新型大环化合物的合成及应用*

张来新，陈 琦

（宝鸡文理学院化学化工学院，陕西宝鸡721013）

综述

新型大环化合物的合成及应用*

张来新*，陈 琦

（宝鸡文理学院化学化工学院，陕西宝鸡721013）

简要介绍了大环化合物的产生发展及应用，重点介绍了：（1）新型大环化合物的合成及应用；（2）柱芳烃的二氧化碳响应性的bola两亲性自组装及其应用；（3）一步法合成增强光动力效果的卟啉纳米复合材料及应用；（4）新型动态共价分子的形成及应用。并对大环化学的发展进行了展望。

大环化合物；合成；应用

大环化合物是一种多齿配体，配位原子位于环的骨架上，大环的配位原子可以是O、N、S、Se、P、As等。大环化合物有二维和三维的，它既可以人工合成，也存在于生物体和自然界，如自然界存在的有血蛋白、叶绿素的卟啉环、维生素B12的咕卟啉以及作为离子载体的抗菌素及其它类似物。按照环上的原子数[n]，n≥12称为大环，世界上人工合成的第一个大环化合物在1912年被Ruggli在高稀度下合成。目前已有n＞100的超大环或叫巨大环存在，但迄今为止，大多数已发表的大环多是碳数在二十元左右的大环[1]。

在二十世纪60年代以前，酞菁和卟啉等大环已被人们所熟知，由几个醛和胺缩合的席夫碱大环配合物先后在二十世纪60年代前期被合成，但大环化学的引人注目可追溯到1967年C.J.Pedersen发表的一篇关于大环多元醚（俗称冠醚）与其配位作用的论文。由于这类大环对碱金属、碱土金属强的配位能力和有助于在生命过程中对Na+、K+、Mg2+、Ca2+的识别、运载等功能的理解，因而激励着人们对其研究的兴趣。至此，大环化学得以蓬勃发展，许多有诱人结构、新奇性质的大环化合物层出不穷，如各种冠醚、环糊精、杯芳烃、柱芳烃、环芳烃、卟啉、大环内酯、环肽、环蕃、咔咯、瓜环、葫芦脲、轮烷、索烃、C60、环状席夫碱、大环多胺及其它大环状人工合成的物质，也有从土壤细菌和海洋生物中分离得到的天然生物大环化合物。由于大环化合物具有环空腔大小可扩缩和可修饰的特性，故其具有选择性地络合有机、无机小分子及金属离子的特性，因而使大环化学作为一门植根深远的新兴热门边缘学科，目前已渗透到无机化学、分析化学、生物化学、物理化学、放射化学、配位化学、生物物理、原子能化学、金属工业化学、环境化学、农业化学、医药学等难以尽举的众多领域。不仅如此，其在工业、农业、医药学、国防、军工及四个现代化建设中有着广阔的应用前景。同时在二十一世纪的热点领域如环境科学、能源科学、生命科学、信息科学、材料科学中也彰显出诱人的应用前景。近年来，大环在超分子化学、主客体化学及纳米化学中作为建筑模块格外引人注目。1987年诺贝尔化学奖获得者D.Cram和J.M.Leh在研究大环化学的基础上分别提出了主客体化化学和超分子化学的概念，并创立了主客体化学和超分子化学新学科。迄今为止，超分子化学是整个化学发展史上的一个新的里程碑，已成为一门极富生命力，集化学、生物、物理等多领域融为一体的新兴交叉边缘学科。

1 新型大环化合物的合成及应用

1.1 新型含氮大环戊二酸N,N-二羟乙基苯胺双内酯的合成及应用

含氮大环内酯化合物是指分子中桥联环上既含氮原子，又含酯基的大环化合物。现今临床上使用的大环内酯类抗生素中含氮大环内酯化合物占据了十分重要的地位。很多已广泛地应用于临床上防止器官移植的排异反应和治疗自身免疫性的疾病等方面[2，3]。以人工合成或修饰的方法来获得具有某些特殊功能的含氮大环内酯化合物，在发展含氮大环内酯在不同领域中的研究及应用方面均有较强的指导意义。为此，西北大学的冷鑫等人以N,N-二羟乙基苯胺和戊二酰氯为原料，在吡啶和二氯甲烷中反应，用高度稀释法合成了戊二酸N,N-二羟乙基苯胺双内酯大环化合物[4]，并对其进行了表征。该研究将在生命科学、分析分离科学、环境科学及医药学等领域得到应用。

