水溶性杯芳烴合成的研究進展

韓豪，曹端林，胡志勇，周俊峰

（中北大學化工與環境學院，山西 太原 030051）

水溶性杯芳烴合成的研究進展

韓豪，曹端林，胡志勇，周俊峰

（中北大學化工與環境學院，山西 太原 030051）

本文根據水溶性杯芳烴不同的合成方法綜述了目前水溶性杯芳烴主要的合成類型，并指出磺化杯芳烴是目前研究和利用最廣泛的類型。同時重點介紹了具有重要意義的新合成方法，以期對水溶性杯芳烴的合成有一定的指導作用。

水溶性杯芳；合成方法；簡介

杯芳烴是一類由苯酚單元通過亞甲基在酚羥基鄰位連接而構成的環狀低聚物。由于水溶性差使得杯芳烴優良的功能遠遠得不到利用[1]，限制了杯芳烴在涉及生命領域—水溶液體系中的研究，所以開發杯芳烴的水溶性特點成為杯芳烴研究的一大熱點。本文將依據合成方法的不同簡述目前水溶性杯芳烴的合成現狀。

1 在杯芳烴骨架上引入親水基團

在杯芳烴骨架上引入親水基團從而增加杯芳烴的親水性，是目前研究最多也是最有成就的水溶性杯芳烴合成方法。例如磺酸基杯芳烴、季銨鹽杯芳烴以及一些氨基酸取代的杯芳烴[2]。

1.1 在杯芳烴骨架上引入碘酸基

早在1984年，Shinkai等[3]合成了一了系列水溶性杯芳烴（如圖1），包括6種陰離子型杯芳烴（如圖1.1磺基在上端），9種陰離子型杯芳烴（如圖1.2磺基在下端），3種陽離子型杯芳烴（如圖1.3胺基在上端）。他們隨后又合成了一系列不同結構的水溶性杯芳烴，證明了這些水溶性的杯芳烴可以作為新一代的催化劑、表面活性劑、配體和主體分子。

目前我國水溶性杯芳烴合成方面的研究大部分以此為導向[4]，尤以磺化類水溶性杯芳烴為主體分子研究最多。刁國旺等[5]與合成杯[4]、[8]芳烴磺酸鈉并對其進行了結構表征。2001年南開大學韓寶航等[6]發現了水溶性的杯[n]芳烴磺酸鹽（n=4，6，8）及杯[6]芳烴磺酸鹽的烷基化衍生物在25℃可與幾種染料客體分子進行包結。

磺酸鹽型的水溶性杯芳烴的合成方法：

此外還有一系列在磺化杯芳烴的基礎上對杯芳烴骨架進行修飾而得到的磺酸鹽型的水溶杯芳烴。Steemers等[7]對杯[4]芳烴的上緣分別進行了氯磺酰化、磺酰酯化，下緣引入酯基的方法合成了系列水溶性杯芳烴，通過熒光法可以判斷這些衍生物是否與鑭系元素發生了包結作用。何俊等[8]用熒光法研究了一個長鏈對水溶性杯芳烴醚-十二烷基對磺酸鈉杯[8]芳烴醚與芘在水溶液中的相互作用。

1.2 在傳統杯芳烴骨架上引入氨基

Shinkai[3]合成了季銨鹽型的水溶性杯芳烴（如圖1.3所示）。Gutsche[9]通過曼尼希反應合成上沿氨基取代的水溶性杯芳烴并進行了衍生化。余曉冬等[3]合成了上沿氨基酸取代的杯[4]芳烴（如圖2），并在CuSO4水溶液中測定了其對Cu2+的包合能力。李來生等[7]通過熒光光譜法研究了水溶性的對二甲氨甲基-杯[8]芳烴（如圖3）與DNA分子之間的相互作用，認為二者可以通過分子間作用結合形成一種新型的水溶性杯芳烴熒光探針，這些探針可以通過超分子作用識別和捕集藥物客體分子，并利用此類探針實時地探測光譜信息，從而靈敏、動態地指示藥物與DNA分子的作用方式。

