1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

大环主体化合物是构建超分子化学的重要基础之一。基于大环主体化合物的主客体体系也是超分子化学的重要内容。新型大环主体分子的制备在化学领域是推动超分子化学迅猛发展的一个非常重要的因素。柱芳烃作为第三代超分子主体化合物，具有独特的空腔结构。由于它具有结构灵活、多变、上下缘易于修饰的特点，使得柱芳烃及其衍生物具有高度自主选择性，能够与多种客体分子结合。在超分子化学的发展过程中， 寻找、设计并合成新的超分子主体一直是人们研究的重点。泛用于分离与提取，所以柱芳烃及其衍生物对客体分子表现出特殊的识别能力，能够被广泛应用于色谱分离、化学传感器、治理污染、生命科学等领域，从而极大丰富了超分子化学的研究内容。

2008年，Ogoshi等^[1]发现了一种对位的柱芳烃类似物，以1,2-二氯乙烷为溶剂，1,4-二甲氧苯和多聚甲醛在三氯化硼乙醚的催化下，制备出了带有十个甲氧基的[1⁵]PCP（22%）和线状聚合物，将其命名为柱[5]芳烃(Pillar[5]arene，Fig1.1)。目前，合成和研究较多的柱芳烃化合物主要是五元和六元环结构。每一类大环的出现和研究都大大推动了超分子化学的快速发展。由于柱芳烃独特的化学和空间结构，引起了国内外研究者的广泛关注，研究成果不断涌现，包括柱芳烃的设计与合成、功能化及主客体化学等。

Fig1 柱[5]芳烃的结构

1、柱芳烃的结构与构象

在主客体化学中，主体分子的空间结构对其主客体性质起着决定性的作用。因此，确定主体分子的结构是其主客体化学研究的基础。柱芳烃是一类新型的主体分子，其结构与[1⁵]对位连接的环番类似^[2]。在空间结构上，柱芳烃是对称的柱状结构，具有更加刚性的骨架，在几何结构上和葫芦[n]脲类似，但葫芦[n]脲的结构进一步修饰比较困难。与杯状的杯芳烃相比，柱[5]芳烃具有对称性更高的结构。

环化五聚物是柱芳烃中常见的化合物，环化六聚物的产率较低(10%)，其主要原因是受到亚甲基桥键角张力的制约。从X-ray晶体图看，从侧面看分子呈柱状(Fig2)，从顶视图可知，柱芳烃呈正多边形。成环单元数分别为5,6,7的柱芳烃相应的称为柱[5]芳烃，柱[6]芳烃和柱[7]芳烃。环化四聚物需要-CH₂-键角为90⁰，而环化六聚物需要-CH₂-键角为120⁰，均为不稳定结构。单晶数据显示在1,4一二甲基取代柱[5]芳烃结构中,柱芳烃中的两个桥碳之间的夹角（Ar-CH₂-Ar）约为111.3⁰，与sp³杂化碳原子轨道键角109. 5⁰和五边形的内角108⁰都非常接近。因此，在无模板和其它控制因素的条件下，环化五聚物是环化反应中最主要的产物。且pillar[5]arene 具备较为稳定的结构。其内部空腔半径约为4.7 ，与葫芦脲[6]的内部空腔半径（~5.8）环糊精的内部空腔半径较为接近(~4.7)。因此，柱[5]芳烃应该能和线性的烷烃以及含有阳离子或吸电子基团的简单芳香分子形成主客体配合物。

Fig 2 Crystal structure of DMpillar[5]arene from the side(a) and upper view(b)

2、柱芳烃的合成

在过去的20多年中，作为继环糊精和冠醚之后的第三代超分子化合物，杯芳烃及其衍生物以其独特的结构和优异的性能引起了广大科研工作者的兴趣。这主要是因为杯芳烃类化合物在诸多领域的广泛应用，如气体吸附、纳米管道、催化剂、DNA识别和富勒烯化学等。并且随着研究的进一步深入，在越来越多的科学领域将看到杯芳烃的身影，更多的用途正在不断被开发出来。

