水溶性杯芳烃合成的研究进展

韩豪，曹端林，胡志勇，周俊峰

（中北大学化工与环境学院，山西 太原 030051）

水溶性杯芳烃合成的研究进展

韩豪，曹端林，胡志勇，周俊峰

（中北大学化工与环境学院，山西 太原 030051）

本文根据水溶性杯芳烃不同的合成方法综述了目前水溶性杯芳烃主要的合成类型，并指出磺化杯芳烃是目前研究和利用最广泛的类型。同时重点介绍了具有重要意义的新合成方法，以期对水溶性杯芳烃的合成有一定的指导作用。

水溶性杯芳；合成方法；简介

杯芳烃是一类由苯酚单元通过亚甲基在酚羟基邻位连接而构成的环状低聚物。由于水溶性差使得杯芳烃优良的功能远远得不到利用[1]，限制了杯芳烃在涉及生命领域—水溶液体系中的研究，所以开发杯芳烃的水溶性特点成为杯芳烃研究的一大热点。本文将依据合成方法的不同简述目前水溶性杯芳烃的合成现状。

1 在杯芳烃骨架上引入亲水基团

在杯芳烃骨架上引入亲水基团从而增加杯芳烃的亲水性，是目前研究最多也是最有成就的水溶性杯芳烃合成方法。例如磺酸基杯芳烃、季铵盐杯芳烃以及一些氨基酸取代的杯芳烃[2]。

1.1 在杯芳烃骨架上引入碘酸基

早在1984年，Shinkai等[3]合成了一了系列水溶性杯芳烃（如图1），包括6种阴离子型杯芳烃（如图1.1磺基在上端），9种阴离子型杯芳烃（如图1.2磺基在下端），3种阳离子型杯芳烃（如图1.3胺基在上端）。他们随后又合成了一系列不同结构的水溶性杯芳烃，证明了这些水溶性的杯芳烃可以作为新一代的催化剂、表面活性剂、配体和主体分子。

目前我国水溶性杯芳烃合成方面的研究大部分以此为导向[4]，尤以磺化类水溶性杯芳烃为主体分子研究最多。刁国旺等[5]与合成杯[4]、[8]芳烃磺酸钠并对其进行了结构表征。2001年南开大学韩宝航等[6]发现了水溶性的杯[n]芳烃磺酸盐（n=4，6，8）及杯[6]芳烃磺酸盐的烷基化衍生物在25℃可与几种染料客体分子进行包结。

磺酸盐型的水溶性杯芳烃的合成方法：

此外还有一系列在磺化杯芳烃的基础上对杯芳烃骨架进行修饰而得到的磺酸盐型的水溶杯芳烃。Steemers等[7]对杯[4]芳烃的上缘分别进行了氯磺酰化、磺酰酯化，下缘引入酯基的方法合成了系列水溶性杯芳烃，通过荧光法可以判断这些衍生物是否与镧系元素发生了包结作用。何俊等[8]用荧光法研究了一个长链对水溶性杯芳烃醚-十二烷基对磺酸钠杯[8]芳烃醚与芘在水溶液中的相互作用。

1.2 在传统杯芳烃骨架上引入氨基

Shinkai[3]合成了季铵盐型的水溶性杯芳烃（如图1.3所示）。Gutsche[9]通过曼尼希反应合成上沿氨基取代的水溶性杯芳烃并进行了衍生化。余晓冬等[3]合成了上沿氨基酸取代的杯[4]芳烃（如图2），并在CuSO4水溶液中测定了其对Cu2+的包合能力。李来生等[7]通过荧光光谱法研究了水溶性的对二甲氨甲基-杯[8]芳烃（如图3）与DNA分子之间的相互作用，认为二者可以通过分子间作用结合形成一种新型的水溶性杯芳烃荧光探针，这些探针可以通过超分子作用识别和捕集药物客体分子，并利用此类探针实时地探测光谱信息，从而灵敏、动态地指示药物与DNA分子的作用方式。

图2 上沿脯氨酸取代的杯[4]芳烃

图3 对二甲氨甲基—杯[8]芳烃

上沿引入氨基的水溶性杯芳烃的合成路线：

除了引入磺酸基，氨基等水溶性基团，还可以引入其他水溶性基团得到水溶性的杯芳烃。如石有恒等[10]合成了水脂兼溶的杯芳烃，该主体分子含有聚氧乙烯基醚亲水链，从而赋予其水溶性。Bugler等[11]成功地将β-环糊精键合到杯[4]芳烃上缘，构成了水溶性的环糊精-杯芳烃主体分子，该分子可以作为检测有机物的荧光分子探针[12]。

