蓬勃发展的冠醚化学*

张来新，赵卫星，杨琼，冯国栋

(宝鸡文理学院化学化工系，陕西 宝鸡 721013)

蓬勃发展的冠醚化学*

张来新，赵卫星，杨琼，冯国栋

(宝鸡文理学院化学化工系，陕西 宝鸡 721013)

简要介绍了冠醚的结构、性能，冠醚化学的产生、发展及应用。重点介绍了:①新型冠醚及其金属配合物的合成;②新型冠醚的选择性络合及其自组装;③新型冠醚的络合作用及催化作用。并展望了其广阔的应用前景。

冠醚;配合物;应用

1967年美国杜邦公司的佩德森(Pedorson)教授首次合成并发现的大环化合物结构酷似西方国家国王戴的王冠，故俗称王冠醚，后叫冠醚。由于这类大环化合物的环可大可小，可为球状窝穴体，因之赋予其选择性络合分子离子的能力。并具有使无机盐溶于有机溶剂及类似酶功能的特性，故在动物植物体内有传送离子的特性，使其与天然离子载体有着惊人的相似性。四十余年来，科学家不仅对这类化合物的合成及特性进行了广泛深入的研究，而且对它在有机合成、高分子合成、分析化学、配位化学、萃取化学、金属及同位素分离、光学异构体的拆分、酶模拟、生物化学、生物物理、原子能化学、医药、农业及国防建设等方面的应用进行了广泛而深入的研究［1］，并在同位素分离和酶模拟等方面已取得了可喜的研究成果。目前已成为一门蓬勃发展的新兴边缘性科—冠醚化学。因此冠醚化学作为一门植根深远的新兴边缘学科，亦是许多新兴领域，诸如主客—体化学、包合物化学、离子载体、环糊精化学、离子对萃取、相转移催化等方面的主体化合物［2］。在进入21世纪以后，由于冠醚化学研究的迅猛发展，现今已渗透到热点领域环境科学、生命科学、材料科学、能源科学、医药学等重要学科。

1 新型冠醚及其金属配合物的合成

1.1 苯并噻唑基修饰的开链冠醚的设计与合成

开链冠醚与环状冠醚性质类似，对各种金属离子也有配位作用，但开链冠醚的合成克服了环状冠醚合成困难、产率低、成本高、毒性大等缺点，并在金属的富集、萃取分离、化学传感器、不对称催化以及在有机化学、分析化学、生物化学、医药学和农业等方面彰显出了优越的性能，是当今化学中崭新而十分活跃的领域之一。河北工业大学的杨林等人以一缩二乙二醇、二缩三乙二醇、香草醛、氨基苯硫酚等物质为原料，合成了两种苯并噻唑基修饰的开链冠醚［3］，期望能在分析分离科学、化学传感器及不对称催化等方面得到应用。

1.2 锰9－冠－3金属冠醚的合成

近年来，金属冠醚已成为配位化学研究的热点。金属冠醚是在结构和功能上与有机冠醚类似的一类金属大环化合物，但金属冠醚还具有有机冠醚所没有的一些特性，如:光学性质、磁性、生物活性等。杨杰等人用水杨醛肟与Mn(OAc)2·4H2O反应制得了金属冠醚［Mn6O2(Sao)6(N3)2(CH3OH)3(H2O)］2CH3OH·H2O【4】。并通过红外光谱和 χ—射线单晶衍射等表征，证明分子间通过C—H…O之间的相互作用形成二维网状结构。该研究将给力于材料科学和生命科学的应用研究中。

1.3 吨酮冠醚类配体稀土配合物的合成

吨酮冠醚是近年来化学家发现和研究的冠醚新成员和热点。其原因不仅是吨酮衍生物天然产物的优势使其具有良好的生理活性和药理效能，而且吨酮母环具有良好的共轭性和平面性，可作为荧光发色团，使其有可能敏化稀土发光，作为荧光传感器用于识别金属离子的研究。为了得到结构新奇且荧光性能优良的稀土配合物，何文杰等人设计合成了新型吨酮冠醚类配体 L1、L2及其稀土(Pr3+、Eu3+、Gd3+、Tb3+)和高氯酸盐(在腈或者DMF中)形成的配合物［5］，期望能在材料科学和生命科学的研究中得到应用。

1.4 氮杂冠醚Schiff碱的合成

Schiff碱过渡金属配合物作为生物载体的模型分子，能可逆地键合和富集O2。将功能分子冠醚化，设计合成性能更为优异的人工酶模型，是近年来仿生化学和冠醚化学研究的热点之一。将冠醚引入Schiff碱配体，利用氮杂冠醚的空间构型和更为灵活多变的键连方式，能更有效地提高活性中心的载氧能力和仿酶催化性能。为此李建章等人用氮杂冠醚取代的水杨醛衍生物在N2保护下与乙二胺或邻苯二胺作用，合成了氮杂冠醚取代双Schiff碱［6］，期望能在仿生化学、分子催化、材料科学的研究中得到应用。

