異輪烷合成方法的研究進(jìn)展

彭榮，景佳佳，殷鐘意，賈朝剛

(重慶工商大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，重慶 400067)

在過去的數(shù)十年來，輪烷作為機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)在人工分子機(jī)器、刺激響應(yīng)材料等方面受到廣泛關(guān)注和研究[1-3]。為了成功構(gòu)筑輪烷，分子識(shí)別、非共價(jià)鍵合成、模板導(dǎo)向以及金屬離子模板活化等理念相繼被發(fā)展和使用[4-7]。到目前為止，輪烷的研究已經(jīng)成為機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的熱門，特別是將輪烷作為合成聚輪烷[8-13]、樹枝狀輪烷[14]等超分子材料的關(guān)鍵構(gòu)筑基元或高度有序的機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)。

隨著大環(huán)化學(xué)的迅速發(fā)展，目前已經(jīng)有冠醚、環(huán)糊精、杯芳烴、葫蘆脲、柱芳烴和環(huán)番等大環(huán)應(yīng)用于輪烷的合成[15-16]。對(duì)于具有多個(gè)大環(huán)的輪烷體系即[n]輪烷而言，如果軸線上的大環(huán)結(jié)構(gòu)均相同，則稱該輪烷為均[n]輪烷；與此對(duì)應(yīng)，軸線上大環(huán)結(jié)構(gòu)不止一種，則稱其為異[n]輪烷。目前均[n]輪烷的研究相對(duì)較多，而異[n]輪烷的研究則較為稀少。在本篇綜述里，我們總結(jié)了目前成功合成異輪烷的一些案例以便研究者們更好的了解這個(gè)急速發(fā)展的領(lǐng)域。為了將不同的環(huán)狀組分引入到輪烷結(jié)構(gòu)中，幾種有效構(gòu)筑異輪烷的策略如正交結(jié)合法、自分類法、協(xié)同捕獲法以及金屬活化模版法等相繼被發(fā)展和報(bào)道。我們將對(duì)每個(gè)策略進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹并對(duì)相應(yīng)的案例進(jìn)行討論。

1 正交結(jié)合法

正交結(jié)合法根據(jù)軸線上結(jié)合位點(diǎn)的區(qū)別又可以被細(xì)分為三類不同的情況。第一類也是最常見的情形，軸線上具有兩個(gè)或兩個(gè)以上完全一樣的結(jié)合位點(diǎn)，這些結(jié)合位點(diǎn)能夠與多個(gè)環(huán)狀組分結(jié)合從而使得大環(huán)與軸線之間通過正交的主客體作用或者模板導(dǎo)向作用形成異輪烷；第二類情形中，軸線上具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的相同結(jié)合位點(diǎn)，這些相同的作用位點(diǎn)能夠與不同的環(huán)狀組分通過弱相互作用或模板導(dǎo)向作用形成異輪烷；第三類情形中，在合成時(shí)異輪烷的軸線上有且只有一個(gè)結(jié)合位點(diǎn)，隨后通過結(jié)合-捕獲-去結(jié)合-捕獲過程實(shí)現(xiàn)將不同大環(huán)引入獲得異輪烷。在正交結(jié)合法中，環(huán)狀組分與軸線上結(jié)合位點(diǎn)作用形成正交復(fù)合物后進(jìn)一步構(gòu)筑異輪烷過程即可通過一步法合成，又可以通過逐步法來實(shí)現(xiàn)。

第一個(gè)異輪烷的合成案例來自Stoddart及其合作者[16]。首先合成線型的軸線骨架，其骨架上具有兩個(gè)聯(lián)吡啶鹽作為環(huán)狀組分的作用位點(diǎn)，隨后將該線型軸線、過量封端基團(tuán)和二苯并34-冠-10 (BPP34C10)混在N，N-二甲基甲酰胺溶劑中，于超高壓及30 ℃條件下反應(yīng)36 h得到[2]輪烷，產(chǎn)率為19%。此時(shí)該[2]輪烷中只有一個(gè)大環(huán)，因而軸線上還有一個(gè)未被環(huán)狀組分結(jié)合的聯(lián)吡啶鹽基元，考慮到此時(shí)封端基團(tuán)較大，因而第二個(gè)環(huán)狀組分作者選擇使用空腔更大的1，5-二萘并38-冠-10(1/5DN38C10)，期望該冠醚能夠在陽離子偶極作用和陽離子-π等弱相互作用力的驅(qū)動(dòng)下跨過封端基從而滑入[2]輪烷軸線上形成異[3]輪烷。因此將[2]輪烷和1/5DN38C10在乙腈中混合并反應(yīng)48 h后以49%的產(chǎn)率成功得到異[3]輪烷。核磁和質(zhì)譜結(jié)果也證實(shí)了異[3]輪烷的形成。

