新型杯芳烃的合成及其应用研究的新进展

张来新，马琳

(宝鸡文理学院 化学化工学院，陕西 宝鸡 721013)

杯芳烃一般是指由亚甲基桥联苯酚单元所构成的大环化合物，1942 年金克(Zinke，奥地利人)首次合成得到，因其结构酷似希腊圣杯而被美国化学家古奇(C.D.Gutscht)称为“杯芳烃”。由于其空腔大小可调，上、下缘均能进行各种官能团修饰，故可得到具有高度选择性的大环主体分子，即对金属离子、中性分子有很好的选择配位性能，因而引起人们极大地研究兴趣。由于水溶性差曾使得杯芳烃在主客体化学的发展和应用中受到限制，但通过相应的功能化修饰，在其上下缘引入如磺酸基、羧基、磷酸基等功能基团后，可得到水溶性好的杯芳烃衍生物，从而扩大杯芳烃的应用范围。正由于具有大小可调节的“空腔”和上下缘可修饰的特性，故有能选择性形成主-客体复合物的特性。与环糊精、冠醚相比，杯芳烃是一类更具广泛适应性的模拟酶，故被称为优于继冠醚和环糊精之后的第三代大环主体化合物。作为第三代大环主体超分子化合物，杯芳烃具有独特的空穴结构，与冠醚和环糊精相比具有如下优点:①它是一类人工易合成的低聚物，它的空穴结构大小的调节具有较大的自由度;②通过控制不同反应条件及引入适当的取代基，可合成所需要的各种构象;③杯芳烃的衍生化反应，不仅在杯芳烃下缘的酚羟基、上缘的苯环对位，而且连接苯环单元的亚甲基都能进行各种选择性的功能化，这不仅能改善杯芳烃自身水溶性差的不足，而且还可以改善其分子络合能力和模拟酶活力;④杯芳烃热稳定性及化学稳定性好，可溶性虽较差，但通过衍生化后，某些衍生物具有很好的溶解性;⑤杯芳烃能与离子和中性分子形成主客体包合物，这是集冠醚和环糊精两者之长处;⑥杯芳烃的合成较为简单，可望获得较为廉价的产品，事实上现在已有多种杯芳烃商品化。由于杯芳烃具有如此多的优势性能，故使其可用作离子载体、作为离子交换剂、相转移催化剂及作为涂料、黏合剂等组分，使其在工业、农业、国防、医药学等领域也彰显出广阔的应用前景。不仅如此，杯芳烃在21 世纪的热门学科如生命科学、环境科学、信息科学、材料科学以及能源科学中均有着巨大的潜在应用前景和研究价值。目前已发展成为一门新兴热门边缘学科——杯芳烃化学。

1 新型杯芳烃衍生物的合成及应用

1.1 磺化杯芳烃对磷酸酶辅助的主客体二元组装的促进

近年来，通过特定手段来调控功能组装体的构筑，在生物医学、材料科学等领域有着极其广泛的应用［1］。在众多调控手段中，酶具有良好的生物兼容性和底物选择性，因此酶控组装受到越来越多的化学、生物学研究者的青睐［2］。杯芳烃作为第三代超分子主体化合物，拥有富电子疏水的杯状结构、稳定的框架，同时易于化学修饰。在杯芳烃中，磺化杯芳烃具有良好的水溶性及生物兼容性，不仅展现出其对客体分子很好的结合能力，并且能诱导阳离子表面活性剂在低于临界胶束浓度的条件下进行两亲聚合。为此，南开大学的李沛昱等［3］结合两性磷酸表面活性剂的酶反应活性与自己合成的磺化杯芳烃在诱导聚集方面的优势，构筑了磷酸促进的超分子二元组装体。该研究将在材料科学、生命科学、医药学研究中得到应用。

1.2 阳离子客体诱导两亲磺化杯芳烃的聚集行为

两亲性杯芳烃是在杯芳烃上、下缘分别引入亲水基团和羧酸基团而构成的两亲分子，被称为“具有主客体识别位点的表面活性剂”。与传统的两亲分子相比，两亲杯芳烃具有更低的临界胶束浓度和良好的聚集稳定性，并且，杯芳烃的空腔也为组装体的进一步修饰提供了作用位点。在多种两亲杯芳烃中，下缘修饰烷基链的磺化杯芳烃因其合成简单，具有良好的水溶性及生物兼容性在环境科学与生物医学领域彰显出了潜在的应用前景［4］。为此，南开大学的胡心悦等［5］首先合成了两亲性磺化杯芳烃，并系统的考察了在不同阳离子客体存在下，下缘烷基修饰的两亲性磺化杯芳烃的行为。结果表明，客体分子可以使两亲型杯芳烃自身的临界聚集浓度有着不同幅度的下降，并且其组装体的拓扑形貌也发生了变化。该研究将在环境科学、生物医药学、生命科学及材料科学的研究中得到应用。

