雙柱[5]芳烴的研究進(jìn)展

李順順

（天津大學(xué) 藥物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300072）

柱芳烴[1]是Ogoshi 等人在2008 年報道的一種新的大環(huán)化合物，由對苯二酚或?qū)Ρ蕉用言趯ξ煌ㄟ^亞甲基橋連接組成，呈現(xiàn)出圓柱形或柱狀結(jié)構(gòu)，首個報道合成的柱芳烴是通過1,4-二甲氧基苯與甲醛的縮合反應(yīng)制得的1,4-二甲氧基柱[5]芳烴（DMP5）。柱[5]芳烴具有富電子空腔，容易與貧電子客體結(jié)合，作為主體分子在主客體化學(xué)中有著重要的作用，同時，獨特的柱狀結(jié)構(gòu)和易于功能化使得柱[5]芳烴在超分子自組裝體系中具有獨特的吸引力。在過去的十年中，雙柱[5]芳烴因其具有兩個結(jié)合位點，可控的自組裝性能，以及組裝成復(fù)雜的超分子結(jié)構(gòu)的應(yīng)用引起了人們極大的興趣和關(guān)注。雙柱[5]芳烴的連接體可分為兩類，剛性和柔性，剛性的連接體可將雙柱[5]芳烴的兩個空腔擴展為一個更深的空腔，使其具有協(xié)同效應(yīng)從而增強與客體分子的結(jié)合力，柔性的連接體則使兩個空腔展現(xiàn)出相對獨立的性質(zhì)，各自可以結(jié)合客體分子。此外，可以在連接體上引入帶有特殊性質(zhì)的官能團，例如，具有光響應(yīng)性，氧化還原響應(yīng)性以及熒光性的基團等可以用來調(diào)控雙柱[5]芳烴的性能，這種類型的雙柱[5]芳烴具有極高的應(yīng)用價值，通過與客體分子結(jié)合形成超分子聚合物體系，可用作多重刺激響應(yīng)性的材料，載藥系統(tǒng)，人工光捕獲系統(tǒng)，熒光傳感器，離子檢測器。當(dāng)柔性連接體穿過雙柱[5]芳烴的空腔時，還可以構(gòu)建高精度的機械互鎖結(jié)構(gòu)，如索烴，輪烷。

1 雙柱[5]芳烴的構(gòu)建

鑒于單個連接體橋聯(lián)的雙柱[5]芳烴的構(gòu)建相對容易，迄今為止，現(xiàn)有的絕大多數(shù)雙柱[5]芳烴都屬于這一類型。一般來說，單連接體橋聯(lián)的雙柱[5]芳烴有3 種常見的合成策略，（1）由兩種單體通過寡聚化形成雙柱[5]芳烴，例如，黃飛鶴等[2]在2011 年報道的利用1,6-雙（4-丁氧基苯氧基）己烷與1,4-二甲氧基苯聚合形成的脂肪鏈連接的雙柱[5]芳烴（圖1a），該雙柱[5]芳烴的產(chǎn)率僅有8%，原因是兩種不同的單體在環(huán)化的過程中會出現(xiàn)錯配的情況，1,4-二甲氧基苯會自身聚合生成大量的DMP5，而不是與1,6-雙（4-丁氧基苯氧基）己烷生成相應(yīng)的雙柱[5]芳烴；（2）由兩個單功能化的柱[5]芳烴通過連接體鍵合而成，例如，Ogoshi 等[3]在2011 年報道的對二甲苯基連接的雙柱[5]芳烴，是由兩分子單羥基化的柱[5]芳烴和一分子的1,4-二溴對二甲苯縮合而成（圖1b）；（3）由兩個單功能化的柱[5]芳烴直接相連生成雙柱[5]芳烴，例如，巰基修飾的單功能化柱[5]芳烴經(jīng)氧化生成雙柱[5]芳烴[4]（圖1c）。