黎占亭及其合作者也向我們展示了通過正交結(jié)合法合成的異[3]輪烷[17-18]。在他們的研究中，首先合成了一類具有封端基的線型軸線，其軸線上具有二酰胺和二甲氧基苯兩個(gè)可供環(huán)狀組分作用的結(jié)合位點(diǎn)，隨后加入間苯二酰氯和對(duì)苯二芐胺，以軸線上的二酰胺為模板通過一加一成環(huán)法獲得中性四酰胺環(huán)番并形成[2]輪烷，此時(shí)中性的四酰胺環(huán)番與軸線上的酰胺位點(diǎn)存在多重氫鍵；接著同樣以[2]輪烷軸線上的二甲氧基苯結(jié)構(gòu)作為模板一步形成帶四個(gè)正電荷的聯(lián)吡啶環(huán)番，此時(shí)四正電荷聯(lián)吡啶環(huán)番與軸線上的二甲氧基苯通過供電-缺電作用結(jié)合從而形成異[3]輪烷。有意思的是，作者先以二甲氧基苯為模板成環(huán)并獲得[2]輪烷后，并未探討以該[2]輪烷軸線上二酰胺為模板通過一加一成環(huán)形成異[3]輪烷，因此我們推測(cè)合成順序也是成功獲得異[3]輪烷的重要因素之一。基于該策略，黎占亭課題組合成了一系列的異[3]輪烷。值得注意的是與四正電荷的聯(lián)吡啶環(huán)番形成的[2]輪烷相比，該異[3]輪烷中四個(gè)正電荷的聯(lián)吡啶環(huán)番在穿梭進(jìn)入軸線過程中所需要的活化能明顯降低，推測(cè)這可能是由于相對(duì)缺電的聯(lián)吡啶環(huán)番和中性苯環(huán)在空間上相互排斥所致。

2 自分類法

自分類法即環(huán)狀組分和軸線上的結(jié)合位點(diǎn)能夠高效選擇性的形成主客體復(fù)合物，每個(gè)主客體復(fù)合物之間繼續(xù)通過高度選擇性的自組裝行為形成多組分的超分子系統(tǒng)，這是由于大環(huán)的結(jié)構(gòu)差異使得大環(huán)能夠從多個(gè)結(jié)合位點(diǎn)中特異性的只結(jié)合其中一個(gè)。對(duì)于多種多樣的自分類系統(tǒng)，目前基于冠醚的主客體自分類系統(tǒng)被研究較多。利用冠醚環(huán)空腔的差異以及對(duì)客體結(jié)合的選擇性，目前已經(jīng)發(fā)展并報(bào)道了部分冠醚-銨鹽體系。例如雙(對(duì)-亞苯基)-34-冠-10和4，4’-聯(lián)吡啶陽離子、二苯并24-冠-8和二芐基銨鹽、苯并21-冠-7和烷基芐基銨鹽。

Schalley及其合作者在2008年首先報(bào)道了通過自分類法合成異[3]輪烷的研究[19]。首先通過質(zhì)譜證實(shí)二苯并24-冠-8與二芐基銨鹽、苯并21-冠-7與烷基芐基銨鹽之間分別形成緊密的主客體復(fù)合物，隨后合成具有二芐基銨鹽和烷基芐基銨鹽兩個(gè)能與環(huán)狀組分作用的軸線，并且軸線的一端使用蒽封端，另一端為羥基。在二氯甲烷溶劑中將環(huán)狀組分苯并21-冠-7和二苯并24-冠-8以及軸線以1∶1∶1的比例混合反應(yīng)后得到異[3]準(zhǔn)輪烷，隨后將異[3]準(zhǔn)輪烷用苯環(huán)封端得到異[3]輪烷，通過核磁和質(zhì)譜也證實(shí)了異[3]輪烷的成功合成。

邱勝賢及其合作者在無溶劑條件下使用自分類策略制備了異[3]輪烷[20]。同樣合成了具有二芐基銨鹽和烷基芐基銨鹽兩個(gè)能與環(huán)狀組分作用的軸線，并且軸線兩端為炔基，隨后將溫度升高至 373 K，此時(shí)軸線處于熔融態(tài)，接著將等當(dāng)量的冠醚環(huán)21-冠-7和二苯并24-冠-8加入反應(yīng)中并混合均勻，通過自分類法21-冠-7與烷基芐基銨鹽結(jié)合，二苯并24-冠-8與二芐基銨鹽結(jié)合從而得到固態(tài)的準(zhǔn)[3]輪烷，最后通過球磨法于373 K下對(duì)準(zhǔn)[3]輪烷進(jìn)行封端得到異[3]輪烷，值得注意的是，此時(shí)封端基是兩個(gè)不同的基團(tuán)，因此封端過程也是一個(gè)高效選擇性的自分類行為。