由引可见，水溶性杯芳烃大部分是通过对传统杯芳烃骨架的上沿或下沿进行功能化修饰，连接亲水基团而得到的。亲水基团的引入一方面使得杯芳烃的水溶性增加，另一方面也影响了杯芳烃的络合性能。如引入的氨基氮上的孤对电子可以吸引带正电荷或亲电性的客体分子，促进杯芳烃主体分子对客体的识别。

2 改性杯芳烃骨架上引入亲水基团

随着杯芳烃科学的发展已经产生了许多新的络合性能优良的杯芳烃母体，比如采用杂原子N、P、O、S、C等取代桥联亚甲基而产生的新的主体分子。这些杂原子的引入从很大程度上增加了杯芳烃的种类，拓宽了其使用范围。比如，杯芳烃含S原子的衍生物大多是水溶性的，这一特性被广泛应用于分析领域。该类衍生物主要为磺酸基类、亚硫酸盐类、以及含—SR（R=Et、Me）基团类、硫醚类、硫代酰胺类、磺胺类、硫脲类等。通过N原子连接的衍生物有亚硝酸盐类、酰胺类、吡啶类等[13]。

在这类杯芳烃母体的骨架上引入相应的水溶性基团，就可以得到很多新型的、性质更加丰富的水溶性杯芳烃，对杯芳烃化学的发展有很大的指导意义。如王梅祥[14]合成的1,3-间苯二胺[2]均三嗪[2]-氮杂杯[4]芳烃（本文简称为氮杂杯[4]芳烃）。（如图4）

图4 1,3-间苯二胺[2]均三嗪[2]-氮杂杯[4]芳烃

该杯芳烃母体桥联基团中含有N原子，N原子的sp3杂化和临近的苯环分子结合形成构型更加稳定的络合空腔，较之传统杯芳烃有更大的研究价值。同时作者采用三聚氨氰作为反应原料也赋予此种杯芳烃优良的性能。首先，三嗪环基的分子本身即可作为供氢体又可作为受氢体通过重氢键作用结合客体分子。其次，三聚氯氰具有一个稳定的三嗪环和三个活泼的氯基团，很容易发生亲核取代反应，可以被—ON、—SH、—NHR等官能团所取代。而且三聚氯氰上的三氯原子活泼程度不同，控制温度的高低可以生成不同的取代产物[15]，所以以三聚氯氰为原料合成的杯芳烃易于衍生化，从而得到各种类型的水溶性杯芳烃衍生物，丰富水溶性杯芳烃的种类。

3 利用水溶性原料片段合成

Jonathan Clayden[16]以2，4-二磺酸基—间苯二胺、三聚氯氰和对苯二胺为原料，采用片段合成法，合成了水溶性的氮杂杯[4]芳烃，合成方法见图5。

采用这种方法合成的杯芳烃本身是具有水溶性的，是水溶性杯芳烃的合成方法的一种新的突破，有重要的指导意义。

综上所述，水溶性杯芳烃在水溶液体系中优良的分子识别能力，使得其在生物化学和生命科学中有着广泛而重要的作用，成为最近十几年来杯芳烃化学的研究热点。它可以监测人体中乙酰胆碱的含量，在分子组装，酶模拟等方面有非常重要的应用。目前水溶性杯芳烃的合成主要有以上几种类型。其中以对传统杯芳烃进行磺化得到的磺化杯芳烃为研究和利用最多。由于其对生命科学研究的重要影响，相信新型的水溶性杯芳烃的合成和应用会越来越受到重视，在科研方面发挥更大的作用。

［1］ 黄志兵，李来生，等.水溶性杯芳烃在分析化学中的应用[J].江南师范大学学报，2003，27（4）：304.

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［3］ 郑晓宇，孙梵.表面化学中的杯芳烃[J].精细化工，2001，18（1）：21-22.

［4］ 张宁，唐世华，等.水溶性杯芳烃-铽-聚乙烯醇胶膜的荧光特性[J].稀土，2003，24（6）：1-3.

［5］ 周伟，刁国旺.杯[4]芳烃磺酸钠的合成和表征[J].杨州大学学报，2003，6（2）：16-18.

［6］ 韩宝航，刘育，陈荣悌.水溶性杯芳烃对染料客体分子的包结配位作用[J].化学学报，2001，59（4）：550-555.

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

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［13］钟志梅，姚俊学.杯芳烃衍生物的研究进展[J].内蒙古石油化工，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.

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［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

韩豪（1984-）女，硕士生，师从曹端林教授，研究方向为精细化学品的合成及应用。