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杯芳烃作为第三代超分子主体分子,其在分子识别,模拟酶催化,自组装等领域的研究取得了很大进展。近年来,特别是手性杯芳烃由于其特殊的结构,更是引起了人们的兴趣和特别的重视。
本论文研究工作主要包括两大部分:(1)基于杯[4]芳烃骨架的手性脯氨酸衍生物的合成及其在不对称催化和手性分子识别中的应用；(2)手性杯[4]氮杂冠醚的合成及其超分子组装和铁电性质研究。
1.手性(羟)脯氨酰胺杯[4]芳烃的合成及其在手性分子识别中的应用
利用(羟)脯氨酸羧基与氨基杯[4]芳烃的氨基经两种途径脱水形成酰胺键,非常方便地将(羟)脯氨酸引入杯[4]芳烃的上沿,制备了十种手性(羟)脯氨酰胺杯[4]芳烃。当脯氨酸作底物时,用DCC(N,N-二环已基碳酰亚胺)和DMAP(对二甲氨基吡啶)作脱水剂；而羟脯氨酸作底物时,为防止羟脯氨酸自身的羧基和羟基在DDC和DMAP作用下脱水生成低聚物,则改用氯甲酸乙酯和三乙胺脱水体系。五种氨基杯[4]芳烃原料制备过程中,通过高效液相色谱实时监测杯[4]芳烃上沿选择性硝化过程,研究了反应中各种硝化产物的相对浓度随时间的分布情况,得到了五种硝化产物在同一反应体系中的最佳获取时间。通过对五种硝化产物分子的对称性和1H NMR分析,可方便准确地鉴定各个产物。作为该方法的一个典型应用,实现了一般条件下难以制备的5,11,17-三硝基-25,26,27,28-四丁醚杯[4]芳烃的优化合成,产率可达57％。所有硝基杯[4]芳烃在兰尼镍-水合肼的还原下完全转化为对应的五种氨基杯[4]芳烃。此外,5,11-二硝基-、5,11,17-三硝基-和5,11,17,23-四硝基-25,26,27,28-四丁醚杯[4]芳烃的结构分别经晶体 X-衍射确证。所有新化合物的结构均得到了IR,1H NMR,13C NMR,ESI-MS和元素分析确证。最后,我们运用核磁滴定的方法初步探索了上述手性脯氨酰胺杯[4]芳烃衍生物对扁桃酸的手性识别效果。结果表明5,11-二脯氨酰胺取代的杯[4]芳烃的识别能力最强(△δmax=0.099ppm),可以与扁桃酸客体分子形成1:2的配合物。
2.(羟)脯氨酰胺杯[4]芳烃催化的不对称Aldol反应
首先,我们考察了上述(羟)脯氨酰胺杯[4]芳烃衍生物在不对称Aldol反应中的催化活性。在优化条件下,5,11-二脯氨酰胺取代的杯[4]芳烃催化剂可以很好地催化芳醛与环已酮的不对称Aldol反应,产率最高可达>99％,非对映选择性可高达85:15(anti/syn),光学选择性高达97％ee。相同条件下,模型催化剂的催化性能较脯氨酰胺杯[4]芳烃催化剂有了明显的降低,这充分说明脯氨酰胺杯[4]芳烃催化剂中的杯[4]芳烃骨架对于反应的产率及立体选择性具有至关重要的作用。此外,值得一提的是,不同的芳醛底物和环己酮在2-1b的催化下会得到不同的顺反选择性的Aldol产物,这可能是由于杯[4]芳烃富电子的空腔与不同电性的底物之间的超分子作用不同所致。产物的非对映选择性(anti/syn)和光学选择性(ee)由HPLC测定。
3.羟脯氨酰胺杯[4]芳烃催化的不对称Biginelli反应
接着,我们又将上述羟脯氨酰胺杯[4]芳烃衍生物应用于不对称Biginelli反应。除杯[4]芳烃催化剂外,有机胺盐和布朗斯特酸的加入对于反应的立体选择性也有很大的影响。在优化条件下,单羟脯氨酰胺取代杯[4]芳烃催化剂可以平稳地催化芳醛、β-酮酸酯和脲的不对称Biginelli反应。尽管反应的产率不理想,但可以得到中等至极好的立体选择性,尤其是间位推电子基取代的芳醛和稠环萘醛均给出很高的立体选择性(90-98％ee)。相同条件下,模型催化剂的催化性能较羟脯氨酰胺杯[4]芳烃催化剂有了极大的降低,这充分说明羟脯氨酰胺杯[4]芳烃催化剂中的杯[4]芳烃骨架对于反应的立体选择性具有至关重要的作用。
4.水相中杯[4]脯氨酸催化的不对称Aldol反应
之后,我们又设计将脯氨酸引入杯[4]芳烃的下沿,使不对称催化中心和杯[4]芳烃的反相转移催化功能融于一体,合成了四种具有不同疏水性能基于杯[4]芳烃骨架的脯氨酸衍生物,并将它们初步应用于水相中的不对称Aldol反应。无任何修饰的脯氨酸和羟脯氨酸在水相中几乎不能催化该反应,充分说明了杯[4]芳烃骨架的重要性；若用有机溶剂代替水,则杯[4]脯氨酸催化剂的催化活性急剧下降,说明水的作用之大。经过条件优化,保留三个酚羟基单脯氨酸取代的杯[4]芳烃可以在水相中很好地催化不对称Aldol反应(up to>99％yield,>99％ee,and90/10dr)。值得一提的是,反应的顺反选择性可以通过芳醛芳环上取代基的电性加以调控:吸电子基取代的芳醛以anti-产物为主,给电子基取代的芳醛以syn-产物为主,而中性的芳醛则几乎丧失顺反选择性。
5.手性杯[4]氮杂冠醚的合成及其超分子组装和铁电性质研究
最后,我们在设计合成杯[4]噁唑啉衍生物的过程中,意外地发展了一种新型手性杯[4]氮杂冠醚的简便合成方法:在路易斯酸(ZnCl2,10mol％)催化下,25,27-二氰基杯[4]芳烃与各种光学活性的1,2-氨基醇反应,高产率得到了手性杯[4]氮杂冠醚衍生物。该方法具有反应条件温和、操作简便、产率高等特点。运用4-对叔丁基苯氧基乙腈和 L-丙氨醇的模型反应证实酚氧基取代的噁唑啉在空气中不稳定,会逐渐开环转变为酰胺醇,由此,我们提出了可能的反应机理。随后,我们又通过产物的晶体X-衍射及ESI-MS研究了产物的超分子组装行为:杯芳烃上沿的空腔对甲醇分子具有很强的包结作用(主客体之间的O-Hπ作用),同时下沿的氮杂冠醚空穴对Na+具有很强的识别作用。此外,单晶研究还表明:L-缬氨醇的反应产物的晶胞堆积主要通过杯芳烃空腔的疏水作用呈现定向的左手螺旋；而D-和L-丙氨醇的反应产物在水分子桥连作用下表现为一对左右手螺旋。最后,根据L-缬氨醇的反应产物单晶的空间群(P21),我们推测其可能具有铁电性质。因此,我们通过对其粉末压片的电滞回线和漏电流的测定,证实了该化合物铁电性能的存在:在施加30kV·cm-1的电场时得到了饱和的回线,此时样品的剩余极化(Pr)和矫顽电场(Ec)分别约为0.10/μC-cm-2和8.72 kV-cm-1,其饱和自发极化(Ps)达到了0.26μC·cm-2。