1.5 二茂铁大环冠醚的合成

作为第一代超分子主体的冠醚化合物则以其对金属离子的选择性络合和分子自组装方式在超分子领域凸显出广阔的应用前景。近年来，具有氧化还原活性中心的大环配体性质的研究已取得实质性进展。这一体系可以通过活性中心以外的部分和客体络合物而影响氧化还原中心的电子性质，以达到检测分子络合能力的目的。也可以用电化学手段改变氧化还原中心性质而达到调节分子与客体的络合。王伟等人以1，1－二茂铁二甲醇和邻苯二酚多元醚为原料合成了含有二茂铁的大环冠醚［7］，期望能在材料科学和生命科学的研究中得到应用。

1.6 三碟烯三冠醚的模板大环的合成

模板合成大环化合物一直是超分子化学研究的热点。而三碟烯由于其高度对称、刚性的结构特点很适合作为模板来合成大环物。中科院的张超等人首先利用三碟烯醚与二苄胺盐作用生成三－2－准轮烷，然后通过烯烃复分解反应高效的得到了假［4］索烃。再后将假［4］－索烃用三溴化硼将冠醚水解，高产率得到由三个二苄胺盐片段构成的用其它方法难以直接合成的新型大环化合物［8］。该研究将在合成一些新型大环化合物中得到应用。

2 新型冠醚选择性络合及其自组装研究

2.1 新型含吡啶基冠醚的合成及与百草枯络合研究

自从Peclerson于1967年首次合成冠醚并发现它能选择性与碱金属配合后，主客体化学得到了蓬勃发展，尤其是那些能够自组装形成互锁结构的识别体系。冠醚类主体已经被广泛应用于超分子自组装和机械互锁结构的制备。但到目前为止，能够有效地用于制备机械互锁结构的超分子体系较为有限。故发展新型主体和有效地识别机理仍是一项长期而艰巨的任务。为此李世军等人以2，6－双(对甲苯磺酰氧甲基)吡啶与二甘醇在四氢呋喃中且在NaH作用下直接进行2+2关环反应得到一个新型吡啶基冠醚－双吡啶基30－冠－10(DP30C30)【9】，并研究了它与百草枯衍生物的络合自组装作用，期望能在生命科学、农药、环境科学及医药学上得到应用。

2.2 苯并18－冠－6修饰的二萘嵌苯的堆积及其离子键合作用

苝酰亚胺衍生物由于其独特的性质，特别是可以通过强的π－π堆积作用自组装形成纳米超分子组装体而备受关注。冠醚作为一类重要的超分子大环主体，由于其易修饰性及其对阳离子客体独特的键合能力而备受青睐。江山等人设计合成了苯并18-冠-6修饰的二萘嵌苯衍生物(苝亚胺衍生物类)［10］，并研究了它在不同溶剂中的堆积行为及其对金属离子的选择性键合行为，期望能在环境科学、材料科学的研究中得到应用。

2.3 卟啉修饰冠醚环的合成及自组装

冠醚化合物作为第一代主体化合物，特别是二芳基冠醚由于其结构中具有负电子的芳基单元和容易形成氢键的烷氧基单元而被广泛用于自组装领域，近年来该领域的研究一直方兴未艾。多种带有特殊功能团结构的冠醚化合物已被合成，并应用于构筑轮烷、类轮烷、聚轮烷和索烃等分子体系。卟啉类化合物作为电活性或光活性基团被引入到分子机器中，大多数都被当做阻挡基团，很少用于构成大环化合物。曹晶晶等人分别采用无金属卟啉和金属锌配位的卟啉对苯并24－冠－8进行修饰而合成了一类(2种)新型冠醚大环化合物，光谱分析表明经过修饰后的冠醚分子具备卟啉独特的光电性质，即具有优良的光电性质。采用含有4，4’－联吡啶和二茂铁单元的客体分子与之组装形成了类轮烷体系［11］，期望能在材料科学、生命科学的研究中得到应用。