1.3 三碟烯衍生氧杂杯芳烃的方向选择性络合作用与轮烷的合成

三碟烯衍生氧杂杯芳烃具有三维不对称结构的空腔，其空腔已显示出对于对称的联吡啶盐客体的良好识别能力。若使其与线性不对称的缺电子客体发生作用，理论上就会形成两种穿线方向相反的准轮烷。为此，中国科学院化学研究所的汪含笑等［6］利用此大环与一端用大位阻基团预封端的吡啶盐的识别，合成了准轮烷及轮烷，核磁共振检测的结果显示得到的并不是两种穿线方向的混合物，而是单一方向产物。基于氧杂杯芳烃上萘啶片段对酸碱的响应性，进一步实现了大环在轴的不同位置之间的酸碱可控穿梭运动。该研究将在材料科学、分子生物学及超分子化学的研究中得到应用。

2 新型硫杂杯芳烃的合成及荧光探针

2.1 识别阴、阳离子1，2-取代硫杂杯芳烃的合成及荧光探针

硫杂杯［4］芳烃荧光探针已有很多报道，多为1，3-交替构型，其中有识别Ag+的探针。为此，贵州大学的余梅等［7］首先合成了一种结构新颖的1，2-位取代硫杂杯［4］芳烃，并通过比率吸收方法来识别离子对。即他们合成了一种具有1，2-位取代硫杂杯［4］-呋咱衍生物荧光探针物(A)，并研究了该探针对阴、阳离子的荧光识别性质。荧光光谱表明，该荧光探针能在多种正负离子中分别定量检测出Ag+、F－、AcO－。即1，2-取代硫杂杯［4］芳烃-呋咱衍生物A 可作为识别Ag+、或F－、AcO－离子的荧光猝灭型探针。

2.2 具有比率荧光性能的硫杂杯［4］苯并呋咱探针

以硫杂杯［4］芳烃为分子平台构建的荧光探针，在通过荧光增强或猝灭实现阴、阳离子的同时识别的多功能硫杂杯［4］芳烃荧光探针是研究的目标。为此，贵州大学的冉茂乾等［8］首先合成了一种萘酰亚胺和苯并呋咱双荧光团的硫杂杯［4］芳烃荧光探针，荧光实验表明，探针在DMF/H2O(4/1，V/V)介质中对Ag+有识别;探针在DMT 中对F－、AcO－有荧光猝灭识别性能。探针还可以作为比率吸收分别检测F－或AcO－［8］。该研究将在环境科学、分析分离科学及医药学分析方面得到应用。

2.3 具有比率吸收识别的新型1，2-取代硫杂杯芳烃探针

对硫杂杯［4］芳烃1，2-位进行修饰的研究报道目前还不多见，这类杯芳烃作为荧光探针与1，3-位取代或全取代杯芳烃相比较结构更新颖。为此，贵州大学的吴福勇等［9］在硫杂杯［4］芳烃下缘1，2-位连接4-氯-7-硝基苯并-2，1，3-氧杂噁二唑，3，4-位连接1，1，3，3-四异丙基二硅氧醚，合成了1，2-交替硫杂杯芳烃荧光探针，并研究了其光谱性质。实验表明，在THF/H2O 介质中，以503 nm 和470 nm 处的比率吸收测定Ag+含量;该探针在THF 溶剂中测定F－时，以394 nm 与330 nm 处的吸光度比值为比率吸收测定F－含量。该研究将在分析分离科学、环境科学、材料科学、生命科学的研究中得到应用。

3 新型杯芳烃的合成及在分析分离科学中的应用

3.1 氧杂杯［3］芳烃荧光增强型重金属离子荧光探针的合成及应用

荧光分子探针，由于其具有高灵敏度、选择性好、易实现可视化和实时检测等优点而倍受青睐。但是，由于重金属离子在荧光分子传感器的识别过程中存在重金属效应及反光诱导电子电荷能力转移等现象，使传感器发生荧光猝灭。这不仅限制了荧光分子识别体系的发展，同时也降低了荧光分子传感器本身的实际应用效果。为此，贵州大学的伍亚男等［10］在他们前期工作的基础上，进一步利用氧杂杯［3］芳烃上下沿均能功能化的特点，采取调节荧光信号基团与离子识别位点之间的距离与空间位置的合成思路，通过点击化学合成得到了一类芘荧光二聚体/单体比率计型荧光探针。实验表明该类荧光探针对常见重金属及过渡金属如Hg2+、Cu2+、Pb2+、Zn2+、Fe3+具有良好的荧光增强识别效果。该实验结果也进一步说明重金属及过渡金属离子的荧光猝灭现象可以通过一定的合成方法加以避免。该研究将在环境科学、分析分离科学、生命科学及医药学的研究中得到应用。

