新型大環(huán)化合物的合成及應(yīng)用*

張來(lái)新，陳 琦

（寶雞文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，陜西寶雞721013）

綜述

新型大環(huán)化合物的合成及應(yīng)用*

張來(lái)新*，陳 琦

（寶雞文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，陜西寶雞721013）

簡(jiǎn)要介紹了大環(huán)化合物的產(chǎn)生發(fā)展及應(yīng)用，重點(diǎn)介紹了：（1）新型大環(huán)化合物的合成及應(yīng)用；（2）柱芳烴的二氧化碳響應(yīng)性的bola兩親性自組裝及其應(yīng)用；（3）一步法合成增強(qiáng)光動(dòng)力效果的卟啉納米復(fù)合材料及應(yīng)用；（4）新型動(dòng)態(tài)共價(jià)分子的形成及應(yīng)用。并對(duì)大環(huán)化學(xué)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

大環(huán)化合物；合成；應(yīng)用

大環(huán)化合物是一種多齒配體，配位原子位于環(huán)的骨架上，大環(huán)的配位原子可以是O、N、S、Se、P、As等。大環(huán)化合物有二維和三維的，它既可以人工合成，也存在于生物體和自然界，如自然界存在的有血蛋白、葉綠素的卟啉環(huán)、維生素B12的咕卟啉以及作為離子載體的抗菌素及其它類似物。按照環(huán)上的原子數(shù)[n]，n≥12稱為大環(huán)，世界上人工合成的第一個(gè)大環(huán)化合物在1912年被Ruggli在高稀度下合成。目前已有n＞100的超大環(huán)或叫巨大環(huán)存在，但迄今為止，大多數(shù)已發(fā)表的大環(huán)多是碳數(shù)在二十元左右的大環(huán)[1]。

在二十世紀(jì)60年代以前，酞菁和卟啉等大環(huán)已被人們所熟知，由幾個(gè)醛和胺縮合的席夫堿大環(huán)配合物先后在二十世紀(jì)60年代前期被合成，但大環(huán)化學(xué)的引人注目可追溯到1967年C.J.Pedersen發(fā)表的一篇關(guān)于大環(huán)多元醚（俗稱冠醚）與其配位作用的論文。由于這類大環(huán)對(duì)堿金屬、堿土金屬?gòu)?qiáng)的配位能力和有助于在生命過(guò)程中對(duì)Na+、K+、Mg2+、Ca2+的識(shí)別、運(yùn)載等功能的理解，因而激勵(lì)著人們對(duì)其研究的興趣。至此，大環(huán)化學(xué)得以蓬勃發(fā)展，許多有誘人結(jié)構(gòu)、新奇性質(zhì)的大環(huán)化合物層出不窮，如各種冠醚、環(huán)糊精、杯芳烴、柱芳烴、環(huán)芳烴、卟啉、大環(huán)內(nèi)酯、環(huán)肽、環(huán)蕃、咔咯、瓜環(huán)、葫蘆脲、輪烷、索烴、C60、環(huán)狀席夫堿、大環(huán)多胺及其它大環(huán)狀人工合成的物質(zhì)，也有從土壤細(xì)菌和海洋生物中分離得到的天然生物大環(huán)化合物。由于大環(huán)化合物具有環(huán)空腔大小可擴(kuò)縮和可修飾的特性，故其具有選擇性地絡(luò)合有機(jī)、無(wú)機(jī)小分子及金屬離子的特性，因而使大環(huán)化學(xué)作為一門(mén)植根深遠(yuǎn)的新興熱門(mén)邊緣學(xué)科，目前已滲透到無(wú)機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、生物化學(xué)、物理化學(xué)、放射化學(xué)、配位化學(xué)、生物物理、原子能化學(xué)、金屬工業(yè)化學(xué)、環(huán)境化學(xué)、農(nóng)業(yè)化學(xué)、醫(yī)藥學(xué)等難以盡舉的眾多領(lǐng)域。不僅如此，其在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥學(xué)、國(guó)防、軍工及四個(gè)現(xiàn)代化建設(shè)中有著廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)在二十一世紀(jì)的熱點(diǎn)領(lǐng)域如環(huán)境科學(xué)、能源科學(xué)、生命科學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)中也彰顯出誘人的應(yīng)用前景。近年來(lái)，大環(huán)在超分子化學(xué)、主客體化學(xué)及納米化學(xué)中作為建筑模塊格外引人注目。1987年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者D.Cram和J.M.Leh在研究大環(huán)化學(xué)的基礎(chǔ)上分別提出了主客體化化學(xué)和超分子化學(xué)的概念，并創(chuàng)立了主客體化學(xué)和超分子化學(xué)新學(xué)科。迄今為止，超分子化學(xué)是整個(gè)化學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)新的里程碑，已成為一門(mén)極富生命力，集化學(xué)、生物、物理等多領(lǐng)域融為一體的新興交叉邊緣學(xué)科。