1.2 不同烷基取代的大环平面结构有机染料的合成及应用

染料敏化太阳能电池由于其制作工艺简单，成本低廉受到广泛关注。其中有机染料由于有合成简单、价格低廉、摩尔吸光系数高等优点成为目前研究的重点之一。三聚吲哚作为一类新型而非常有效的电子给体已经被南开大学的钱兴等人报道。三聚吲哚有着高度对称的大环平面共轭结构，其既有利于电子传递，同时也易导致染料的自聚集，从而引起电池效率降低。为此，钱兴等人设计合成了两种不同烷基取代的三聚吲哚染料[5]。这种带长支链烷基的染料在自吸附到TiO2表面的时候，长支链烷基可以有效减少染料在TiO2表面的自聚集，因此，电池的开路电压和短路电流都有明显提升，从而使电池的光电转换效率提高。该研究将在材料科学、能源科学及染料科学中得到应用。

1.3 水溶性大环与卓鎓离子的选择性键合及应用

卓鎓离子作为一类典型的能稳定存在，且具有一定芳香性的平面六电子七元环有机阳离子，在分子识别研究中已有报道。磺化杯芳烃作为一类重要的杯芳烃衍生物，具有良好的水溶性和生物相容性，并借助其富电子空腔及的协同作用展现出强的键合能力，特别是对有机阳离子客体，在识别传感、催化反应、生物医药等众多领域得到了广泛的应用。为此，南开大学的彭妹等人采用核磁和量热等方法研究了磺化杯[n]芳烃与卓鎓离子的键合行为。进而，为了进一步详细对比不同水溶性大环的键合差异，比较考察了其它水溶性大环（如环糊精、葫芦脲、磺化冠醚、柱芳烃）与卓鎓离子的键合行为[6]。该研究将在材料科学、传感器科学、催化科学、环境科学及医药学研究中得到应用。

1.4 新型拓展四硫富瓦烯的合成及其与C60的电子转移行为研究

四硫富瓦烯（TTF）是一种优良的有机电子给予体，在有机导体和材料科学中得到了广泛的应用。基于蒽醌基拓展的exTTF衍生物的特性，由于其中性状态的马鞍形和二价阳离子的正交构型的巨大变化，以及比TTF具有更强的供电子能力，近年来得到关注。为此，郑州大学的陈秀华等人利用Mitsunobu反应设计合成了基于杯芳烃平台的新型exTTF衍生物[7]，并利用荧光光谱法研究了其与C60的分子间电子转移行为。该研究将在材料科学、光电科学及医药学研究中得到应用。

1.5 苯并咪唑[12]aneN3化合物的合成及应用

大环多胺是一类重要的配体分子，由于其水溶性好，它们不仅可与金属离子配位形成稳定的金属配合物，还可以通过多位点的修饰及通过质子化的氮原子与阴离子发生氢键作用，在配位化学、仿生化学、分子识别等领域有着广阔的应用前景。因此，北京师范大学的郝虎君等人一直致力于研究其[12] aneN3衍生物的设计合成及与含有磷酸单元的小分子、DNA等磷酸大分子作用。最近他们又以苯并咪唑为起始原料设计合成了一系列苯并咪唑-[12] aneN3化合物，并研究了该类化合物及其金属配合物与质粒DNA的作用，发现含有多个咪唑-[12] aneN3单元的铜配合物可以有效诱导DNA凝聚[8]。该研究将在生命科学、仿生模拟、配位化学、超分子化学等领域的研究中得到应用。

2 柱芳烃具有CO2响应性的bola两亲性自组装及其应用

两亲分子自组装，特别是具有环境响应性的两亲性自组装因其在药物释放和离子通道调节等方面的潜在应用近年来一直受到持续关注。具有pH、光、酶等响应性的两亲组装体系已经被广泛研究。CO2作为一种无毒价廉的气体，却很少作为刺激响应来调节两亲自组装体系。为此，浙江大学的揭克诚等人构筑了一个具有CO2响应性的bola两亲自组装体系，该体系可以用作气体控制释放。他们还通过TEM、SEM、DLS、荧光等表征手段发现客体分子在通过CO2的条件下可以首先组装成胶束，随后又组装成纳米带。在加入水溶性柱[4]后，这种超分子两亲组装形成囊泡，并且囊泡在通入氮气的情况被破坏，形成无规则组装体。他们利用这种现象成功地实现了气体控制的钙黄绿素释放[9]。该研究将在生命科学、材料科学及医药学领域的研究中得到应用。

3 一步法合成增强光动力效果的卟啉纳米复合材料及应用

光动力疗法（PDT）是一种依赖于氧，并通过光敏剂介导和光相互作用产生治疗效果的方法。卟啉是具有24中心26电子的非手性大环共轭体系，它是一类性能优异的光敏剂，但由于其不溶于水，生物相容性较低。传统上用于提高卟啉生物相容性的载体有脂质体、聚合物胶束和纳米颗粒等。这些载体中二氧化硅载体因其无毒、简便易制、生物相容性好已成为最常用的光敏剂载体。为此，河南大学的王杰菲等人采用新颖的同步法实现了酸催化四乙氧基硅烷水解缩聚合四吡啶基锌卟啉自组装的同步进行，制备出两种不同内部结构的卟啉复合二氧化硅纳米多孔材料，并将其进行叶酸修饰，进而应用到HeLa细胞的靶向动力治疗中，结果显示其具有较高的光敏剂负载率、低的细胞毒性、优异的靶向性、高的单线态氧产率和高效的光动力效率[10]。该研究将在生物科学、生命科学及医药学上得到应用。

