雙柱[5]芳烴的研究進展

李順順

（天津大學 藥物科學與技術學院，天津 300072）

柱芳烴[1]是Ogoshi 等人在2008 年報道的一種新的大環化合物，由對苯二酚或對苯二酚醚在對位通過亞甲基橋連接組成，呈現出圓柱形或柱狀結構，首個報道合成的柱芳烴是通過1,4-二甲氧基苯與甲醛的縮合反應制得的1,4-二甲氧基柱[5]芳烴（DMP5）。柱[5]芳烴具有富電子空腔，容易與貧電子客體結合，作為主體分子在主客體化學中有著重要的作用，同時，獨特的柱狀結構和易于功能化使得柱[5]芳烴在超分子自組裝體系中具有獨特的吸引力。在過去的十年中，雙柱[5]芳烴因其具有兩個結合位點，可控的自組裝性能，以及組裝成復雜的超分子結構的應用引起了人們極大的興趣和關注。雙柱[5]芳烴的連接體可分為兩類，剛性和柔性，剛性的連接體可將雙柱[5]芳烴的兩個空腔擴展為一個更深的空腔，使其具有協同效應從而增強與客體分子的結合力，柔性的連接體則使兩個空腔展現出相對獨立的性質，各自可以結合客體分子。此外，可以在連接體上引入帶有特殊性質的官能團，例如，具有光響應性，氧化還原響應性以及熒光性的基團等可以用來調控雙柱[5]芳烴的性能，這種類型的雙柱[5]芳烴具有極高的應用價值，通過與客體分子結合形成超分子聚合物體系，可用作多重刺激響應性的材料，載藥系統，人工光捕獲系統，熒光傳感器，離子檢測器。當柔性連接體穿過雙柱[5]芳烴的空腔時，還可以構建高精度的機械互鎖結構，如索烴，輪烷。

1 雙柱[5]芳烴的構建

鑒于單個連接體橋聯的雙柱[5]芳烴的構建相對容易，迄今為止，現有的絕大多數雙柱[5]芳烴都屬于這一類型。一般來說，單連接體橋聯的雙柱[5]芳烴有3 種常見的合成策略，（1）由兩種單體通過寡聚化形成雙柱[5]芳烴，例如，黃飛鶴等[2]在2011 年報道的利用1,6-雙（4-丁氧基苯氧基）己烷與1,4-二甲氧基苯聚合形成的脂肪鏈連接的雙柱[5]芳烴（圖1a），該雙柱[5]芳烴的產率僅有8%，原因是兩種不同的單體在環化的過程中會出現錯配的情況，1,4-二甲氧基苯會自身聚合生成大量的DMP5，而不是與1,6-雙（4-丁氧基苯氧基）己烷生成相應的雙柱[5]芳烴；（2）由兩個單功能化的柱[5]芳烴通過連接體鍵合而成，例如，Ogoshi 等[3]在2011 年報道的對二甲苯基連接的雙柱[5]芳烴，是由兩分子單羥基化的柱[5]芳烴和一分子的1,4-二溴對二甲苯縮合而成（圖1b）；（3）由兩個單功能化的柱[5]芳烴直接相連生成雙柱[5]芳烴，例如，巰基修飾的單功能化柱[5]芳烴經氧化生成雙柱[5]芳烴[4]（圖1c）。

圖1 雙柱[5]芳烴的3 種合成策略Fig.1 Three synthetic strategies of bis-pillar[5]arene

2 功能性的雙柱[5]芳烴

引入帶有特殊性質的官能團的連接體，例如具有光響應性，氧化還原響應性以及熒光性的基團等可以用來調控雙柱[5]芳烴的性能，極大地擴展了雙柱[5]芳烴在功能性材料方面的應用。

2.1 具有刺激響應性的雙柱[5]芳烴

2.1.1 光響應的雙柱[5]芳烴 偶氮苯是典型的光響應基團，其順式反式構型會在紫外可見光照射下進行可逆轉化。在2013 年，Ogoshi 等通過引入偶氮苯基團得到了具有光響應性質的雙柱[5]芳烴[5]，通過紫外和可見光的照射可以調控雙柱[5]芳烴與客體分子的組裝和解組裝，當雙柱[5]芳烴經過可見光照射時，偶氮苯會從順式構型轉換為反式構型，兩個柱[5]芳烴的空腔在空間位置上產生變化，導致與客體分子形成的超分子聚合物解聚，當反式構型的偶氮苯經過紫外光照射后轉變為順式構型，相應地雙柱[5]芳烴與客體分子重新形成超分子聚合物。

2.1.2 氧化還原響應的雙柱[5]芳烴 在2015 年，第一個對γ 射線輻射響應的線性超分子經由含二硒鍵的雙柱[5]芳烴的主客體聚合物被成功構建[6]，該超分子聚合物可被γ 射線破壞，此外，由于二硒鍵可通過添加過氧化物或具有還原性的谷胱甘肽進行破壞，使得這種超分子聚合物表現出相應的氧化還原響應性。在2017 年，楊英威[7]等在含二硒鍵的雙柱[5]芳烴的基礎上，引入具有聚集誘導發光性質的四苯乙烯單元的客體分子，所形成的超分子聚合物顯示出熒光，加入還原劑后導致雙硒鍵斷裂，使得雙柱[5]芳烴解聚，聚集誘導效應消失，熒光被淬滅。