1 新型大環(huán)化合物的合成及應(yīng)用

1.1 新型含氮大環(huán)戊二酸N,N-二羥乙基苯胺雙內(nèi)酯的合成及應(yīng)用

含氮大環(huán)內(nèi)酯化合物是指分子中橋聯(lián)環(huán)上既含氮原子，又含酯基的大環(huán)化合物?，F(xiàn)今臨床上使用的大環(huán)內(nèi)酯類抗生素中含氮大環(huán)內(nèi)酯化合物占據(jù)了十分重要的地位。很多已廣泛地應(yīng)用于臨床上防止器官移植的排異反應(yīng)和治療自身免疫性的疾病等方面[2，3]。以人工合成或修飾的方法來(lái)獲得具有某些特殊功能的含氮大環(huán)內(nèi)酯化合物，在發(fā)展含氮大環(huán)內(nèi)酯在不同領(lǐng)域中的研究及應(yīng)用方面均有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。為此，西北大學(xué)的冷鑫等人以N,N-二羥乙基苯胺和戊二酰氯為原料，在吡啶和二氯甲烷中反應(yīng)，用高度稀釋法合成了戊二酸N,N-二羥乙基苯胺雙內(nèi)酯大環(huán)化合物[4]，并對(duì)其進(jìn)行了表征。該研究將在生命科學(xué)、分析分離科學(xué)、環(huán)境科學(xué)及醫(yī)藥學(xué)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

1.2 不同烷基取代的大環(huán)平面結(jié)構(gòu)有機(jī)染料的合成及應(yīng)用

染料敏化太陽(yáng)能電池由于其制作工藝簡(jiǎn)單，成本低廉受到廣泛關(guān)注。其中有機(jī)染料由于有合成簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、摩爾吸光系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)成為目前研究的重點(diǎn)之一。三聚吲哚作為一類新型而非常有效的電子給體已經(jīng)被南開(kāi)大學(xué)的錢(qián)興等人報(bào)道。三聚吲哚有著高度對(duì)稱的大環(huán)平面共軛結(jié)構(gòu)，其既有利于電子傳遞，同時(shí)也易導(dǎo)致染料的自聚集，從而引起電池效率降低。為此，錢(qián)興等人設(shè)計(jì)合成了兩種不同烷基取代的三聚吲哚染料[5]。這種帶長(zhǎng)支鏈烷基的染料在自吸附到TiO2表面的時(shí)候，長(zhǎng)支鏈烷基可以有效減少染料在TiO2表面的自聚集，因此，電池的開(kāi)路電壓和短路電流都有明顯提升，從而使電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高。該研究將在材料科學(xué)、能源科學(xué)及染料科學(xué)中得到應(yīng)用。

1.3 水溶性大環(huán)與卓鎓離子的選擇性鍵合及應(yīng)用

卓鎓離子作為一類典型的能穩(wěn)定存在，且具有一定芳香性的平面六電子七元環(huán)有機(jī)陽(yáng)離子，在分子識(shí)別研究中已有報(bào)道?；腔紵N作為一類重要的杯芳烴衍生物，具有良好的水溶性和生物相容性，并借助其富電子空腔及的協(xié)同作用展現(xiàn)出強(qiáng)的鍵合能力，特別是對(duì)有機(jī)陽(yáng)離子客體，在識(shí)別傳感、催化反應(yīng)、生物醫(yī)藥等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。為此，南開(kāi)大學(xué)的彭妹等人采用核磁和量熱等方法研究了磺化杯[n]芳烴與卓鎓離子的鍵合行為。進(jìn)而，為了進(jìn)一步詳細(xì)對(duì)比不同水溶性大環(huán)的鍵合差異，比較考察了其它水溶性大環(huán)（如環(huán)糊精、葫蘆脲、磺化冠醚、柱芳烴）與卓鎓離子的鍵合行為[6]。該研究將在材料科學(xué)、傳感器科學(xué)、催化科學(xué)、環(huán)境科學(xué)及醫(yī)藥學(xué)研究中得到應(yīng)用。