4 新型动态共价分子管的形成及应用

管状超分子主体，例如环糊精、葫芦脲和柱芳烃等，已经广泛应用于分子识别、荧光传感、功能材料自组装等方面。而像环糊精一样的两端开口的不同管状分子，则包含有更加丰富的信息，从而大大增加了所形成超分子体系的复杂性和功能性。因此，构筑新颖结构和特殊功能的管状分子将有非常广阔的发展前景。为此，南方科技大学的何振峰等人首先将动态共价化学应用于有较低对称性管状超分子主体的合成。他们首先探索了不同的客体对管状主体形成的模板效应，通过选择不同的客体，能够很好地控制具有刚性弯曲骨架的双醛与双胺形成1+1的大环结构，同时其顺反异构体也能被高效地控制。在此基础上，使用还原试剂将希夫碱还原，从而可以得到具有动力学稳定的分子管[11]。该研究将在材料科学、荧光传感科学、分子识别及分析分离科学中得到应用。

5 结论

综上所述，近年来由于科研工作者对大环化学研究的不断深入，使得大环化学蓬勃发展，枝繁叶茂。我们坚信，随着各学科研究者对大环化学研究的不断深入，大环化学这朵科学领域的艳丽之花将在人类物质文明建设、生活需要及可持续发展中结出更丰硕成果。

［1］罗勤慧.大环化学［M］.科学出版社（北京），2009.1-21.

［2］Zhao J H,Xu X J,Ji MH,et al.Design,Synthesis,and Biological Activities ofMilbemycin Analogues［J］.J.Agric.Food Chem.,2011, 59（9）:4836-4850.

［3］Chen XH,Koumoutsi A,ScholzR,et al.Genome analysis ofBacillus amyloliquefaciens FZB42 reveals its potential for biocontrol of plantpathogens［J］.JournalofBiotechnology,2009,140（1-2）:27-37.

［4］冷鑫,白银娟,王云侠,等.含氮大环戊二酸N,N—二羟乙基苯胺双内酯的合成与表征［C］.全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集，吉林延吉:延边大学,2014年8月: 186-187.

［5］钱兴，朱义州，高欢欢，等.不同烷基取代对大环平面结构有机染料在二氧化钛表面自吸附与自聚集的影响研究［C］.全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集，吉林延吉：延边大学,2014年8月：231-232.

［6］彭妹，郭东升，杨婧，等.水溶性大环与卓鎓离子的选择性键合［C］.全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集，吉林延吉：延边大学,2014年8月：233-234.

［7］陈秀华，李佳佳，朱为民，等.新型拓展四硫富瓦烯的合成及其与C60的电子转移行为研究［C］.全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集，吉林延吉：延边大学,2014年8月：247-248.

［8］郝虎君，张可欣，张影，等.苯并咪唑-［12］aneN3化合物的合成及其性质研究［C］.全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集，吉林延吉：延边大学,2014年8月：15-316.［9］揭克诚，周玉娟，姚勇，等.基于柱芳烃的具有二氧化碳响应性的bola两亲自组装［C］.全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集，吉林延吉：延边大学,2014年8月：65-66.

［10］王杰菲，钟永，张帅，等.一步法合成增强光动力效果的卟啉纳米复合材料［C］.全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集，吉林延吉：延边大学,2014年8月：19-20.

［11］何振峰，叶刚，蒋伟.动态共价分子管［C］.全国第十七届大环化学暨第九届超分子化学学术讨论会论文集，吉林延吉：延边大学,2014年8月：32-33.

Synthesis and applications of new macrocyclic compounds*

ZHANG Lai-xin*，CHEN Qi
（Chemistry&Chemical Engineering Department,Baoji University of Arts and Sciences,Baoji 721013,China）

This paper briefly introduces the generation,development and applications of macrocyclic compounds.Emphases are put on four parts：（1）synthesis and applications of new macrocyclic compounds；（2）the bola amphiphilic self-assembly and its application of carbon dioxide response of pillararenes；（3）one-step systhesis of porphyrin nano composites with enhanced photodynamic effect and its application；（4）formation and applications of new dynamic covalent molecules.Future developments of macrocyclic chemistry are prospected in the end.

macrocyclic compounds；synthesis；application

TQ460.4

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20151138

2015-06-15

陕西省重点实验室科研计划项目（2010JS067）；陕西省教育厅自然科学基金资助课题（04JK147）；宝鸡文理学院自然科学基金资助课题（zk12014）

张来新（1955-），男，汉族，陕西周至人，宝鸡文理学院化学化工学院教授，硕士研究生导师，主要从事大环化学研究及天然产物分离提取。