酪氨酸基柱[5]芳烃的合成及手性识别性能初探

何琴, 马翠广, 段文贵, 刘陆智

(广西大学 化学化工学院, 广西 南宁 530004)

柱芳烃是一种新型的大环主体,具有柱状结构和富电子空穴[1-6]。由于柱芳烃可以进行简单而灵活的改性,使各种官能团方便地连接到柱芳烃的边缘,为不同的客体提供合适的作用位点,因此,在过去的几年中,柱芳烃已经呈现出有趣而独特的主客识别性质。特别是在纳客体系[7-9]、超分子聚合物[10-12]、生物成像[13-14]、药物缓释[15-18]、轮烷或准轮烷[19-25]、超分子有机框架(SOFs)[26-32]和催化[33-34]等诸多领域。随着对柱芳烃的深入研究,对柱芳烃进行功能化修饰以及主客体作用研究其平面手性以及自组装的化学报道越来越多。诱导、控制柱芳烃的平面手性,以及拆分、检测不同构型的柱芳烃,已经成为了许多研究的热点方向。

手性是生物体和自然的一个基本特征,是指物质具有与其镜像对称但不能重合的特性,具备这种特性的物质称之为手性物质[35]。近年来,核磁共振波谱法(nuclear magnetic resonance, NMR)常常用于手性分子的光学纯度的测定。由于具有无需分离纯化、操作简便、测定速度快等优点, 因此NMR法测定手性分子的光学纯度和构型已成为重要的研究领域。与其他大环体系相比,平面手性是柱芳烃衍生物的一个独特性质。在手性客体分子的络合作用下,客体分子的手性会转移到柱芳烃主体,相应的圆二色谱(CD)信号也会被放大。目前许多大环化合物如冠醚、环糊精和杯芳烃,经过功能化处理,不仅能够用于手性化合物的鉴别,而且也在手性色谱上具有良好的拆分性能。而功能化柱芳烃,虽然拥有优秀的分子识别能力和带有平面手性的特点,该类化合物在手性识别中具有广泛的应用前景;但是目前关于柱芳烃作为手性试剂用于识别手性客体的报道却寥寥无几。相对于其他传统大环分子而言,柱芳烃的主客体化学更吸引科研究学者们的兴趣。在众多的柱[5]芳烃至柱[15]芳烃中,柱[5]芳烃因制备容易、设计多样而研究最为广泛,因此如何拓展柱芳烃的主客体作用,使柱[5]芳烃能够对手性客体产生识别能力在超分子化学上的深入研究具有重要且深远的意义。本文将D型和L型络氨酸结构引入到柱[5]芳烃,设计合成了2种酪氨酸基柱[5]芳烃D-MPC-8和L-MPC-8。然后选择α-萘乙胺(G1)为模板客体,利用NMR法考察了D-MPC-8、L-MPC-8作为NMR手性溶剂化试剂对伯胺的手性识别性能。柱[5]芳烃手性试剂的合成路线及客体结构如图1所示。

图1 柱[5]芳烃手性试剂的合成路线及客体结构Fig.1 Synthetic route and guest structure of pillar [5] arenes chiral reagent

1 实验

1.1 主要仪器和试剂

红外光谱仪(Nicolet iS 50 FT-IR型,美国Thermo Scientific公司);超核磁共振仪(AVANCE AV 600 MHz型,瑞士Brucker公司 );全自动熔点仪(MP420型,济南海能仪器股份有限公司);超高效液相-质谱联用仪(UPLCI-CLASS-XEVOG2-XSQTOF型,美国WATERS公司)。

1,4-二甲氧基苯、对苯二酚(上海阿拉丁有限公司购);酪氨酸以及苯乙胺类衍生物(上海泰坦科技股份有限公司)。实验原料均为分析纯。

1.2 柱芳烃的合成

化合物1的合成[36]。在500 mL双口烧瓶中加入碳酸钾15.06 g (108.98 mmol)、碘化钾18.09 g (108.98 mmol)、无水丙酮200 mL,安装冷凝回流装置,再加入1,8-二溴辛烷20.07 mL (108.98 mmol),充氮气保护反应体系,油浴锅搅拌加热至回流。丙酮溶解3.0 g (27.24 mmol)对二苯酚至60 mL,缓慢滴加对苯二酚的丙酮溶液至500 mL的三口烧瓶中,滴加完毕回流反应72 h,采用TCL跟踪反应进程。反应完成后,将反应后的溶液抽滤,用二氯甲烷洗涤,收集滤液。再加入适量去离子水分液多次并收集有机层。无水硫酸钠干燥后旋干浓缩,通过柱层析法分离,使用石油醚与乙酸乙酯的体积比为5∶1的混合液洗脱,得到产率为85%的白色固体1。

化合物2的合成[36]。在500 mL双口烧瓶中加入化合物1(6.07 mmol) 3.0 g、1,4-二甲氧基苯3.37 g (24.37 mmol)、多聚甲醛914.80 mg (30.47 mmol)、1,2-二氯乙烷250 mL,在30 ℃下搅拌溶解后加入三氟化硼乙醚7.72 mL (30.47 mmol)反应2 h,TCL跟踪反应完成加去离子水猝灭。分液并收集有机层,无水硫酸钠干燥,浓缩。通过柱层析法分离,使用二氯甲烷与石油醚的体积比为5∶1的混合液洗脱,得到产率为29.8%的白色固体2。

