張 嫦， 譚 炯， 趙志剛

(西南民族大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境保護(hù)工程學(xué)院，四川 成都 610041)

人工受體的設(shè)計(jì)合成是超分子化學(xué)中迅速崛起的一個(gè)新領(lǐng)域。通過人工受體的分子識(shí)別研究可以更好地了解分子間力的相互作用，從而可開拓一些更新穎、更有效的催化劑和分子器件。近年來已開拓了多種類型的人工受體新模型，其中“鉗形”人工受體不僅在結(jié)構(gòu)上具有天然受體的空腔，而且可根據(jù)需要設(shè)計(jì)成不同大小、不同種類的官能化受體，對(duì)多類客體顯示出良好的識(shí)別性能, 因此分子鉗人工受體的研究已成為生物有機(jī)化學(xué)和超分子化學(xué)前沿領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[1～5]。

希夫堿型鉗形人工受體，其結(jié)構(gòu)中有CH=N結(jié)構(gòu)單元，根據(jù)分子識(shí)別的基本理論[6]，該類分子鉗受體的CH=N可以作為氫鍵受體應(yīng)用于分子識(shí)別。此外，在鉗形人工受體中引入不同的芳環(huán)基團(tuán)可提供主客體間形成π-π stacking作用。

CompabcdefghArC6H5-4-ClC6H4-2-ClC6H4-4-BrC6H4-4-OMeC6H4-4-Me2NC6H4-3-O2NC6H4-3-MeOC6H4-

Scheme1

及時(shí)拓展這類人工受體具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

微波輻射作用下的有機(jī)反應(yīng)具有反應(yīng)速度快、副產(chǎn)物少、產(chǎn)率高、環(huán)境友好、操作方便、產(chǎn)品易純化等特點(diǎn)，是當(dāng)今的綠色合成方法之一[7, 8]。見諸于文獻(xiàn)報(bào)道的各種鉗形人工受體的合成，大多采用常規(guī)加熱方法，利用微波法來合成則少見報(bào)道。本課題組[9～11]進(jìn)行了微波技術(shù)應(yīng)用于鉗形人工受體的合成研究，并已取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展。

本文以對(duì)苯二甲酸為原料，在微波輻射條件下，設(shè)計(jì)并合成了8個(gè)新型的芳環(huán)鉗形人工受體(3a～3h, Scheme 1)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR， IR， ESI-MS和元素分析表征。并初步考察了3a～3h對(duì)中性分子(鄰苯二胺，間苯二胺，對(duì)苯二胺和二苯甲酮)的識(shí)別性能。結(jié)果表明，3a～3h對(duì)其具有良好的識(shí)別性能

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 儀器與試劑

X-4型數(shù)字顯示顯微熔點(diǎn)儀( 溫度計(jì)未校正)；Varian INOVA-400 MHz型核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo));PE 1700型傅立葉變換紅外光譜儀(KBr壓片)；FINNIGAN-LCQ型質(zhì)譜儀；Carlo-Erba-1106型元素分析儀；XH-100A型商用微波反應(yīng)器。

THF，加金屬鈉回流至溶液變藍(lán)，用前重蒸；Et3N，加KOH干燥24 h后重蒸;其余所用試劑均為分析純或化學(xué)純。

1．2 合成

(1) 對(duì)苯二甲酰氯(1)的合成

在反應(yīng)瓶中加入對(duì)苯二甲酸2 mmol， SOCl210 mL和1滴DMF，攪拌下于60 ℃～70 ℃反應(yīng)4 h。減壓蒸去過量的SOCl2得針狀晶體1粗品，直接進(jìn)入下一步反應(yīng)。