圖2 上沿脯氨酸取代的杯[4]芳烴

圖3 對二甲氨甲基—杯[8]芳烴

上沿引入氨基的水溶性杯芳烴的合成路線：

除了引入磺酸基，氨基等水溶性基團，還可以引入其他水溶性基團得到水溶性的杯芳烴。如石有恒等[10]合成了水脂兼溶的杯芳烴，該主體分子含有聚氧乙烯基醚親水鏈，從而賦予其水溶性。Bugler等[11]成功地將β-環糊精鍵合到杯[4]芳烴上緣，構成了水溶性的環糊精-杯芳烴主體分子，該分子可以作為檢測有機物的熒光分子探針[12]。

由引可見，水溶性杯芳烴大部分是通過對傳統杯芳烴骨架的上沿或下沿進行功能化修飾，連接親水基團而得到的。親水基團的引入一方面使得杯芳烴的水溶性增加，另一方面也影響了杯芳烴的絡合性能。如引入的氨基氮上的孤對電子可以吸引帶正電荷或親電性的客體分子，促進杯芳烴主體分子對客體的識別。

2 改性杯芳烴骨架上引入親水基團

隨著杯芳烴科學的發展已經產生了許多新的絡合性能優良的杯芳烴母體，比如采用雜原子N、P、O、S、C等取代橋聯亞甲基而產生的新的主體分子。這些雜原子的引入從很大程度上增加了杯芳烴的種類，拓寬了其使用范圍。比如，杯芳烴含S原子的衍生物大多是水溶性的，這一特性被廣泛應用于分析領域。該類衍生物主要為磺酸基類、亞硫酸鹽類、以及含—SR（R=Et、Me）基團類、硫醚類、硫代酰胺類、磺胺類、硫脲類等。通過N原子連接的衍生物有亞硝酸鹽類、酰胺類、吡啶類等[13]。

在這類杯芳烴母體的骨架上引入相應的水溶性基團，就可以得到很多新型的、性質更加豐富的水溶性杯芳烴，對杯芳烴化學的發展有很大的指導意義。如王梅祥[14]合成的1,3-間苯二胺[2]均三嗪[2]-氮雜杯[4]芳烴（本文簡稱為氮雜杯[4]芳烴）。（如圖4）

圖4 1,3-間苯二胺[2]均三嗪[2]-氮雜杯[4]芳烴

該杯芳烴母體橋聯基團中含有N原子，N原子的sp3雜化和臨近的苯環分子結合形成構型更加穩定的絡合空腔，較之傳統杯芳烴有更大的研究價值。同時作者采用三聚氨氰作為反應原料也賦予此種杯芳烴優良的性能。首先，三嗪環基的分子本身即可作為供氫體又可作為受氫體通過重氫鍵作用結合客體分子。其次，三聚氯氰具有一個穩定的三嗪環和三個活潑的氯基團，很容易發生親核取代反應，可以被—ON、—SH、—NHR等官能團所取代。而且三聚氯氰上的三氯原子活潑程度不同，控制溫度的高低可以生成不同的取代產物[15]，所以以三聚氯氰為原料合成的杯芳烴易于衍生化，從而得到各種類型的水溶性杯芳烴衍生物，豐富水溶性杯芳烴的種類。

3 利用水溶性原料片段合成

Jonathan Clayden[16]以2，4-二磺酸基—間苯二胺、三聚氯氰和對苯二胺為原料，采用片段合成法，合成了水溶性的氮雜杯[4]芳烴，合成方法見圖5。

采用這種方法合成的杯芳烴本身是具有水溶性的，是水溶性杯芳烴的合成方法的一種新的突破，有重要的指導意義。

綜上所述，水溶性杯芳烴在水溶液體系中優良的分子識別能力，使得其在生物化學和生命科學中有著廣泛而重要的作用，成為最近十幾年來杯芳烴化學的研究熱點。它可以監測人體中乙酰膽堿的含量，在分子組裝，酶模擬等方面有非常重要的應用。目前水溶性杯芳烴的合成主要有以上幾種類型。其中以對傳統杯芳烴進行磺化得到的磺化杯芳烴為研究和利用最多。由于其對生命科學研究的重要影響，相信新型的水溶性杯芳烴的合成和應用會越來越受到重視，在科研方面發揮更大的作用。

［1］ 黃志兵，李來生，等.水溶性杯芳烴在分析化學中的應用[J].江南師范大學學報，2003，27（4）：304.

