大环多胺与其它大环化学研究的新进展*

张来新，杨 琼

（宝鸡文理学院 化学化工系，陕西 宝鸡 721007）

新型大环主体化合物的设计及合成一直是超分子化学创新研究的永恒主题和重要源泉。相继出现的冠醚、环糊精、杯芳烃等主体化合物在超分子化学和主客体化学的发展中起着非常重要的作用[1]。大环金属超分子化合物的结构设计与组装合成现已成为现代化学研究的热点之一。其中大环多胺及其金属配合物由于具有独特的结构和性能，尤其引人关注。多胺类大环化合物及其衍生物对金属阳离子及其有机或无机离子有许多特殊的选择性配位作用，而且大环的不同腔径对各种不同的阴阳离子有着很强的配位能力，因而使其已经广泛用于化学核酸酶、生物传感器、MRI造影剂、萤光探针、DNA识别及酶模拟切割催化剂、金属分离与回收、放射免疫治疗药物、基础生物、医学等众多研究领域。这类化合物不仅表现出多种多样有趣的超分子拓扑结构，而且在催化、主客体化学、分子基磁性、光电性能、离子交换和气体吸附及超分子器件等领域有着广阔的应用前景，故是功能性分子基材料的重要研究方向之一。因之研究大环多胺衍生物及其配合物的合成、结构、性能对生命科学、环境科学、材料科学、能源科学的发展显得尤为重要。正因为如此，才引起了人们对其广泛的研究兴趣，并努力开发出各种不同结构、性能和作用的大环多胺及其衍生物。

1 大环多胺衍生物及其金属配合物的合成

1.1 大环多胺稀土功能配合物的合成

将多胺大环化合物用杂环基，有机膦基，炔基或羧基加以修饰后，其配位能力有很大改变，而且形成的金属配合物具有特殊的结构和特定的功能，因而使之极大的扩展了配位化学的研究领域，使其具有更广阔的研究前景。为此，中国科学院的朱贤东，曹荣利用自行合成的大环多胺羧酸衍生配体，成功的构筑了一系列基于氢键或配位键作用的超分子体系、多维金属有机框架；利用大环的协同配位效应，合成了一系列过渡-异金属微孔化合物如：[Gd2Cu3（TETA）3（H2O）]·3H2O，[Eu2Zn3（TETA）3（H2O）2]·4H2O等。所合成的稀土大环体系具有优良的发光性能。过渡-稀土异金属微孔化合物还具有很好的热稳定性，在发光材料、气体吸附等方面具有潜在的应用价值。另外合成了多氮大环主族金属化合物[Pb（TETA）]·5H2O，该类化合物的特点是具有非常大体积的空洞，可以作为潜在的微孔材料应用于气体的储存。这在当前全球能源紧张的大背景下具有重要战略意义[2]。

1.2 大环醚双席夫碱钴配合物的合成

大环配合物的合成、稳定性及其催化性能的研究，对于了解金属酶的结构、催化作用机理以及设计合成人工酶具有重要意义，故已成为生物无机化学研究领域的重要课题。新疆大学的伍梅英等人设计合成了一种新型的氮杂冠醚配体，固相合成了其钴配合物[3]，期望能在生命科学的研究方面得到应用。

1.3 含草酰胺桥基大环铜配合物的合成

大环配合物是指其环的骨架上含有O、N、S、P等多个配位原子的多齿配体所生成的环状配合物，它不仅是有机化学和无机化学的重要研究内容，而且与生命科学、新材料和新技术的开发有着密切联系，因而迅速发展成为一门新兴的边缘学科。南开大学的张瑞红等人合成了一个以草酰胺为外延桥基的大环配合物CuL[4]，期望能在生命科学和材料科学的应用方面更有意义。