1.4 新型拓展四硫富瓦烯的合成及其與C60的電子轉(zhuǎn)移行為研究

四硫富瓦烯（TTF）是一種優(yōu)良的有機(jī)電子給予體，在有機(jī)導(dǎo)體和材料科學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用?；谳祯卣沟膃xTTF衍生物的特性，由于其中性狀態(tài)的馬鞍形和二價(jià)陽(yáng)離子的正交構(gòu)型的巨大變化，以及比TTF具有更強(qiáng)的供電子能力，近年來(lái)得到關(guān)注。為此，鄭州大學(xué)的陳秀華等人利用Mitsunobu反應(yīng)設(shè)計(jì)合成了基于杯芳烴平臺(tái)的新型exTTF衍生物[7]，并利用熒光光譜法研究了其與C60的分子間電子轉(zhuǎn)移行為。該研究將在材料科學(xué)、光電科學(xué)及醫(yī)藥學(xué)研究中得到應(yīng)用。

1.5 苯并咪唑[12]aneN3化合物的合成及應(yīng)用

大環(huán)多胺是一類重要的配體分子，由于其水溶性好，它們不僅可與金屬離子配位形成穩(wěn)定的金屬配合物，還可以通過(guò)多位點(diǎn)的修飾及通過(guò)質(zhì)子化的氮原子與陰離子發(fā)生氫鍵作用，在配位化學(xué)、仿生化學(xué)、分子識(shí)別等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。因此，北京師范大學(xué)的郝虎君等人一直致力于研究其[12] aneN3衍生物的設(shè)計(jì)合成及與含有磷酸單元的小分子、DNA等磷酸大分子作用。最近他們又以苯并咪唑?yàn)槠鹗荚显O(shè)計(jì)合成了一系列苯并咪唑-[12] aneN3化合物，并研究了該類化合物及其金屬配合物與質(zhì)粒DNA的作用，發(fā)現(xiàn)含有多個(gè)咪唑-[12] aneN3單元的銅配合物可以有效誘導(dǎo)DNA凝聚[8]。該研究將在生命科學(xué)、仿生模擬、配位化學(xué)、超分子化學(xué)等領(lǐng)域的研究中得到應(yīng)用。

2 柱芳烴具有CO2響應(yīng)性的bola兩親性自組裝及其應(yīng)用

兩親分子自組裝，特別是具有環(huán)境響應(yīng)性的兩親性自組裝因其在藥物釋放和離子通道調(diào)節(jié)等方面的潛在應(yīng)用近年來(lái)一直受到持續(xù)關(guān)注。具有pH、光、酶等響應(yīng)性的兩親組裝體系已經(jīng)被廣泛研究。CO2作為一種無(wú)毒價(jià)廉的氣體，卻很少作為刺激響應(yīng)來(lái)調(diào)節(jié)兩親自組裝體系。為此，浙江大學(xué)的揭克誠(chéng)等人構(gòu)筑了一個(gè)具有CO2響應(yīng)性的bola兩親自組裝體系，該體系可以用作氣體控制釋放。他們還通過(guò)TEM、SEM、DLS、熒光等表征手段發(fā)現(xiàn)客體分子在通過(guò)CO2的條件下可以首先組裝成膠束，隨后又組裝成納米帶。在加入水溶性柱[4]后，這種超分子兩親組裝形成囊泡，并且囊泡在通入氮?dú)獾那闆r被破壞，形成無(wú)規(guī)則組裝體。他們利用這種現(xiàn)象成功地實(shí)現(xiàn)了氣體控制的鈣黃綠素釋放[9]。該研究將在生命科學(xué)、材料科學(xué)及醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域的研究中得到應(yīng)用。

3 一步法合成增強(qiáng)光動(dòng)力效果的卟啉納米復(fù)合材料及應(yīng)用

光動(dòng)力療法（PDT）是一種依賴于氧，并通過(guò)光敏劑介導(dǎo)和光相互作用產(chǎn)生治療效果的方法。卟啉是具有24中心26電子的非手性大環(huán)共軛體系，它是一類性能優(yōu)異的光敏劑，但由于其不溶于水，生物相容性較低。傳統(tǒng)上用于提高卟啉生物相容性的載體有脂質(zhì)體、聚合物膠束和納米顆粒等。這些載體中二氧化硅載體因其無(wú)毒、簡(jiǎn)便易制、生物相容性好已成為最常用的光敏劑載體。為此，河南大學(xué)的王杰菲等人采用新穎的同步法實(shí)現(xiàn)了酸催化四乙氧基硅烷水解縮聚合四吡啶基鋅卟啉自組裝的同步進(jìn)行，制備出兩種不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的卟啉復(fù)合二氧化硅納米多孔材料，并將其進(jìn)行葉酸修飾，進(jìn)而應(yīng)用到HeLa細(xì)胞的靶向動(dòng)力治療中，結(jié)果顯示其具有較高的光敏劑負(fù)載率、低的細(xì)胞毒性、優(yōu)異的靶向性、高的單線態(tài)氧產(chǎn)率和高效的光動(dòng)力效率[10]。該研究將在生物科學(xué)、生命科學(xué)及醫(yī)藥學(xué)上得到應(yīng)用。