柱芳烃MTP-8的合成[36]。将化合物2(0.5 mmol) 600 mg、801.8 mg (2.71 mmol)D型或者L型Boc保护的酪氨酸甲酯、碳酸钾750.4 mg (5.43 mmol)、碘化钾450.7 mg (2.71 mmol)加入50 mL单口烧瓶中,再加入乙腈25 mL溶解,搅拌回流反应12 h。反应结束后用去离子水和二氯甲烷萃取分液收集有机相,干燥浓缩。通过柱层析法分离,使用石油醚与乙酸乙酯的体积比为5∶1的混合液洗脱,得到淡黄色油状产物,减压蒸馏后得到产率为78.5%的白色固体MTP-8。

柱芳烃MPC-8的合成[36]。 在200 mL的单口烧瓶中加入D型或者L型的化合物MTP 100 mg (65.19 μmol)和甲醇30 mL,加热时化合物MTP在甲醇中溶解。取质量分数为40%的氢氧化钠溶液200 μL加入到甲醇溶液中,搅拌回流12 h,TCL跟踪反应完成。反应结束后加入去离子水100 mL,用盐酸稀释溶液调pH至2～3,即可析出白色固体,过滤,滤饼用去离子水多次洗涤,冷冻干燥,得到产率为80.5%的白色固体MPC-8。

2 结果与讨论

2.1 产物的表征

化合物2:1H-NMR (600 MHz, CDCl3),δ: 6.96(t,J=3.93 Hz, 2H), 6.92(m, 8H), 3.94(m, 4H), 3.91～3.70(m, 40H), 1.83(dt,J=16.0 Hz, 4H), 1.49(m, 4H), 1.33(m, 8H), 1.18(m, 4H), 1.13(m, 4H)。13C-NMR (151 MHz, CDCl3),δ: 150.32, 150.18, 149.33, 128.28, 128.08, 128.06, 128.01, 127.95, 127.87, 113.89, 113.49, 113.04, 112.92, 77.27, 77.05, 76.84, 67.95, 55.48, 55.37, 55.33, 55.29, 55.26, 33.89, 33.19, 32.15, 29.28, 29.09, 29.02, 27.85, 27.19, 25.58。

2.2 产物的波谱分析

D-MPC-8的红外谱图如图2所示。从中可见,1 715.26 cm-1为柱[5]芳烃的羧基振动吸收峰和Boc羰基吸收振动峰,BocNH的N—H振动吸收峰在3 442.39、 2 855.16 cm-1, 2 937.41 cm-1为甲基和亚甲基的伸缩振动峰,D-MPC-8的1H NMR谱图如图3所示。从图中可见,柱芳烃芳环上的质子氢化学位移δ为6.80～7.08,表明MPC-8已成功合成。

图2 D-MPC-8的红外谱图Fig.2 Infrared spectrum of D-MPC-8

图3 D-MPC-8的1H NMR谱图Fig.3 1H NMR spectrum of D-MPC-8

2.3 柱[5]芳烃的手性性能研究

为了探索手性柱[5]芳烃衍生物的手性识别,首先选择D-MPC-8作为CSA,通过1H NMR谱图表征了G1的手性识别性能。D-MPC-8体系的部分1H NMR谱图如图4所示。由图中可见,D-MPC-8(5.98 mm)与外消旋G1以物质的量比为1∶1混合作用后,G1的H4在δ(0.194)处发生了明显的高场位移,并裂分成2组基线完全分离且积分比为1∶1的双重峰,这2组峰可归属为G1对映体的R—H4和S—H4。通过D-MPC-8分别与R-G1和S-G1作用的1H NMR比较,发现G1与D-MPC-8作用后,S—H4的化学位移相比较R—H4移向更高场(●表示S构型,△表示R构型)。结果表明D-MPC-8对G1具有良好的手性识别性能。

图4 D-MPC-8体系的部分1H NMR谱图Fig.4 Partial 1H NMR spectra of D-MPC-8

L-MPC-8体系的部分1H NMR谱图如图5所示。从图中可见,与D-MPC-8类似,L-MPC-8对G1具有手性识别性能,主客体以物质的量比为1∶1作用后,H4在δ(0.194)发生了明显的高场位移,并裂分成2组积分比为1∶1的双重峰,R—H4的化学位移相比较S—H4处于更高场,与D-MPC-8⊂G1体系刚好相反,表明D-MPC-8与L-MPC-8的手性识别性能具有较好的互补性。据此,联合使用D型和L型柱芳烃建立一种简单的方法来确定G1的绝对构型,即当ΔδH4(D-L)(客体G1与D-MPC-8作用后H4的化学位移δH4-客体G1与L-MPC-8作用后H4的化学位移δH4)=-0.030 2<0时,G1为S构型;当ΔδH4(D-L)=+0.020 6>0时,G1为R构型。客体H4的1H NMR谱图如图6所示。

(a) L-MPC-8;(b) 外消旋G1;(c) L-MPC-8⊂S-G1体系;(d) L-MPC-8⊂R-G1体系;(e) L-MPC-8⊂G1。

(a) S-G1与MPC-8作用 (b) R-G1与MPC-8作用

3 结语

本文合成了2种不同构型的酪氨酸基柱[5]芳烃,它们可以作为CSAs对G1具有良好的手性识别性能和互补性。此外,联合使用D型和L型柱芳烃建立一种简单的方法成功地确定了G1的绝对构型,本研究将为柱芳烃基手性识别试剂的研发提供了新的方法和参考。