蓬勃发展的杯芳烃化学*

张来新，朱海云

(宝鸡文理学院化学化工学院，陕西宝鸡721013)

杯芳烃是由苯酚单元通过亚甲基桥连起来的环状具有空穴的桶状低聚物，是一种既能与离子型客体又能与非离子型客体形成配合物的第三代新型大环主体化合物。其苯酚单元一般为n(n=4，5，6，7，8)。杯芳烃在 1942 年由奥地利的金克(Zinke)首次合成并报道，因其结构酷似酒杯加之由芳环围成，故美国的的古奇(C.D.Gutscht)称其为杯芳烃。由于杯芳烃具有多个反应活性点可进行修饰，故通过化学反应可引入含有各种功能团、空腔大小可调节的众多衍生物。近年来，杯芳烃的研究已向着功能化方向发展，并在分子识别、分子组装、化学传感器、分析分离与测定、生物活性分子及手性药物识别等尖端研究新领域取得了令人瞩目的成就。不仅如此，杯芳烃的研究在21世纪的热门学科如生命科学、环境科学、材料科学、能源科学、信息科学及医药学、工业、农业、国防等众多领域均有着广阔的应用前景，目前已发展成为一门新兴热门的边缘学科—杯芳烃化学。

1 新型杯芳烃衍生物的点击法合成及应用

1.1 含噻二唑基杯芳烃衍生物的点击合成及应用

杯芳烃作为继冠醚、环糊精之后的第三代主体化合物，其独特的结构、性能及用途越来越受到人们的广泛关注。噻二唑是一种在农药、医药、材料和配位等方面有着广泛应用的氮硫杂环化合物［1］。点击化学［2］是一种简单、高效、快捷的合成方法，考虑到噻二唑中氮、硫等杂原子对过渡金属具有较强的配位能力，河南师范大学的刘连委等人首先利用2－巯基噻二唑与2－氯乙氧基乙醇反应制得有醚链的噻二唑衍生物，其羟基活化后得到磺酸酯衍生物。在NaN3的作用下转化为醚链连接的噻二唑叠氮化合物(A)。然后将1，3－二丙炔杯［4］芳烃衍生物与含叠氮基的A在点击反应条件下，合成了有望对过渡金属离子具有良好识别作用的含噻二唑基的杯［4］芳烃衍生物［3］。该研究期望能在贵金属的回收提取、分析分离科学、农药、医药、材料等科学中得到应用。

1.2 点击合成1，2，3－三氮唑桥联的杯［4］冠醚

设计合成具有分子内空腔的大环化合物可以实现对阴阳离子及中性分子的识别。杯芳烃作为构筑新型主体分子的平台显示出无可比拟的优越性。因此，合成分子内桥联的杯芳烃使其具有大的识别空腔引起人们极大的关注。为此，华中师范大学的展军颜等人利用点击化学高选择性高产率合成了含有蒽、蒽醌、手性联萘酚结构单元的分子内桥联的新型杯［4］冠醚(A)。即1，2，3－三氮唑桥联的杯［4］冠醚［4］。研究发现在杯芳烃骨架中引入蒽可作为荧光传感器，引入蒽醌基团可以实现对底物的光化学及电化学的双重响应，引入手性联萘酚结构单元可应用于手性识别和手性诱导，利用这种高效率、高选择性的点击合成法，合成出了多种含1，2，3－三氮唑基的杯［4］冠醚，引入上述官能团后还可协同作为某些离子的识别位点［5］。该研究期望能在材料科学、医药学、农药、分析分离科学中得到应用。

1.3 以杯［4］芳烃衍生物为载体的钾离子选择电极研究

以大环配体为载体的离子选择电极，由于具有测定快速灵敏和设备简单等特点，已迅速发展成为一种被广泛应用于电化学传感器的物质。制备这类电极的关键是膜相中载体的研制。近年来，杯芳烃及其衍生物已发展为新兴的大环配体，并引起人们极大的关注。这是因为此类分子可以通过化学修饰，引入适当基团，从而改善其分子识别及离子的选择性结合性能。为此，郑州大学的周雅仙等人以杯［4］芳烃和邻氯甲基苯甲酸酯在碱性条件下反应，合成了三种杯［4］芳烃苯甲酸酯衍生物，并发现该三种衍生物均能选择性地萃取K+，因此可望用作离子选择电极的载体［6］。