1.4 不同侧链的单核大环铜配合物的合成

化学核酸酶是当今化学生物学中发展迅猛，极富有挑战性的新领域之一，人工核酸酶尤其是定点切割试剂的研究在分子生物学及生物技术领域有着极其重要的理论意义和应用前景。研究人工核酸切割试剂的切割机理将有助于对核酸酶的催化机理的了解，同时在疾病的基因治疗中有着重要的应用前景，故引起了众多科学家的广泛关注。四川大学的李静等人设计合成了一系列单核大环多胺的铜配合物[5]，并研究了其对DNA的裂解能力，期望能在研究生命科学方面得到应用。

1.5 新型Salen锌（Ⅱ）大环配合物的合成

近年来，大环化学已经发展为一个重要的研究领域。因其在光、电、磁性、分子识别等方面的特性及应用，使得设计合成各种新型大环化合物受到人们的广泛关注。具有螺旋状结构的配合物在光学器件、不对称催化、仿生材料、传感器等方面有着潜在的应用研究前景。基于手性1R，2R-环己二胺所形成的Salen配体在与过渡金属进行配位反应时具有螺旋式配位的特点，选择合适的模板、反应温度、溶剂等可以得到一些具有特殊配合物的拓扑结构。贵州省大环及超分子化学重点实验室的张奇龙等人采用一锅煮合成法合成得到了新型SalenZn（Ⅱ）大环配合物[6]，期望能在生命科学和材料科学的研究方面得到应用。

2 大环多胺及其衍生物对分子离子的识别作用

2.1 吡啶二酰胺桥连的三碟烯大环化合物的合成及分子识别

大环多胺及其衍生物虽然结构简单，但与天然离子载体及酶的分子离子识别作用有着惊人的相似性。如何设计对单一金属离子具有选择性，即识别某一离子或分子的大环多胺，一直是人们所面临的具有挑战性的课题。中国科学院的薛敏，陈传峰将具有三维富电子空腔结构的三碟烯作为构筑单元引入到杂环杯芳烃中，合成了一系列新型杂氧杯芳烃。为了扩展基于三碟烯的大环化合物的应用，他们以2，7-二氨基三碟烯和2，6-二羰基吡啶为基块一步合成了两种互为非对映异构体的新型酰胺类大环化合物，经X-ray单晶衍射手段证明其中一种以锥式构型存在，另一种为椅式。研究表明，这两种大环主体对间苯二酰胺类化合物都有明显的识别作用[7]。

2.2 1.8-萘酰亚胺衍生的大环多胺的合成及其对二羧酸的识别研究

生物学上重要分子的识别及化学传感越来越受到人们的广泛关注，其中二羧酸在生物学上具有极为重要的意义，是分子识别领域中重要的目标客体。考虑到二氧大环多胺中存在两个亚胺基，一方面可以在两个亚胺基上进行双功能基化引入荧光基团，另一方面两个亚胺确定的空间结构为特定构型的二羧酸的识别提供了结构基础。基于上述原因，武汉大学的穆宏磊等人将1，8-萘酰亚胺引入到大环多胺中，合成了1，8-萘酰亚胺修饰的大环多胺化合物，并发现该化合物能区分顺/反异构、位置异构及不同链长的二酸。如只对顺丁烯二酸、邻苯二甲酸、草酸和丙二酸产生荧光增强。对反丁烯二酸、间苯对苯二甲酸和丁、戊、己二酸则无荧光响应[8]。即该工作在生命科学和材料科学的研究和应用方面很有意义。

2.3 二茂铁桥基大环硒醚的合成及性质

电化学分子识别是近几年来识别领域的研究热点之一。对软路易斯酸后过渡金属及重金属离子客体，南京工业大学的李志文，吉玮，景苏设计合成以二茂铁为成环组分的二茂铁桥基大环硒醚主体分子，因Fe-主体间的直接相互作用，可对目标客体产生强大化学感应。并合成出3个大环硒醚及其Ag、Cu、Pd、Pt、Hg的化合物。电化学研究表明 Pt2+、Pd2+可使主体分子的Fe/Fe+氧化还原电对产生高达600mV的位移。此类主体分子对目标客体可能产生强烈信号[9]。