(2) 1,4-雙[(2-氨基苯基)-氨羰基]-苯(2)的合成

在反應(yīng)瓶中加入鄰苯二胺2.0 g(18.5 mmol)， THF 30 mL和Et3N 0.6 mL(0.004 4 mmol)，攪拌下于室溫緩慢滴加1的無水THF(10 mL)溶液(約1 h)， N2氣保護(hù)下于室溫反應(yīng)12 h(TLC監(jiān)測(cè))。減壓蒸除THF，殘余物加水至無沉淀析出，抽濾，濾餅用大量水洗滌，真空干燥后用THF/環(huán)己烷重結(jié)晶得白色固體2，產(chǎn)率75%, m.p.240 ℃～241 ℃; ESI-MS m/z： 347{[M+H]+， 100%}。

(3)3a～3h的微波合成(以3a為例)

在反應(yīng)瓶中加入2346 mg(1.0 mmol)的乙醇(15 mL)溶液，苯甲醛(Ⅰa)2.0 mmol的乙醇(10 mL)溶液，放入微波爐，裝上冷凝管于240 W(100 mA)反應(yīng)10 min～15 min。減壓蒸去溶劑后經(jīng)硅膠柱層析[梯度洗脫劑：A=V(CH2Cl2) ∶V(THF)=50 ∶1～100 ∶1]純化得3a。

用類似的方法合成3b～3h。

3a: 淡黃色晶體，產(chǎn)率89%， m.p.245 ℃～246 ℃；1H NMRδ： 9.75(s, 2H, CONH), 8.70(s, 2H, N=CH), 8.69～7.16(m, 22H, ArH)； IRν： 3 320， 1 662， 1 587， 1 523， 1 443 cm-1； ESI-MSm/z: 523{[M+H]+， 100%}； Anal.calcd for C34H26N4O2: C 78.14， H 5.01， N 10.72； found C 78.10， H 5.09， N 10.75。

3b: 黃色晶體，產(chǎn)率91%， m.p.235 ℃～236 ℃；1H NMRδ： 9.66(s, 2H, CONH), 8.70(d,J=1.6 Hz, 2H, N=CH), 8.68～7.16(m, 20H, ArH)； IRν： 3 353， 1 666， 1 630， 1 586， 1 522， 1 441， 1 080 cm-1； ESI-MSm/z: 591{[M+H]+， 100%}； Anal.calcd for C34H24N4O2Cl2: C 69.04， H 4.09， N 9,47； found C 69.03， H 4.10， N 9.49。

3c: 黃色晶體，產(chǎn)率93%， m.p.238 ℃～239 ℃；1H NMRδ： 9.70(s, 2H, CONH), 9.13(s, 2H, N=CH), 8.71～7.18(m, 20H, ArH)； IRν： 3 361， 1 655， 1 619， 1 587， 1 527， 1 446， 1 060 cm-1； ESI-MSm/z: 591{[M+H]+， 100%}；Anal.calcd for C34H24N4O2Cl2: C 69.04， H 4.09， N 9.47； found C 69.10， H 4.05， N 9.44。

3d: 黃色晶體，產(chǎn)率88%， m.p.242 ℃～243 ℃；1H NMRδ： 9.68(s, 2H, CONH), 8.67(d,J=8.0 Hz, 2H, N=CH), 8.62～7.16(m, 20H, ArH)； IRν： 3 353， 1 665， 1 585， 1 521， 1 441， 1 063 cm-1； ESI-MSm/z: 679{[M+H]+， 100%}； Anal.calcd for C34H24N4O2Br2: C 60.02， H 3.56， N 8.23； found C 60.09， H 3.52， N 8.21。

3e: 黃色晶體，產(chǎn)率84%， m.p.222 ℃～223 ℃；1H NMRδ： 9.85(s, 2H, CONH), 8.65(d,J=8.0 Hz, 2H, N=CH), 8.58～7.00(m, 20H, ArH), 3.89(s, 6H, OCH3)； IRν：3 363， 2 969， 1 673， 1 598， 1 516， 1 442 cm-1； ESI-MSm/z: 583 {[M+H]+， 100%}； Anal.calcd for C36H30N4O4: C 74.21， H 5.19， N 9.63； found C 74.11， H 5.23， N 9.68。