2 多种系列新型杯芳烃及衍生物的合成及应用

2.1 几种新型杯芳冠醚的合成及应用

杯芳冠醚是一类由杯芳烃单元和冠醚单元之间由两个或多个原子相连所组成的具有预定结构和对特殊的分子、离子识别能力的新型主体化合物。由于其兼具相应的杯芳烃单元和冠醚单元二者的性质，因而自1983年Alfiei等人首次合成了1，3－对叔丁基杯［4］冠醚－6以来，杯芳冠醚一直受到人们的重视，逐渐形成了杯芳烃化学中的新领域，为此，南开大学的赵邦屯等人用对叔丁基杯［4］芳烃和二溴甲基苯并15－冠－5在K2CO3存在下反应，合成了几种新型杯芳冠醚［7］。该研究期望能在材料科学、分析分离科学中得到应用。

2.2 硫桥联杯芳烃及其衍生物的合成及应用

杯芳烃作为一种良好的受体，可与离子、原子、分子等底物结合形成超分子化合物，在分析检测、浓缩分离、催化仿生及环保等方面有着广阔的应用前景。由于S与有毒的Pb2+、Cd2+、Hg2+等离子结合能力很强，故含硫杯芳烃衍生物适合对这些离子的分离、提取、浓缩，进而模拟人体肾脏的解毒功能。为此，同济大学的潘志刚等人以对叔丁基苯酚为起始原料，合成了硫桥杯芳烃，先后依次与α－溴代丙酮、LiAH4、α－溴代乙酸乙酯作用，得到了三种硫桥杯芳烃衍生物［8］，该研究期望能在环境科学、材料科学、生物科学、分析分离科学、催化仿生科学及医学上得到应用。

2.3 系列含氮功能基杯［4］芳烃的合成及应用

杯芳烃母体不仅易于合成，且在其上、下缘易于进行化学修饰，并能有效地识别中性分子和有机、无机离子，且兼备冠醚和环糊精二者之长处，已成为新一代超分子配体，故引起了世界化学家浓厚的研究兴趣。基于杯芳烃的分子平台特性，在其上下缘选择性的引入功能基团，对于固定杯芳烃构象，提高其分子识别能力，扩大其应用范围具有重要意义。为此，南开大学的赵邦屯等人将含氮功能基通过酯化、Schiff碱反应、酰胺化，选择性地引入到杯芳烃的下缘，制得了18个新的功能化杯芳烃衍生物［9］。实验表明:在杯芳烃的下缘引入特定功能基有助于提高其离子键合能力，如对稀土金属离子的配位能力比杯［4］二胺强。并提高了其对碱金属离子的选择性。该研究将在金属离子的回收与富集分离、环境化学、生命科学的研究中得到应用。

3 新型杯芳烃的合成及其对金属离子的选择络合作用

3.1 杯［6］羧酸衍生物对 Fe3+、La3+、Ca2+离子的萃取作用

鉴于杯芳烃及其衍生物对某些金属离子高选择性萃取能力，同济大学的顾金英等人以对叔丁基杯［6］芳烃为起始原料，在碱性条件下与氯乙酸作用，合成了对叔丁基杯［6］芳烃的羟基取代六羧酸衍生物(简称(H6L)，并以H6L为萃取剂，研究了H6L对Fe3+、La3+、Ca2+的萃取作用，为从稀土中去除微量 Fe3+、Ca2+杂质提供了理论依据［10］。根据萃取能力的差异有可能实现对Fe3+和La3+的分离。该研究将在分析分离科学、环境科学、生命科学及医药学的研究中得到应用。

3.2 含氮杯芳烃衍生物的合成及其对铅离子的萃取

近年来随着杯芳烃化学研究的不断深入，含有N、S、P 等供电子原子的杯芳烃由于对 Pb2+、、Hg2+、Cd2+、Ag+等重金属离子具有特殊的结合能力而引起人们的重视。同济大学的王丽等人以对叔丁基杯［4］芳烃和对叔丁基杯［8］芳烃分别为起始原料，经多步反应合成了三种含氮杯芳烃衍生物:杯［4］乙酰哌啶、杯［8］乙酰哌啶、杯［8］乙酰乙二胺［11］。在不同pH下，其对Pb2+均有萃取作用。而在pH=4～6范围内，杯［8］乙酰哌啶实现了对Pb2+100%的萃取率。该研究将在分析分离科学、环境科学、生命科学的研究中得到应用。