2006年，Nakamoto等人以对苯二甲醚和1,4-双（溴甲基）-2,5-二甲氧基苯为原料，以硫酸作催化剂做聚合反应时偶然以较低的产率合成了一种五元环状寡聚物（Fig 3）但是他们没有进一步进行研究^[1]。

Fig 3 Synthesis of cyclic pentamer of 1,4-dimethoxy-benzene-formaldehyde copolymer

但在2008年，Ogoshi课题组报道了一种[1⁵]PCP衍生物的合成(Fig.4 )^[2]。对苯二甲氧苯和多聚甲醛在三氟化硼乙醚的催化下，于1,2-二氯乙烷溶液中反应3h后形成了带有十个甲氧基的[1]PCP ( 22%)和线状聚合物，参与反应的各个试剂都是等当量的，其他烷氧基取代的柱芳烃也可以通过该方法制备。但是没有发现其它的环状聚合物。得到的这种环状化合物（[15]PCP衍生物）是由五个二甲氧基苯组成的五边形环状化合物，且其晶体结构为柱状，因此根据杯芳烃的命名方式其被命名1,4-dimethoxypillar[5]arene(DMpillar[5]arene, 1,4-二甲氧基柱[5]芳烃)。随后，Ogoshi课题组通过优化实验条件把DMpillar[5]arene的产率提高到了71%^[3]。

Fig.4 Condensation of 1,4-Dimethoxybenzene with Lewis Acids

2009年，华南理工大学的曹德榕教授的课题组给出了另一种合成柱芳烃的方法(Fig.5)^[4]。他们以对甲苯磺酸为催化剂，2,5-bis(benzyloxymethyl)-1,4-dimethoxybenzene为原料在二氯甲烷中回流聚合(95%)得到一系列不同烷基的DMpillar[5]arene。当重复单元上的烷基为乙基和正丁基时，他们甚至得到了一种新的柱芳烃，柱[6]芳烃。这是一种由六个重复单元构成的柱芳烃。但他们后来发现当把2,5-二苯甲氧基换成2,5-

二乙甲氧基时反应的产率更高（约92%）。

Fig.5 Preparation of pillar[5]arenes and pillar[6]arenes

在这两种方法基础上通过改变反应条件，化学家们发展了多种新的柱芳烃合成方法，并用这些方法不仅提高了柱[6]芳烃的产率还制备出了新的柱芳烃。例如，曹德榕课题组采用1,4一二烷氧基苯和多聚甲醛为反应物，以三氯化铁为催化剂，在氯仿中反应得到相应的柱[[5]芳烃和柱[6]芳烃。但是这种方法合成的柱[6]芳烃产率比较低，不利于作进一步的科学研究，于是为了提高柱[6]芳烃的产率，他们又提出了一种新的合成柱[6]芳烃的方法^[5]，利用多聚甲醛和对二烷氧基苯为原料，三氯化铁（FeCl₃）为催化剂，CHCl₃作为溶剂，30℃下反应2-3小时，得到了对应的柱[5]芳烃和柱[6]芳烃，将合成柱[6]芳烃的产率提高到45%。（Fig6）

Fig 6. A new method preparation for Pillararenes

随着柱芳烃研究的深入,侯军利课题组在前人工作的基础上，以对苯二乙醚和多聚甲醛为反应物，以三氟化硼乙醚为催化剂，在CHCl₃中25℃下反应20分钟，分离得到相应的柱[5]芳烃、柱[6]芳烃、柱[7]芳烃、柱[8]芳烃、柱[9]芳烃和柱[10]芳烃(Fig 7) ^[6]的晶体结构。

Fig 7. 水溶性柱[6,7,9,10] 芳烃的合成

杨英威课题组在二氯甲烷溶液中用三氟甲擴酸催化对二焼氧基苯和多聚甲醛

的成环反应，给出比较高的产率。

以上四种是合成柱[5]芳烃的常用方法。除第一种方法外，随着烷氧基取代基体积的增大，反应产生的柱[6]芳烃比例会增加。因此增大取代基团的体积是制备柱[6]芳烃的常用方法。

此外，马英杰课题组采用两种不同的烷氧基苯通过共聚的方法合成了含有不同重复单元的柱[5]芳烃(Fig.7 )^[7]。通过这种方法合成了三种不同的共聚柱芳烃。采用非对称的单体又合成了非对称的柱芳烃(Fig.8 )^[8]。

Fig.7 Preparation of Pillar[5]arenes by oligomerization of hydroquinone diethers.