3f: 黃色晶體，產(chǎn)率90%， m.p.239 ℃～240 ℃；1H NMRδ： 9.97(s, 2H, CONH), 8.66(d,J=7.6 Hz, 2H, N=CH), 8.52～6.75(m, 20H, ArH)， 3.06(s, 12H, CH3)； IRν： 3 376， 2 895， 1 669， 1 592， 1 526， 1 440 cm-1； ESI-MSm/z: 613{[M+H]+，100%}； Anal.calcd for C38H36N6O2: C 74.98， H 5.96， N 13.81； found C 74.88， H 5.99， N 13.85。

3g: 黃色固體，產(chǎn)率82%， m.p.231 ℃～232 ℃；1H NMRδ： 9.81(s, 2H, CONH), 8.90(s, 2H, N=CH), 8.81～7.01(m, 20H, ArH)； IRν： 3 370， 1 668， 1 588， 1 526， 1 441， 1 344 cm-1； ESI-MSm/z: 613{[M+H]+， 100%}； Anal.calcd for C34H24N6O6: C 66.66， H 3.95， N 13.72； found C 66.61， H 3.99， N 13.75。

3h: 黃色固體，產(chǎn)率88%， m.p.228 ℃～229 ℃；1H NMRδ： 9.77(s, 2H, CONH), 8.70(d,J=8.0 Hz, 2H, N=CH), 8.64～7.06(m, 20H, ArH), 3.87(s, 6H, OCH3)； IRν： 3 362， 2 969， 1 673， 1 595， 1 516， 1 442 cm-1； ESI-MSm/z: 583{[M+H]+， 100%}； Anal.calcd for C36H30N4O4: C 74.21， H 5.19， N 9.62； found C 74.25， H 5.15， N 9.66。

(4)3a～3h的常規(guī)合成

在反應(yīng)瓶中加入2346 mg(1.0 mmol)的乙醇(40 mL)溶液，攪拌下加入芳醛2.0 mmol的乙醇(10 mL)溶液，回流(75 ℃)反應(yīng)8 h～12 h。減壓蒸除溶劑后經(jīng)硅膠柱層析(梯度洗脫劑A)純化得3a～3h，產(chǎn)率30%～40%。

2 結(jié)果與討論

2．1 合成3的條件篩選

以合成3a為模板，考察了微波功率、輻射時(shí)間等對(duì)合成3的影響。

(1) 微波功率

微波輻射10 min，其余反應(yīng)條件同1.2(3)，考察微波功率對(duì)合成3a的影響，結(jié)果見表1。表1結(jié)果表明，最佳微波功率為240 W。

表 1 微波功率對(duì)合成3a的影響*Table 1 Effect of microwave powers on synthesizing 3a

*微波輻射10 min，其余反應(yīng)條件同1.2(3)

表 2 微波輻射時(shí)間對(duì)合成3a的影響*Table 2 Effect of irradiation time on synthesizing 3a

*微波輻射功率240 W，其余反應(yīng)條件同1.2(3)

(2) 微波輻射時(shí)間

微波輻射功率240 W，其余反應(yīng)條件同1.2(3)，考察微波輻射時(shí)間對(duì)合成3a的影響，結(jié)果見表2。 由表2可見，輻射時(shí)間以10 min為宜；時(shí)間過短，反應(yīng)不完全；時(shí)間過長(zhǎng)使副產(chǎn)物增多，產(chǎn)率降低。