2016年田禾及其合作者發(fā)展了一種高效自分類方法制備具有[c2]菊鏈基元的異[4]輪烷[21]。其使用的環(huán)狀組分仍然是21-冠-7和二苯并24-冠-8，不同的是二苯并24-冠-8的環(huán)外接有二芐基胺鹽并且端位為炔基，軸線上只有一個(gè)烷基芐基銨鹽結(jié)合位點(diǎn)并且端位是疊氮結(jié)構(gòu)。將這兩組分和苯并21-冠-7混合并充分反應(yīng)，其中由于主客體復(fù)合物之間的高度選擇性，具有二芐基銨鹽的二苯并24-冠-8之間能夠通過陽離子偶極作用形成[c2]菊鏈，同時(shí)冠醚環(huán)苯并21-冠-7與具有烷基芐基銨鹽的軸線形成[2]準(zhǔn)輪烷，隨后通過Click反應(yīng)使得[2]準(zhǔn)輪烷的疊氮和[c2]菊鏈的端炔反應(yīng)形成異[4]輪烷。

3 協(xié)同捕獲法

利用協(xié)同捕獲法合成異輪烷的策略最早由Stoddart及其合作者首先報(bào)道，在Stoddart最近的綜述中也比較詳細(xì)的描述了這種方法[22]。最早實(shí)現(xiàn)該策略的一個(gè)重要手段是由Mock及其合作者發(fā)展的環(huán)加成反應(yīng)(即銅離子催化的Click反應(yīng))，如在葫蘆脲[6]存在條件下通過端炔和疊氮的Click反應(yīng)實(shí)現(xiàn)輪烷的合成。然而，這種方法由于反應(yīng)速率慢以及適用底物范圍較窄等因素而受到大大限制無法進(jìn)行推廣。于是通過引入其他能與葫蘆脲協(xié)同形成氫鍵的環(huán)狀組分如環(huán)糊精、柱芳烴等能夠使得輪烷被快速高效合成，這種合成輪烷的方法為異輪烷的合成提供思路。

在Stoddart的首次嘗試中[23]，他們首先合成了兩端為炔基的軸線，軸線上有兩個(gè)能與環(huán)狀組分作用的烷基芐基銨鹽結(jié)合位點(diǎn)，此外合成的封端基上也有一個(gè)烷基芐基銨鹽位點(diǎn)且一段為蒽，另一端為疊氮，隨后作者將軸線和封端基以及葫蘆脲[6]和環(huán)糊精以1∶2∶2∶1的比例加入水中并于353 K下反應(yīng)，1 min后即可以超過99%的產(chǎn)率得到異[4]輪烷，由此證明該方法的快速和高效，甚至是定量生成。為了研究異[4]輪烷形成的高效性，作者同時(shí)也做了一組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，在這組對(duì)照實(shí)驗(yàn)中除了未加入葫蘆脲[6]外其他條件均一致。然而實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此時(shí)幾乎沒有異輪烷形成。結(jié)合核磁氫譜、ITC測(cè)試以及環(huán)糊精和葫蘆脲[6]結(jié)構(gòu)綜合分析后推測(cè)葫蘆脲能夠與環(huán)糊精通過正協(xié)同效應(yīng)形成異輪烷。而葫蘆脲[6]邊緣的羰基與環(huán)糊精形成的氫鍵被認(rèn)為是形成正協(xié)同效應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力。基于上述研究，Stoddart利用類似的方法，將軸線換成兩端為炔基的聯(lián)苯二級(jí)銨鹽和兩端為疊氮的聯(lián)苯二級(jí)銨鹽，隨后將這兩個(gè)軸線與葫蘆脲[6]和環(huán)糊精充分混合并于水溶液中進(jìn)行Click反應(yīng)，由此得到異[n]輪烷(n>5)。為了進(jìn)一步擴(kuò)展這個(gè)策略，另一個(gè)同樣能夠與環(huán)糊精形成氫鍵的大環(huán)——柱[5]芳烴也被用于異輪烷的合成[24]。通過類似的一個(gè)四組分反應(yīng)也成功構(gòu)筑了異[4]輪烷。