圖1 雙柱[5]芳烴的3 種合成策略Fig.1 Three synthetic strategies of bis-pillar[5]arene

2 功能性的雙柱[5]芳烴

引入帶有特殊性質(zhì)的官能團的連接體，例如具有光響應(yīng)性，氧化還原響應(yīng)性以及熒光性的基團等可以用來調(diào)控雙柱[5]芳烴的性能，極大地擴展了雙柱[5]芳烴在功能性材料方面的應(yīng)用。

2.1 具有刺激響應(yīng)性的雙柱[5]芳烴

2.1.1 光響應(yīng)的雙柱[5]芳烴 偶氮苯是典型的光響應(yīng)基團，其順式反式構(gòu)型會在紫外可見光照射下進(jìn)行可逆轉(zhuǎn)化。在2013 年，Ogoshi 等通過引入偶氮苯基團得到了具有光響應(yīng)性質(zhì)的雙柱[5]芳烴[5]，通過紫外和可見光的照射可以調(diào)控雙柱[5]芳烴與客體分子的組裝和解組裝，當(dāng)雙柱[5]芳烴經(jīng)過可見光照射時，偶氮苯會從順式構(gòu)型轉(zhuǎn)換為反式構(gòu)型，兩個柱[5]芳烴的空腔在空間位置上產(chǎn)生變化，導(dǎo)致與客體分子形成的超分子聚合物解聚，當(dāng)反式構(gòu)型的偶氮苯經(jīng)過紫外光照射后轉(zhuǎn)變?yōu)轫樖綐?gòu)型，相應(yīng)地雙柱[5]芳烴與客體分子重新形成超分子聚合物。

2.1.2 氧化還原響應(yīng)的雙柱[5]芳烴 在2015 年，第一個對γ 射線輻射響應(yīng)的線性超分子經(jīng)由含二硒鍵的雙柱[5]芳烴的主客體聚合物被成功構(gòu)建[6]，該超分子聚合物可被γ 射線破壞，此外，由于二硒鍵可通過添加過氧化物或具有還原性的谷胱甘肽進(jìn)行破壞，使得這種超分子聚合物表現(xiàn)出相應(yīng)的氧化還原響應(yīng)性。在2017 年，楊英威[7]等在含二硒鍵的雙柱[5]芳烴的基礎(chǔ)上，引入具有聚集誘導(dǎo)發(fā)光性質(zhì)的四苯乙烯單元的客體分子，所形成的超分子聚合物顯示出熒光，加入還原劑后導(dǎo)致雙硒鍵斷裂，使得雙柱[5]芳烴解聚，聚集誘導(dǎo)效應(yīng)消失，熒光被淬滅。

雙硫鍵因其溫和的生成條件，極高的產(chǎn)率，以及氧化還原響應(yīng)的性能，引起了研究人員極大的關(guān)注，楊清正課題組在這方面做了很多工作。在2016 年，楊清正報道了雙硫鍵鍵合的雙柱[5]芳烴[4]，可與帶有熒光基團的客體分子形成超分子聚合物，可在水溶液中形成納米球，在此基礎(chǔ)上，楊清正于2018 年構(gòu)建了人工光捕獲系統(tǒng)[8]，客體分子作為能量的供體與受體，雙柱[5]芳烴作為能量傳遞的載體。此外，雙硫鍵具有氧化還原刺激響應(yīng)性，隨著還原劑的加入，雙硫鍵斷裂形成巰基，加入氧化劑后，雙硫鍵會再次形成，在2019 年，楊清正和王瑞兵等人將雙硫鍵鍵合的雙柱[5]芳烴作為載藥系統(tǒng)運送抗癌藥物，肺癌細(xì)胞中豐富的精胺和谷胱甘肽可使雙硫鍵斷裂，從而實現(xiàn)藥物的精準(zhǔn)釋放[9]。

2.2 基于雙柱[5]芳烴與客體分子構(gòu)筑的熒光傳感器

2013 年，王樂勇報道了雙柱[5]芳烴與正辛基吡嗪鎓陽離子之間形成的假輪烷及其聚假輪烷用于選擇性檢測鹵素離子的新型熒光傳感器[10]，在分別添加Cl-，Br-和I-（四丁基銨鹽）時，會發(fā)生假輪烷及其聚假輪烷的分解過程，使得它們的熒光恢復(fù)，兩種體系的熒光增強程度按I-< Br-