Fig.8 Synthesis of four constitutional isomers.

而且，另外，Ogoshi 等 ^[9] 合成了两亲性柱[5]芳烃（AP5），如Fig 9(a)，研究发现，此柱[5]芳烃衍生物对 KMnO ₄ 氧化烯烃具有很好的催化效率及底物选择性。Zhou 等 ^[10] 合成了第一个两亲性柱[6]芳烃（AP6），如Fig 9 (b)，并研究了其在水溶液中自组装形态的变化，其结构如Fig 9 (c)所示。

大量柱芳烃衍生物的合成，进一步优化了柱芳烃的性质， 使其在主客体化学方面的应用更加广泛。

Fig 9 两亲性柱[5]芳烃、两亲性柱[6]芳烃的合成方法及两亲性柱[6]芳烃

在胶束与囊泡间的转化

3、柱芳烃的主客体性质

对于大环主体的主客体性质的研究是一个重点问题，可以说，超分子化学的诞生和发展与主客体化学密不可分。柱[5]芳烃由五个富电子的1,4-二烷氧基苯单元组成，因此它的空腔具有富电性，可以与一些缺电子的客体相结合。首先，它有一个相对来说比较刚性的骨架，并且整个结构的对称性非常好；其次，由于它的重复单元是多个芳香环体系，所以柱[5]芳烃含有丰富的电子腔能够通过大量的π与C-H的相互作用驱动把溶液中的中性客体和线性烷基混合；最后，柱芳烃的较为容易的衍生化特点可以为它引入丰富多彩的主客体性质。

作为新一代的大环主体分子，柱芳烃的衍生化同样也受到科研工作者的关注。柱芳烃衍生物大致可以分为三类：第一类是烷基柱芳烃即油溶性柱芳烃，第二类是水溶性柱芳烃，带三类是两亲性柱芳烃。

烷基化柱芳烃

从2008年到现在，柱芳烃的研究一直是超分子化学的热点。全烷基柱芳烃是合成最早，也是合成最为简便的柱芳烃，并且它又是许多衍生化了的柱芳烃的前提物。

Ogoshi 等 ^[11] 首次发现和报道新型柱状芳烃以来，开创了新型柱芳烃研究的先河，合成出 1,4-二甲氧基柱[5]芳烃并研究了其主客体化学性质，研究发现，与普通的杯芳烃的性质相似，1,4-二甲氧基柱[5]芳烃具有更高的对称性、刚性和富电子特性，可以与客体吡啶衍生物分子（C8BpyC8、C8Py、AdBpyAd）形成主客体包合物。现在人们对更大腔体柱[n]芳烃的研究也越来越多。刘陆智等^[12]以三氯化铁为催化剂高产率选择合成了特定类型的混柱[5]芳烃，并首次发现混柱[5]芳烃对卤代烃的络合性能，且混柱[5]芳烃的侧链对其客体的络合作用具有非常大的影响。Fan 等 ^[13] 首次研究了乙氧基柱[n]芳烃（n=5，6，7）主体分子对碳正离子客体分子的识别行为。