［2］ 余曉冬，王曉.新型水溶性杯[4]芳烴的合成和性質研究[J].化學通報，2007，8：613-616.

［3］ 鄭曉宇，孫梵.表面化學中的杯芳烴[J].精細化工，2001，18（1）：21-22.

［4］ 張寧，唐世華，等.水溶性杯芳烴-鋱-聚乙烯醇膠膜的熒光特性[J].稀土，2003，24（6）：1-3.

［5］ 周偉，刁國旺.杯[4]芳烴磺酸鈉的合成和表征[J].楊州大學學報，2003，6（2）：16-18.

［6］ 韓寶航，劉育，陳榮悌.水溶性杯芳烴對染料客體分子的包結配位作用[J].化學學報，2001，59（4）：550-555.

［7］ 李來生，黃志兵，等.亞甲基蘭作為光譜探針對二甲氨甲基-杯[8]芳烴與DNA間的作用[J].應用化工，2004，21（10）：1011-1014.

［8］ Steemers F J,Meuris H G,Verboom W,et al.Water-soluble neutral calix [4]arene-lanthanide complexes:synthesis and luminescence properties[J].J Org Chem,1997,62:4229-4235.

［9］ C.David Gutsche,Kye Chun Nam.Synthesis,Properties,and Metal Complexation of Aminocalixarenes[J].J.Am.Chem.SOC.1988, 110:6153-6162.

［10］石有恒，王奪元.水脂兼溶杯芳烴主體化合物合成及其包結性能[J].科學通報，1995，40（18）：1670-1672

［11］Bugler J,Engbersen J F,Reinhoudt D N.Novel water-solublecyclodextrin-calix[4]arenecouplesasfluorescentsensormoleculesfor thedetectinofneutralanalytes[J].JOrgChem,1998,63:5339-5344.

［12］Bugler J,Sommerdijk,Visser A J.Interconnective host-guest complexation ofβ-cyclodextrin-calix[4]-arene couples[J].J Am Chem Soc,1999,121:28-33.

［13］鐘志梅，姚俊學.杯芳烴衍生物的研究進展[J].內蒙古石油化工，2005，2：9-11.

［14］M X Wang,H B Yang.A geral and high yielding fragment coupling synthesis of heteroatom -bridged calixarenes and the unprecedented examples of calixarenes cavity fine-tuned by bridge[J].J.Am.Chem.Soc,2004,126:15412.

［15］Grzegorz.Recent applications of 2,4,6-trichloro-1,3,5-triazine and its derivatives in organic synthesis[J].Tetrahedron,2006,62: 9507-9522.

［16］ Jonathan Clayden,Stephen J.M.Rowbottom,Michael G. Hutchings,et al.Formation of water-soluble sulfonated azacalix[4 arenes fromcyanuric chloride[J.Tetrahedron Letters.

Progress of researches on the water-soluble calixarene

HAN Hao,CAO Duan-lin,HU Zhi-yong,ZHOU Jun-feng
(School of Chemical Engineering&Environment,North University of China,Taiyuan 030051,China)

The main synthetic methods of water-soluble calixarene have been remarked in this paper.And the sulfnated water-soluble calixarene is the most popular in researches at present.Some new methods have also been introduced in order to supply some guidance for the future studies of water-soluble calixarent.

water-soluble calixarene;synthetic methods;introduction

book=2010,ebook=96

10.3969/j.issn.1008-1267.2010.03.002

O621.3

A

1008-1267（2010）03-004-04

2009-12-10

韓豪（1984-）女，碩士生，師從曹端林教授，研究方向為精細化學品的合成及應用。