3 基于雙柱[5]芳烴構(gòu)筑的機械互鎖分子

雙柱[5]芳烴具有平面手性，呈現(xiàn)出兩種構(gòu)型，當(dāng)取代基按照順時針方向排列時，將該絕對構(gòu)型稱為P 型（positive，順時針），反之，當(dāng)取代基按照逆時針方向排列時，該絕對構(gòu)型稱為M 型（minus，逆時針）（圖2a）。當(dāng)連接體穿過柱[5]芳烴的空腔進(jìn)行橋連時，雙柱[5]芳烴就會形成索烴或者輪烷，受雙柱[5]芳烴固有手性的影響，索烴或輪烷會形成相應(yīng)的立體異構(gòu)體。2015 年，劉育等通過一步酰胺化來制備稱為“雙子索烴”的雙柱[5]芳烴[14]，“雙子索烴”具有3 個立體異構(gòu)體，包括一對PP 型和MM 型的對映異構(gòu)體，以及一個PM 型的內(nèi)消旋體（圖2b），其中兩個柱[5]芳烴的空腔被兩條脂肪胺鏈以不同的拓?fù)浞绞酱┤搿?018 年，顏朝國等由二硫脲橋連的雙柱[5]芳烴成功構(gòu)建雙-[1]輪烷[15]，其中二硫脲鏈進(jìn)入柱[5]芳烴的兩個腔中，形成獨特雙-[1]輪烷結(jié)構(gòu)。2020年，顏朝國等報道了新型的雙[1]輪烷[16]，兩個丙烯二氨基單元插入雙柱[5]芳烴的兩個空腔中，并通過Salen 橋連接（圖2c）。

圖2 基于雙柱[5]芳烴的機械互鎖分子Fig.2 Mechanically interlocked molecules based on bis-pillar[5]arene

4 雙柱[5]芳烴的發(fā)展趨勢與展望

由單個連接體鍵合的雙柱[5]芳烴已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注和深入的研究，然而由5 個連接體相連的雙柱[5]芳烴鮮少報道，一方面由于上下緣不同的柱[5]芳烴合成產(chǎn)率極低，2018 年蘇紀(jì)豪等人報道了導(dǎo)向合成法后才解決了這個問題[17]，另一方面，進(jìn)行五重連接時很容易出現(xiàn)錯位的情況，從而形成大量的多聚體，直到2020 年，Ogoshi 等人合成了首個五重連接的雙柱[5]芳烴[18]，由兩個上下緣不同的羧基修飾的柱[5]芳烴，通過羧基與水分子之間的氫鍵連接形成，并且通過單晶結(jié)構(gòu)證明，它們形成的二聚體產(chǎn)生了一對具有螺旋結(jié)構(gòu)的對映異構(gòu)體，與此同時，他們還報道了柱[5]芳烴三聚體，由一個全季銨鹽修飾的柱[5]芳烴和兩個上下緣不同的羧基修飾的柱[5]芳烴組成，通過羧基和季銨鹽之間的靜電作用維持柱狀結(jié)構(gòu)。

氫鍵是弱相互作用力，由氫鍵相連的雙柱[5]芳烴結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定，不利于進(jìn)行更多相關(guān)的研究以及應(yīng)用，在未來的研究中，可以通過金屬鍵，共價鍵等更強的相互作用力進(jìn)行五重連接的雙柱[5]芳烴的合成，從而得到結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定的二聚體，在這種更深的空腔中研究相應(yīng)的主客體化學(xué)特性，并且可對雙柱[5]芳烴的對映異構(gòu)體進(jìn)行拆分，得到相應(yīng)的手性雙柱[5]芳烴，同時，五重連接的柱[5]芳烴三聚體，四聚體，五聚體甚至多聚體的合成也是一項充滿挑戰(zhàn)的工作。