3.3 Schiff碱型杯［4］芳烃衍生物的合成及其与轻稀土硝酸盐的配位作用

杯芳烃可以选择性键合离子或分子，形成主客体或超分子配合物，对其配位性能的研究一直是超分子化学研究的热点。南开大学的赵邦屯等人曾用量热滴定法研究了杯芳烃衍生物与轻稀土硝酸盐配位作用的热力学性质，这对于阐述杯芳烃高选择性的热力学起源以及热力学的观点控制配位作用的现象，对于设计高选择性的主体分子具有重要意义。随后他们以对叔丁基杯［4］芳烃为起始原料，先后与有机腈、LiAlH4和芳香醛分别作用，合成了一种新型Schiff碱型杯［4］芳烃衍生物，将其衍生物与Eu(NO3)3作用，给出了对Eu3+的高配位选择性［12］，在整个配位过程中选择性主要是由熵控制的，焓变和熵变是作为一种补偿次序贡献于配合物的形成。该研究将用于环境科学、分析分离科学及有机合成设计等。

4 结语

综上所述，由于杯芳烃是由苯酚与甲醛缩合反应而生成的一类环状低聚物，因其易于合成，便于进行化学修饰，具有可调节的环状疏水空腔，结构柔性较大，构象可变，对中性分子、离子具有选择性配位能力，兼备环糊精和冠醚二者之所长，故彰显出其难以尽举的应用领域。我们坚信，随着人们对继冠醚和环糊精之后的第三代新型主体化合物杯芳烃研究的不断深入，杯芳烃这朵艳丽之花必然在众多科学领域的应用中结出丰硕成果。

［1］De S K，Chen V，Stebbins J L，et al.Synthesis and optimization of thiadiazole derivatives as a novel class of substrate competitive c-Jun N-terminal kinase inhibitors［J］.Bioog.Med.Chem，2010，18(2):590－596.

［2］(a)Kolb H C，Finn，M G，Sharpless K B.Click Chemistry:Diverse Chemical Function from a Few Good Reactions［J］.Angew.Chem.Int.Ed.，2001，40(11):2004 －2021.(b)Meldal M，Tornoe C W.Cu-Catalyzed Azide?Alkyne Cycloaddition［J］.Chem.Rev.，2008，108(8):2952－3015.

［3］刘连委，渠桂荣，胡普州，等.含噻二唑杯芳烃衍生物的点击合成［C］.全国第十五届大环化学暨第七届超分子化学学术讨论会论文集，重庆西南大学，2010年10月，P107－108.

［4］展军颜，李海兵.点击合成1，2，3－三氮唑桥联的杯［4］冠醚［C］.全国第十五届大环化学暨第七届超分子化学学术讨论会论文集，重庆西南大学，2010年10月，P109－110.

［5］Chang K C，Su I H，Senthilvelan A，at el.Triazole-Modified Calix［4］crown as a Novel Fluorescent On-Off Switchable Chemosensor［J］.Org.Lett.，2007，9(17):3363 －3366.

［6］周雅仙，葛明辉，邢彦军，等.以杯［4］芳烃衍生物为载体的钾离子选择电极研究［C］.全国第十届大环化学暨第二届超分子化学学术讨论会论文集，成都四川大学，2000年9月，P46－47.

［7］赵邦屯，王浩，张衡益，等.几种新型冠醚的合成［C］.全国第十届大环化学暨第二届超分子化学学术讨论会论文集，成都四川大学，2000能9月，P80－81.

［8］潘志刚，王丽，叶智峰，等.硫桥杯芳烃及其衍生物的合成与表征［C］.全国第十届大环化学暨第二届超分子化学学术讨论会论文集，成都四川大学，2000能9月，P98－99.

［9］赵邦屯，王浩，刘育.一系列含氮功能基杯［4］芳烃的合成［C］.全国第十届大环化学暨第二届超分子化学学术讨论会论文集，成都四川大学，2000能9月，P84－85.

［10］顾金英，朱志良，陆国第，等.杯［6］羧酸衍生物对 Fe3+、La3+、Ca2+离子的萃取研究［C］.全国第十届大环化学暨第二届超分子化学学术讨论会论文集，成都四川大学，2000年9月，P96－97.

［11］王丽，李洪海，陆国第，等.含氮杯芳烃衍生物的合成及其对铅离子的萃取［C］.全国第十届大环化学暨第二届超分子化学学术讨论会论文集，成都四川大学，2000年9月，P100－101.

［12］赵邦屯，白小鹏，张衡益，等.Schiff碱型杯［4］芳烃衍生物的合成及其轻稀土硝酸盐配位作用的热力学性质［C］.全国第十届大环化学暨第二届超分子化学学术讨论会论文集，成都四川大学，2000年9月，P82－83.