2.4 大环类配体超分子体系对稀土离子的识别作用

大环类对稀土离子具有独特的配位结构和选择性配位能力，已被广泛用于稀土离子的分离、免疫分析、相转移催化剂、传感器及新型发光材料等方面的研究。超分子体系的结构及能量状态复杂，对金属离子的性质变化敏感，因而可设计合成特殊结构的超分子配合物，研究配体对稀土离子间微小差异的识别能力。为此兰州大学的李晓峰等人设计合成了一系列多配位基大环类配体，通过自组装合成出含稀土的超分子配合物，并研究了在超分子体系中大环配体与稀土离子的相互识别作用[10]，以期在稀土离子的分离、传感器和新型功能材料等方面的研究中得到应用。

2.5 大环金属配合物的分子识别、活化与组装研究

大环金属配合物对小分子化合物的识别与活化一直是大环化学与超分子化学的主要研究内容。大环金属配合物通过对小分子化合物的识别作用使化合物中部分化学键得以活化，并在温和条件下实现化学键断开而发生化学反应，进而生成有用的新化合物。中山大学的陈嘉媚等人报道了通过改变大环配体的柔韧性来提高大环金属配合物对卤素离子的识别能力。通过pH值的改变来调控大环配合物的构型，进而实现对客体分子的可逆识别与释放，以及如何通过大环双核配合物对HCO3-的协同配位作用使HCO3-得以活化，并在常温常压下与一级醇发生反应生成碳酸酯等[12]。另外，还利用大环金属配合物作为构筑单元组装出手性螺旋链。

3 大环多胺类化合物对有机反应的催化作用

3.1 大环双锌配合物的合成及与磷酸二酯的作用

大环双锌配合物是一类有效的人工核酸切割试剂，其在化学、生物学、医学等领域中具有重要的意义和良好的应用前景。北京师范大学的徐江飞等人以 1，5，7- 三氮二环[4，4，0]-5- 烯（TBD）为原料，经过多步反应合成了大环双锌配合物[12]，并研究了其催化醇解磷酸二酯的反应，结果表明该大环双锌配合物是有效的磷酸二酯切割试剂，即以期得到具有良好切割效率的人工核酸酶。

3.2 大环双核Zn（Ⅱ）配合物催化水解羧酸酯的动力学研究

近年来，水解合成各种类型的金属离子配合物作为水解酶模型的研究日新月异。人们在合成羧酸酯的模型化合物中，研究其活性中心的结构和催化水解机理，其中研究的重点是单核或双核Zn（Ⅱ）的配合物。河南工业大学的刘婕，李晓元，苏延辉合成了一个新颖的二十六元氮杂环双核Zn（Ⅱ）的配合物[Zn2L（CH3COO）4]作为模板型化合物，考察了该化合物催化水解4-硝基苯酚乙酸酯（NA）的动力学历程[13]，为日后人们合成高效的水解酶模型化合物提供了思路。

4 结构新颖的大环多胺衍生物的合成

4.1 功能化三碟烯大三环主体的合成及自包结分子开关

利用给体与受体互补作用而设计的自包结体系，近年来受到广泛的关注。自包结分子在分子识别领域是一类很有趣的分子，这类分子通常是由一个大环主体与一个侧臂单元组成，它们不仅具有有趣的拓扑结构，而且在外界的刺激响应下，侧臂单元可以可逆的进出大环空腔，因而可作为一种纳米级分子开关。

三碟烯是一类具有三维刚性富电子的化合物。已报道的基于三碟烯的大三环主体不仅对联吡啶及二芳烃铵盐等缺点子客体分子具有很好的识别作用，而且包合形式也丰富多彩。Han等最近报道了大三环主体可以与客体分子形成三元复合物。因此，中国科学院的赵建民，陈传峰设计合成了侧链由萘基衍生的大三环主体[14]，通过钾离子与18-C-6的调控，可以实现2，2-联吡啶客体的包结与释放。