2.4 两亲性冠醚化合物的合成及其自组装

冠醚化合物可根据其醚环的空穴大小和环上取代基的差异，选择性地络合不同直径的金属离子，通过冠醚化合物的改性可以制成对特定离子有识别功能的选择器。随着对冠醚识别金属离子性能研究的深入，将冠醚类物质与高分子聚合物结合，合成能自组装形成两亲性冠醚化合物，并制得具有特殊离子识别性能的离子通道膜已成为新的研究热点。为了模拟生物膜中离子通道的功能，唐橙橙等人采用4－羟基苯并15冠5、没食子酸甲酯和1－溴十二烷等物质为原料，制备了一种两亲性冠醚化合物［12］，这种两亲性化合物能够以苯并15冠5结构为自组装中心，形成带有离子通道的柱状结构。研究表明Na+可以在其自组装形成的柱状通道中跳跃性的运输，呈现出与生物体内细胞膜双磷脂层上Na+离子通道类似的功能和惊人的相似性。将这种冠醚化合物接枝到聚碳酸酯核孔膜的表面，可构筑一种新型仿生Na+离子通道膜，该仿生离子通道膜有望应用于金属盐溶液提纯、离子选择电极和化学传感器的制备，在环境科学、分析化学以及生命科学等领域有着广阔的应用前景。

3 新型冠醚的络合作用及催化作用

3.1 新型水溶性杯［4］-1，3-氮杂冠醚衍生物的合成及其催化性能研究

杯芳烃是继环糊精和冠醚之后的第三代超分子主体化合物，与环糊精和冠醚相比，杯芳烃更易于进行化学修饰，衍生出各种具有特异功能的衍生物，故在化学物质的分离萃取、毛细管电泳、色谱分析、模拟酶及催化方面表现出广阔的应用前景。由于水溶性杯芳烃衍生物可以在水溶液体系中与客体相互作用，故在有机物分离、污水处理、相转移催化等领域有着潜在的应用前景。为此，张筱逸等人以杯［4］芳烃与N’N-亚乙基双(2-氯乙酰胺)反应制得了杯［4］-1，3-氮杂冠醚衍生物，后经浓硫酸磺化合成了新型水溶性杯［4］-1，3-氮杂冠醚衍生物，研究表明其水溶性氮杂冠醚衍生物作为反相转移催化剂对氯化苄和硫氰酸钾亲核取代反应有一定的催化活性［13］。

3.2 新型固载化冠醚二苯并-18-冠-6在苯甲酸丁酯合成反应中的相转移催化作用

冠醚的固载化已有报道，但将固载化冠醚用于相转移催化反应的报道较少。由于小分子冠醚化合物有毒性，而冠醚的大分子化可消除其毒性，因此，从提高相转移催化剂的效率和降低其毒性方面考虑，冠醚的大分子固载化显得尤为重要。王世伟等人在交联聚乙烯醇(CPVA)微球表面固载冠醚二苯并-18-冠-6(DB18C6)，从而制得了三相相转移催化剂DB18C6-CPVA，研究表明此三相相转移催化剂对苯甲酸钾与溴代正丁烷的酯化反应有优良的催化活性［14］。且此催化剂可循环使用8次。故该催化剂的优点是:①安全环保;②催化活性高;③成本消耗低。

3.3 金属铜配合物Cu(Ⅱ)吨酮冠醚的体外抗肿瘤作用

金属配合物顺式二氯二氨合铂自1969年通过实验确定具有抗肿瘤活性，故在1978年被批准用于临床治疗睾丸肿瘤和卵巢癌，现已成为世界上癌症治疗应用最为广泛的3种抗癌药物之一。但由于铂类配合物的严重毒性和耐药性，以及铜配合物的良好抗肿瘤活性，金属铜配合物成为无机抗癌配合物的研究热点。白岩张小郁等人以铜为核心合成了一系列金属铜配合物，他们的研究表明，其中合成的Cu(Ⅱ)吨酮冠醚在体外有较好抗肿瘤活性，特别对卵巢癌有较高的选择性，有望成为治疗卵巢癌的特效药［15］。

综上所述，冠醚化学作为一门新兴的边缘学科在21世纪的研究中得到了日新月异的蓬勃发展，目前已渗透并广泛应用于21世纪的热点学科:生命科学、材料科学、环境科学、能源科学及药物学。我们坚信，随着世界科学家对其研究的日益深入，冠醚化学必将为人类文明进步再创辉煌。

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Flourishing Development of Crown Ether Chemistry

ZHANG Lai-xin，ZHAO Wei-xing，YANG Qiong，FENG Gou-dong
(Chemistry＆ Chemical Engineering Department，Baoji University of Arts and Sciences，Baoji 721013，Shanxi，China)

This paper introduces generation，recent development，and applications in crown ether chemistry.The structure features and characteristics of various new-type crown ethers are reviewed emphasizing on the subjects of synthesis，metal complex synthesis，selective complexation，self-assembly，complexation，and catalysis.Future applications are prospected with the expectation of more significant developments.

crown ether;complex;application

O643

2011－05－26

陕西省植物化学重点实验室基金资助课题(09JS066);陕西省教育厅自然科学基金资助课题(04JK147);宝鸡文理学院自然科学基金资助课题(zk1017)