3.2 共价键链杯芳烃——四硫富瓦烯超分子体系的合成及应用新进展

杯芳烃研究三十多年来，在分子识别、分子组装、酶模拟、化学传感器和催化等高新领域方面的研究取得了突飞猛进的发展，其日新月异的应用展现了其独特的魅力。近年来，类杯芳烃化合物，尤其是硫桥杯芳烃和杯吡咯等作为杯芳烃家族的新成员，由于其更加灵活的构象变化和易衍生化的特性，在分子识别和组装方面引起了科学家广泛的研究兴趣。四硫富瓦烯(TTF)是一种稳定、可逆的两电子给体，在有机导电材料、导电LB 膜、有机铁磁体、非线性光学材料、分子梭、分子开关、分子导线、传感器等有机功能材料领域有着非常重要的应用。为此，洛阳师范学院的赵邦屯等［11］研究了将TTF 单元引入到杯芳烃平台上开发新型超分子体系，即合成了共价键链杯芳烃——四硫富瓦烯超分子体系，从而增强了其应用范围，丰富了杯芳烃化学，引起了人们广泛关注。

总而言之，由于杯芳烃具有特殊和优越的结构和性能，可以选择性的识别分子离子，被广泛应用于分析分离科学中。目前，围绕杯芳烃的手性识别、仿生物酶和分子自组装等在生物化学、生命科学、环境科学、医药学等研究领域正向着更深更广的方向发展。在催化剂领域，由于杯芳烃在其空穴中能包合有机客体分子，故还可作为反相转移催化剂，把有机反应物从有机相转送到水相，在水相中进行反应。杯芳烃及其衍生物的空穴由于既有柔韧易变的特点，又有多重结合能力，且较易修饰，而又有能适应极为广谱的底物的要求，因而对由杯芳烃构筑模拟酶的开发也是一项极具应用前景的研究。杯芳烃可作为分子开关，对不同的外界条件做出的反应不同，大致可分为光热控制的分子开关、氧化还原控制的分子开关、荧光分子开关、pH 调控分子开关、金属离子控制分子开关、其他类型的分子开关等。杯芳烃的应用前景可总结为:①可从核废物中回收铯;②可作为有机反应的相转移试剂;③可作为有机材料的稳定剂;④可作为粘合剂的固化加速剂;⑤可作为L-B 膜;⑥可用于水污染控制;⑦可用于模拟酶催化;⑧可从海水中提取铀等等。总之，杯芳烃的应用之多难以尽举。

［1］ Guo D S，Wang K，Wang Y X，et al. Cholinesterase-responsive supramolecular vesicle［J］. J Am Chem Soc，2012，134(24):10244-10250.

［2］ Guo D S，Yang J，Liu Y.Specifically monitoring butyrylcholinesterase by supramolecular tandem assay［J］.Chem Eur J，2013，19(27):8755-8759.

［3］ 李沛昱，郭东升，刘育.磷酸酶辅助的主客体二元组装［C］//全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集.延吉:延边大学，2014.

［4］ Basilio N，Garcia-Rio L，Martin-Pastor M.Calixarene-based surfactants:Evidence of structural reorganization upon micellization［J］.Langmuir，2012，28(5):2404-2414.

［5］ 胡心悦，郭东升，刘育.阳离子客体诱导两亲磺化杯芳烃的聚集行为［C］//全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集. 延吉:延边大学，2014:280-281.

［6］ 汪含笑，陈传峰. 基于三碟烯衍生氧杂杯芳烃的方向选择性络合作用与轮烷的合成［C］//全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集.延吉:延边大学，2014:85-86.

［7］ 余梅，吴福勇，牟兰，等.识别阴、阳离子1，2-取代硫杂杯芳烃的合成及荧光探针［C］//全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集. 延吉:延边大学，2014.

［8］ 冉茂乾，赵远会，孙强，等. 具有比率荧光性能的硫杂杯［4］-苯并呋咱探针［C］//全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集. 延吉:延边大学，2014.

［9］ 吴福勇，余梅，牟兰，等. 具有比率吸收识别的1，2-取代硫杂杯芳烃探针［C］//全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集. 延吉:延边大学，2014.

［10］伍亚男，倪新龙，牟兰. 基于氧杂杯［3］芳烃荧光增强型重金属离子荧光探针的合成方法研究［C］//全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集.延吉:延边大学，2014.

［11］赵邦屯，朱为民. 共价键链杯芳烃——四硫富瓦烯超分子体系进展［C］//全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集.延吉:延边大学，2014.