黄飞鹤课题组^[14]在制备共聚柱[S」芳烃的时候，惊讶地发现全烷基化柱芳烃晶体空腔内有个正己烷分子，用柱[5]芳烃和咪唑盐构建的[2]轮烷(Fig 10)，可以通过溶剂和热驱动分子运动形成超分子凝胶。证明了柱芳烃和正己烷分子之间存在C-H#8230;π的相互作用，扩大了柱芳烃在主客体识别的研究范围，但是它们的络合常数较低。李春举课题组利用烷基化柱[[5]芳烃和柱[6]芳烃内部空腔大小不同的特点有选择性的络合大小不同的二级铵盐客体(Fig 11) ^[16]，并研究了不同阴离子对于它们与全乙氧基柱芳烃主客体络合的影响(Fig 12)，后来又研究了柱[7]芳烃与金刚烷胺阳离子之间的主客体包结配位，通过核磁滴定的方法对它的主客体性质进行研究，发现金刚烷胺阳离子与1,4一二乙基柱[7]芳烃之间的键合常数高达1.2士0.3 x10⁵s M^-1，远远高于其与柱[[6]芳烃的键合常数。

Fig 10. Novel neutral guest recognition and interpenetrated complex formation

pillarj5]arenes.

Fig 11. Effective self-assembly of pillar-[5.6]arene/secondary ammonium salt

[2]pseudorotaxanes.

Fig12. Structures of pillar[5]arene/pillar[6]arene and secondary

Ammonium guests

Stoddart课题组也利用柱芳烃对客体分子的选择性，构建线性的超分子聚合物，他们发现柱[5]芳烃可以包括络合吡啶溴盐，而空腔较大的柱[6]芳烃可以包结络合体积较大的三乙烯二溴二胺溴盐[Figure 13]。

Fig 13. Chemical structures ofpermethylated pillar[5]arene (1 ), per-ethylated pillar[6]axene (2),guests containing trityl and pyridinium groups (3),

and trityl and DABCO canon moieties (4) at both end

图13 柱[[5,6]芳烃对吡啶基团和1,4一二氮杂双环[[2.2.2]辛烷选择性络合示意图

通过对全烷氧基化柱芳烃主客体性质的研究我们可以发现，到目前为止，除了柱[10]与客体发生了1:2的络合以外，其他的都是以1:1的比例进行络合。并且一般情况下它们的主客体络合都是在氯仿或者二氯甲烷这类低极性的溶剂中实现的，而对于丙酮或者极性更大的溶剂，络合作用就要小很多，甚至没有络合现象的产生。这可能由于它们的主要络合驱动力是C-H#8230;π和氢键等这类较弱而又容易受到溶剂极性影响的作用力。

全羧基化柱芳烃

经脱烷基化反应所得的全羟基化柱芳烃在溶解度、 空间结构、 反应活性等方面均有所改善。全烷基化柱[5]芳烃用BBr₃处理脱去烷基，就得到了全羟基化柱[5]芳烃(Fig.14.)。它是由电子给体对苯二酚重复单元组成的，在其上下边缘都分布有酚羟基。因此，其对电子受体4,4一联毗淀六氟磷酸盐有较高的亲和性。Ogoshi等^[17]研究发现，柱[[5]芳烃(PSA)在丙酮中能够与紫精和吡啶盐衍生物形成1:1的主一客体配合物。而对于客体金刚烷基紫精，由于末端的金刚烷基团体积太大不能与P5A形成配合物(Fig.15)。这说明虽然全羧基柱[5]芳烃在去掉烷基后，它的空间位阻变小，但是由于空腔内部的尺寸还是有限，金刚烷分子依然无法通过。随后，李春举 ^[18] 课题组研究了柱[5]芳烃在丙酮溶液中分别与一系列的百草枯（N,N'-二甲基-4,4'-联吡啶）及其衍生物（G1#903;2PF 6 -G5#903;2PF 6 ）和联吡啶及其衍生（G6#903;2PF 6 -G14#903;2PF 6 ）的包合作用，发现 P5A 与前者形成 2∶1 外部包合型物质(Fig16)，与后者则形成 1∶1 准轮烷大分子化合物。

Figure 14.Preparation of per-hydroxylatedpillar[5]arenes

Figure 15. Host-guest complexation of pillar[5]arene and guests.