作為上述工作的延續(xù)，楊海波及其合作者研究了具有更大空腔的柱[6]芳烴對(duì)異輪烷構(gòu)筑的影響[25]。通過相同的策略，他們成功由柱[6]芳烴以及兩個(gè)葫蘆脲和軸線構(gòu)筑了新的異[4]輪烷。同時(shí)單晶結(jié)構(gòu)分析證明柱[6]芳烴與兩個(gè)葫蘆脲之間均形成了分子間氫鍵。值得注意的是，由于柱[6]芳烴與軸線上結(jié)合位點(diǎn)的結(jié)合能力低于柱[5]芳烴與軸線的結(jié)合能力，因此由柱[6]芳烴構(gòu)筑的異[4]輪烷產(chǎn)率沒有之前使用柱[5]芳烴合成異[4]輪烷的產(chǎn)率高。

而在最近的研究中，楊成及其合作者通過協(xié)同捕獲法合成了異[4]輪烷[26]。在他們的研究中，將端位為疊氮的封端基、兩端為炔基的聯(lián)苯軸線、γ-環(huán)糊精以及葫蘆脲[6]混合于室溫下反應(yīng)得到異[4]輪烷且產(chǎn)率較高。

4 金屬模板活化法

金屬模板活化法也是一種高效構(gòu)筑機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)的方法，最先由Leigh及其合作者提出[27-29]。其策略是將金屬離子通過配位鍵等作用固定在大環(huán)的空腔內(nèi)，在合成異輪烷時(shí)，金屬離子將作為軸線進(jìn)入大環(huán)空腔并形成共價(jià)鍵的催化劑，異輪烷形成之后再將金屬離子移除。使用這種方法已經(jīng)成功構(gòu)筑了多種機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)如輪烷、鎖烴和分子結(jié)等。由于利用金屬模板活化法構(gòu)筑輪烷也非常高效，因此利用這種方法來構(gòu)筑異輪烷也被發(fā)展和報(bào)道。

金屬模板活化法中最常使用的一個(gè)反應(yīng)是以銅催化的炔烴-疊氮環(huán)加成反應(yīng)。在協(xié)同捕獲法中我們提到這類反應(yīng)的缺點(diǎn)是反應(yīng)速率較慢等，因此為了提高這種方法的效率，Goldup及其合作者對(duì)這類反應(yīng)在輪烷合成應(yīng)用中進(jìn)行優(yōu)化。通過選擇空腔較小并且能與銅離子進(jìn)行配位的大環(huán)，能以較高的產(chǎn)率獲得輪烷。為了進(jìn)一步擴(kuò)展這類方法以便于構(gòu)筑高度有序的機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)，Goldup及其合作者發(fā)展了一種逐步合成異輪烷的方法[7]。首先合成一個(gè)具有疊氮和炔烴的片段，其中炔烴用三異丙基硅基(TIPs)保護(hù)，隨后將具有2，2’-聯(lián)吡啶基團(tuán)的大環(huán)、端位為疊氮的片段以及帶有炔基的封端基混合反應(yīng)得到[2]輪烷，隨后將[2]輪烷上的三異丙基硅保護(hù)基脫去，得到端位為炔基的[2]輪烷，接著加入另一同樣具有2，2’-聯(lián)吡啶基元的大環(huán)以及具有疊氮和被保護(hù)炔基的封端基，在Cu催化下進(jìn)行環(huán)加成反應(yīng)得到異[3]輪烷，繼續(xù)脫去異[3]輪烷的保護(hù)基，如此重復(fù)最終獲得三個(gè)大環(huán)均不相同的異[4]輪烷，并且每一步產(chǎn)率均在90%左右。

5 結(jié)論

在過去幾十年內(nèi)，研究者們通過正交結(jié)合法、自分類法、協(xié)同捕獲法以及金屬模板活化法等手段成功構(gòu)筑了多種多樣的異輪烷。基于異輪烷的結(jié)構(gòu)及其獨(dú)特性能，異輪烷被進(jìn)一步用于構(gòu)筑分子梭、超分子加密系統(tǒng)、光異構(gòu)催化劑等。然而異輪烷的研究仍然處于初始階段，但異輪烷所具有特殊性質(zhì)值得我們對(duì)其進(jìn)行深入研究。如序列確定的多環(huán)狀組分異輪烷在構(gòu)筑超分子聚合物材料上目前也受到越來越多的關(guān)注。此外，利用具有刺激響應(yīng)性大環(huán)構(gòu)筑的異輪烷將保留環(huán)狀組分的刺激響應(yīng)性并有望于構(gòu)筑分子機(jī)器。