4.2 酸根离子调控小分子水簇

结构新颖水簇的合成一直是晶体工程的重要研究方向，而水簇的控制合成是近几年来研究的热点。中山大学的姜隆等人以质子化的氮杂大环穴醚配体L为模板，通过质子化的大环配体[H6L1]6+和H2PO4-相互作用能够在大环配体的空腔内形成两分子或环状的三分子水簇；当利用对甲苯磺酸根作为抗衡离子时，在大环配体的空腔内形成线型的三分子水簇;当用代替作抗衡离子时，可以在大环配体的空腔内形成准棱柱型的六分子水簇[15]。这些研究结果说明酸根离子在以大环配体为模板合成小分子水簇中具有调控大小和构型的作用。

4.3 新型Salen大环化合物的合成

不对称手性合成是有机合成的热点，开展高效的不对称催化反应研究是有机合成化学所面临的具有挑战性的任务之一。Salen配合物是不对称合成中最常用的手性催化剂之一。1997年Jacobsen研究小组首次将手性R，R-SalenCo（Ⅱ）配合物用于催化外消旋末端环氧化物水解动力学拆分（HKR）取得了突破性进展。采用水解动力学拆分方法实现末端环氧化物的不对称开环反应一直是最受关注的研究领域。基于Salen配合物催化消旋环氧化物的HKR过程是双金属协同亲核开环机理，贵州省大环及超分子化学重点实验室的庞宏伟，肖志友，朱必学合成了两个大环Salen化合物[16]，为新型二聚大环Salen化合物的合成奠定了基础。

4.4 新型含硫原子Salen大环化合物的合成

目前，大环化合物在对中性分子或离子的主客体选择性识别研究中正受到广泛关注，尤其是金属大环配合物在催化、磁性以及电子器件等方面的应用与研究一直是研究的热点。基于席夫碱作为过渡金属离子配合物的配体是以氧、氮原子进行配位的，其结构接近于生物体系的真实情况，适宜于进行生物体系的模拟研究，因之近几年来受到人们的普遍重视。乙酰丙酮与胺缩合得到席夫碱化合物中亚胺氮及烯醇氧原子具有较强的亲核能力，而易于与过渡金属离子配位形成单中心或多中心的配合物。贵州省大环及超分子化学重点实验室的张奇龙、戴美碧、朱必学以环己二胺和乙酰丙酮进行缩合，再与2，5-二巯基-1，3，4-噻二唑进行成环作用，得到了新型的含硫杂原子的手性席夫碱大环化合物[17]，期望能在催化、磁性及电子器件方面得到应用。

综上所述，世界科学家对大环多胺衍生物及其配合物的合成、性能及应用研究日新月异，随着该方面研究的不断的深入，其领域必将成为化学科学中一颗最耀眼的明珠。

［1］Lehn，J.M.Supramoleculer Chemistry，VGH publishers，Inc:New York，1995.

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［3］伍梅英，王燕，刘罡，等.大环醚双席夫碱钴配合我的合成及表征［J］.西北师范大学学报，2008，44：262-363.

［4］张瑞红，张雁红，杨帆，等.含草酰胺桥基大环酮的结构［J］.西北师范大学学报，2008，44:269.

［5］李静，蒋璐，乐洋，等.不同侧链的单核大环铜配合物对DNA裂解能力的研究［J］.西北师范大学学报，2008，44：273-274.

［6］张奇龙，戴美碧，李正亮，等.新型Salen锌（Ⅱ）大环配合物的合成及晶体结构［J］.西北师范大学学报，2008，44：285-286.

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［9］李志文，吉玮，景苏.二茂铁桥基大环硒醚的合成及性质研究［J］.西北师范大学学报，2008，44：241.

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［14］赵建民，陈传峰.基于功能化三碟烯大三环主体的自包结分子开关［J］.西北师范大学学报，2008，44：233-234.

［15］姜隆，黎，冯小龙，等.酸根离子调控小分子水蔟［J］.西北师范大学学报，2008，44:261.

［16］庞宏伟，肖志友，朱必学.新型Salen大环化合物的合成［J］.西北师范大学学报，2008，44:281-282.

［17］张奇龙，戴美碧，朱必学.新型含硫原子Salen大环化合物的合成［J］.西北师范大学学报，2008，44:283-284.