由此可見，微波合成3a的最佳反應(yīng)條件為：21.0 mmol， Ⅰa2.0 mmol，在240 W微輻射10 min,收率60%。

(3) 微波合成與常規(guī)合成的比較

3a～3h的微波合成與常規(guī)合成的比較結(jié)果見表3。由表3可見，與常規(guī)合成方法相比，微波合成具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)反應(yīng)速度增大43～60倍，極大的縮短了反應(yīng)時(shí)間；(2)目標(biāo)物的產(chǎn)率得到較大的提高(微波法的產(chǎn)率在82%～93%,而常規(guī)法的產(chǎn)率在30%～40%)。因此微波合成法是一種安全、快速、高效的合成希夫堿型鉗形人工受體的好方法。

表 3 微波法與常規(guī)法合成分子鉗3的比較Table 3 Synthetic method comparison of 3 under microwave irradiation and conventional heating

表 4 3a， 3d， 3f， 3h與中性分子結(jié)合物的結(jié)合常數(shù)和自由能變化*Table 4 Association constants and free energy changes of neutral molecules with 3a， 3d， 3f， 3h

*以CHCl3為溶劑，室溫下測(cè)定

2．2 3a～3h對(duì)中性分子的識(shí)別作用

采用UV-Vis滴定法考察了3a，3d，3f，3h對(duì)客體鄰苯二胺、間苯二胺、對(duì)苯二胺、二苯甲酮等中性分子的識(shí)別性能(表4)，并測(cè)定了其結(jié)合常數(shù)(Ka)和自由能變化(-ΔGo)。從表4可以看出，3a，3d，3f，3h對(duì)所考查的中性分子具有良好的選擇性識(shí)別作用,其識(shí)別選擇性為：間苯二胺>鄰苯二胺>二苯甲酮>對(duì)苯二胺，識(shí)別作用的推動(dòng)力來自于主客體之間的氫鍵和π-π stacking作用。

[1] Torsten S, Uta P B, Frank G K,etal. Structure of molecular tweezer complexes in the solid state： NMR experiments, X-ray investigations, and quantum chemical calculations[J].J Am Chem Soc,2007,129:1293-1303.

[2] Peng X X, Lu H Y, Han T,etal. Synthesis of a novel triptycene-based molecular tweezer and its complexation with paraquat derivatives[J].Org Lett,2007,9:895-898.

[3] Rahul C, Jaswinder S, Yan L,etal. Addressable molecular tweezers for DNA-Templated coupling reactions[J].Nano Lett,2006,6:978-983.

[4] Maja P, Mihajlo E, Miljenko P,etal. A theoretical investigation of the geometries and binding energies of molecular tweezer and clip Host-Guest systems[J].J Chem Theory Comput,2005,1:1110-1118.

[5] 王健，張清華，牟其明. 芳酰胺-吖啶分子鉗對(duì)中性分子的識(shí)別性能Ⅱ.新型吖啶類分子鉗的研究[J].化學(xué)學(xué)報(bào),2005,63(23):2121-2125.

[6] 王毓江，唐黎明. 基于氫鍵作用結(jié)合的超分子聚合物[J].化學(xué)進(jìn)展,2006,18:308-316.

[7] Polshettiwar V, Varma R S. Microwave-assisted organic synthesis and transformations using benign reaction media[J].Acc Chem Res,2008,41:629-639.

[8] Katritzky A R, Angrish P. Efficient microwave assisted access to chiralO-(α-protected-aminoacy) steroids. Steroids,2006,71:660-669.

[9] 石培育， 趙志剛， 李曉蕊. 新的芳酰肼分子鉗人工受體的微波干法合成及其識(shí)別性能研究[J].有機(jī)化學(xué),2010,30(8):31220-1225.

[10] Li X R, Zhao Z G, Cheng Y Y,etal. Synthesis of novel arylhydrazide molecular tweezer artificial receptors based on deoxycholic acid using microwave irradiation[J].J Chem Res,2011,35(4):234-237.

[11] Li X R, Zhao Z G, Li G H,etal. Preparation of novel molecular tweezers based on 3,6-O-(2-acylhydrazinocarbonyl) esters of hyodeoxycholic acid using microwave irradiation[J].J Chem Res,2011,35(6):364-367.