Figure 16. Two fifferent modes of binding interaction between per-hydroxylatepillar[5]arene and C8BpyC8

水溶性柱芳烃

自然界的生命体中存在众多的识别体系，用以维持生物体内大环境的正常的运转。利用超分子化学的理论去探索和模拟生物体内的识别机制一直以来都是研究的热点。全烷基的柱芳烃在脱去烷基链以后引入亲水性基团，就可以制备水溶性柱芳烃。Ogoshi课题组在柱[5]芳烃的上下边缘衍生化生化COO^-得到了一种水溶性的柱[5]芳烃^[19]。它可以在水溶液中络合甲基紫阳离子形成1:1的络合物。客体存在于水溶性柱[5]芳烃的空腔内降低了柱芳烃构象的自由度(Fig17.)。侯军利等^[20]发现在不同 pH 值氘代水溶剂中，水溶性柱[5]芳烃对烷基二酸都具有很好的识别性能，包合常数为 1.5#215;10 ⁴ ～7.2#215;10 ⁴L/mol，再加入一定量三乙胺时，两者形成了稳定性很好的端口封锁[2]准轮烷的结构，疏水及离子对静电作用起到了非常大的促进作用，而加入的三乙胺加强了离子对间的静电作用,[2]准轮烷的收率及稳定性均明显增加，形成的包合物结构(Fig18)。

Fig17.Secematic representation of the formation of CP[5]A-modified AuNPs and their supramoleclar self-assembly of guest viologen molecules

图17. 水溶性柱芳烃稳定的金纳米颗粒与紫罗碱客体分子的络合示意图

图18.Hou#8217;s柱5芳烃、二酸和三乙胺形成[2]准轮烷

李春举课题组制备了三种双吡啶溴盐客体，并研究了它们与COO^-型水溶性柱芳烃在水中的络合性质（Fig19）^[21]。他们提到，在低浓度下，该柱[5]芳烃可以发生自我穿插，而在高浓度下联吡啶单元会插入另一个[5]芳烃的空腔内，再升高浓度可生产高分子聚合物。主客体之间存在有两种主要的作用力：亲疏水相互作用和静电相互作用。而当双吡啶客体的2-位上取代有甲基时，主客体之间存在两种可能的络合模型，一种是形成互穿的准轮院形式，另外一种则是客体的其中一端吡啶外沿与主体边沿通过静电力相互作用结合在一起。

Fig 19.Possible geometry structures of host-guest complexation

黄飞鹤课题组^[22]受到有机季铵阳离子盐大多数溶于水的启示，合成了水溶性羧酸盐柱[5，6，9，10]芳烃（WP5、WP6、WP9、WP10） ，与WP5、WP6 类似，WP9、WP10 分别与百草枯形成1∶1 稳定包合物，包合常数为（2.27#215;0.24）#215;10 ⁶ L/mol、 （1.25#177;0.21）#215;10 ⁷ L/mol，几种包合物强弱有所不同，主要是空腔尺寸与静电相互作用力的共同影响下产生的。这种柱芳烃在水溶液可以与阴离子型正辛烷磺酸钠客体分子发生络合，由于阴离子与柱芳烃的空腔的排斥作用，因而结合位点是中性的烷基链（Fig20）。

Fig 20. The formation of a host-guest complex from A cationic water-soluble pillar[5]arene and sodium 1-octanesulfonate G in water

图20. 阳离子型水溶性柱[5]芳烃与1-辛烷磺酸钠的络合示意图

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

课题开展全羧基柱[5]芳烃的制备及提纯。主要研究内容：

本文以对苯二甲醚和对多聚甲醚为实验原材料， 反应后倒入甲醇中，析出对二甲氧基柱[5]。对二甲氧基柱[5]和b₂br₃在chcl₃中在n₂保护下反应72h，生成对羟基柱[5]。 对羟基柱[5]和clch₃cooc₂h₅在n₂保护下加入k₂c0₃中和生成hcl,生成对二乙氧基羰甲氧基柱[5]。对二乙氧基羰甲氧基柱[5]在强碱溶液中回流反应24h,调节反应溶液ph,析出产物。