雙硫鍵因其溫和的生成條件，極高的產率，以及氧化還原響應的性能，引起了研究人員極大的關注，楊清正課題組在這方面做了很多工作。在2016 年，楊清正報道了雙硫鍵鍵合的雙柱[5]芳烴[4]，可與帶有熒光基團的客體分子形成超分子聚合物，可在水溶液中形成納米球，在此基礎上，楊清正于2018 年構建了人工光捕獲系統[8]，客體分子作為能量的供體與受體，雙柱[5]芳烴作為能量傳遞的載體。此外，雙硫鍵具有氧化還原刺激響應性，隨著還原劑的加入，雙硫鍵斷裂形成巰基，加入氧化劑后，雙硫鍵會再次形成，在2019 年，楊清正和王瑞兵等人將雙硫鍵鍵合的雙柱[5]芳烴作為載藥系統運送抗癌藥物，肺癌細胞中豐富的精胺和谷胱甘肽可使雙硫鍵斷裂，從而實現藥物的精準釋放[9]。

2.2 基于雙柱[5]芳烴與客體分子構筑的熒光傳感器

2013 年，王樂勇報道了雙柱[5]芳烴與正辛基吡嗪鎓陽離子之間形成的假輪烷及其聚假輪烷用于選擇性檢測鹵素離子的新型熒光傳感器[10]，在分別添加Cl-，Br-和I-（四丁基銨鹽）時，會發生假輪烷及其聚假輪烷的分解過程，使得它們的熒光恢復，兩種體系的熒光增強程度按I-< Br-

3 基于雙柱[5]芳烴構筑的機械互鎖分子

雙柱[5]芳烴具有平面手性，呈現出兩種構型，當取代基按照順時針方向排列時，將該絕對構型稱為P 型（positive，順時針），反之，當取代基按照逆時針方向排列時，該絕對構型稱為M 型（minus，逆時針）（圖2a）。當連接體穿過柱[5]芳烴的空腔進行橋連時，雙柱[5]芳烴就會形成索烴或者輪烷，受雙柱[5]芳烴固有手性的影響，索烴或輪烷會形成相應的立體異構體。2015 年，劉育等通過一步酰胺化來制備稱為“雙子索烴”的雙柱[5]芳烴[14]，“雙子索烴”具有3 個立體異構體，包括一對PP 型和MM 型的對映異構體，以及一個PM 型的內消旋體（圖2b），其中兩個柱[5]芳烴的空腔被兩條脂肪胺鏈以不同的拓撲方式穿入。2018 年，顏朝國等由二硫脲橋連的雙柱[5]芳烴成功構建雙-[1]輪烷[15]，其中二硫脲鏈進入柱[5]芳烴的兩個腔中，形成獨特雙-[1]輪烷結構。2020年，顏朝國等報道了新型的雙[1]輪烷[16]，兩個丙烯二氨基單元插入雙柱[5]芳烴的兩個空腔中，并通過Salen 橋連接（圖2c）。

圖2 基于雙柱[5]芳烴的機械互鎖分子Fig.2 Mechanically interlocked molecules based on bis-pillar[5]arene

4 雙柱[5]芳烴的發展趨勢與展望

由單個連接體鍵合的雙柱[5]芳烴已經得到了廣泛的關注和深入的研究，然而由5 個連接體相連的雙柱[5]芳烴鮮少報道，一方面由于上下緣不同的柱[5]芳烴合成產率極低，2018 年蘇紀豪等人報道了導向合成法后才解決了這個問題[17]，另一方面，進行五重連接時很容易出現錯位的情況，從而形成大量的多聚體，直到2020 年，Ogoshi 等人合成了首個五重連接的雙柱[5]芳烴[18]，由兩個上下緣不同的羧基修飾的柱[5]芳烴，通過羧基與水分子之間的氫鍵連接形成，并且通過單晶結構證明，它們形成的二聚體產生了一對具有螺旋結構的對映異構體，與此同時，他們還報道了柱[5]芳烴三聚體，由一個全季銨鹽修飾的柱[5]芳烴和兩個上下緣不同的羧基修飾的柱[5]芳烴組成，通過羧基和季銨鹽之間的靜電作用維持柱狀結構。

氫鍵是弱相互作用力，由氫鍵相連的雙柱[5]芳烴結構不夠穩定，不利于進行更多相關的研究以及應用，在未來的研究中，可以通過金屬鍵，共價鍵等更強的相互作用力進行五重連接的雙柱[5]芳烴的合成，從而得到結構更加穩定的二聚體，在這種更深的空腔中研究相應的主客體化學特性，并且可對雙柱[5]芳烴的對映異構體進行拆分，得到相應的手性雙柱[5]芳烴，同時，五重連接的柱[5]芳烴三聚體，四聚體，五聚體甚至多聚體的合成也是一項充滿挑戰的工作。