級脂肪醇而言，杯吡咯與甲醇、乙醇等低級脂肪醇只能形成較少且較弱的絡合物，其原因是杯吡咯在低級脂肪醇中溶解度較小，這對形成杯四環(huán)有一定的促進作用。本文選擇甲醇、乙醇、正丁醇作為反應介質溶劑，以

56、合成meso-八甲基杯4吡咯考察對產物產率的影響。表2.2 反應溶劑對產率的影響溶劑介質甲醇乙醇正丁醇產率（%） 85.33% 85.09% 84.92%經(jīng)實驗證明，選擇甲醇、乙醇等低級脂肪醇做溶劑對合成meso-八甲基杯4吡咯化合物的產率雖沒有顯著的影響。二、溶劑的用量在合成meso-八乙基杯4吡咯的過程中發(fā)現(xiàn)了一個現(xiàn)象，當加入吡咯的量超過一個濃度界限，反應原先出現(xiàn)非均相反應，但是此時反應會出現(xiàn)無固液相界面，整個體系成均相反應，體系中溶劑醇“消失”，這種現(xiàn)象可以認為是溶劑醇與產物發(fā)生了包結作用。對于這種包結作用產生的產物會在后期純化等步驟難以處理，故要考慮溶劑的用量與吡咯的濃度關系。首先包結物是一類特殊類型的有機晶體。其結構中含有兩種結構單位，即包結物是由兩種化合物組成的：一種是能將其他化合物囚禁在它的結構骨架空穴里的化合物，稱為包合劑或主體分子；另一種是被囚禁在包合劑結構的空穴或孔道中的化合物，稱為被包合劑或客體分子。對于包合物分為三類：一種是結晶包合物，它是化合物被包在包合劑大分子