4 新型動(dòng)態(tài)共價(jià)分子管的形成及應(yīng)用

管狀超分子主體，例如環(huán)糊精、葫蘆脲和柱芳烴等，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于分子識(shí)別、熒光傳感、功能材料自組裝等方面。而像環(huán)糊精一樣的兩端開(kāi)口的不同管狀分子，則包含有更加豐富的信息，從而大大增加了所形成超分子體系的復(fù)雜性和功能性。因此，構(gòu)筑新穎結(jié)構(gòu)和特殊功能的管狀分子將有非常廣闊的發(fā)展前景。為此，南方科技大學(xué)的何振峰等人首先將動(dòng)態(tài)共價(jià)化學(xué)應(yīng)用于有較低對(duì)稱性管狀超分子主體的合成。他們首先探索了不同的客體對(duì)管狀主體形成的模板效應(yīng)，通過(guò)選擇不同的客體，能夠很好地控制具有剛性彎曲骨架的雙醛與雙胺形成1+1的大環(huán)結(jié)構(gòu)，同時(shí)其順?lè)串悩?gòu)體也能被高效地控制。在此基礎(chǔ)上，使用還原試劑將希夫堿還原，從而可以得到具有動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的分子管[11]。該研究將在材料科學(xué)、熒光傳感科學(xué)、分子識(shí)別及分析分離科學(xué)中得到應(yīng)用。

5 結(jié)論

綜上所述，近年來(lái)由于科研工作者對(duì)大環(huán)化學(xué)研究的不斷深入，使得大環(huán)化學(xué)蓬勃發(fā)展，枝繁葉茂。我們堅(jiān)信，隨著各學(xué)科研究者對(duì)大環(huán)化學(xué)研究的不斷深入，大環(huán)化學(xué)這朵科學(xué)領(lǐng)域的艷麗之花將在人類物質(zhì)文明建設(shè)、生活需要及可持續(xù)發(fā)展中結(jié)出更豐碩成果。

［1］羅勤慧.大環(huán)化學(xué)［M］.科學(xué)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,白銀娟,王云俠,等.含氮大環(huán)戊二酸N,N—二羥乙基苯胺雙內(nèi)酯的合成與表征［C］.全國(guó)第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，吉林延吉:延邊大學(xué),2014年8月: 186-187.

［5］錢(qián)興，朱義州，高歡歡，等.不同烷基取代對(duì)大環(huán)平面結(jié)構(gòu)有機(jī)染料在二氧化鈦表面自吸附與自聚集的影響研究［C］.全國(guó)第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，吉林延吉：延邊大學(xué),2014年8月：231-232.

［6］彭妹，郭東升，楊婧，等.水溶性大環(huán)與卓鎓離子的選擇性鍵合［C］.全國(guó)第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，吉林延吉：延邊大學(xué),2014年8月：233-234.

［7］陳秀華，李佳佳，朱為民，等.新型拓展四硫富瓦烯的合成及其與C60的電子轉(zhuǎn)移行為研究［C］.全國(guó)第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，吉林延吉：延邊大學(xué),2014年8月：247-248.

［8］郝虎君，張可欣，張影，等.苯并咪唑-［12］aneN3化合物的合成及其性質(zhì)研究［C］.全國(guó)第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，吉林延吉：延邊大學(xué),2014年8月：15-316.［9］揭克誠(chéng)，周玉娟，姚勇，等.基于柱芳烴的具有二氧化碳響應(yīng)性的bola兩親自組裝［C］.全國(guó)第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，吉林延吉：延邊大學(xué),2014年8月：65-66.

［10］王杰菲，鐘永，張帥，等.一步法合成增強(qiáng)光動(dòng)力效果的卟啉納米復(fù)合材料［C］.全國(guó)第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，吉林延吉：延邊大學(xué),2014年8月：19-20.

［11］何振峰，葉剛，蔣偉.動(dòng)態(tài)共價(jià)分子管［C］.全國(guó)第十七屆大環(huán)化學(xué)暨第九屆超分子化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，吉林延吉：延邊大學(xué),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

陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研計(jì)劃項(xiàng)目（2010JS067）；陜西省教育廳自然科學(xué)基金資助課題（04JK147）；寶雞文理學(xué)院自然科學(xué)基金資助課題（zk12014）

張來(lái)新（1955-），男，漢族，陜西周至人，寶雞文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事大環(huán)化學(xué)研究及天然產(chǎn)物分離提取。