一種光酸響應型[2] 輪烷分子梭的合成與表征

茆 敏， 劉 月， 楊 舜， 曲大輝

（華東理工大學化學與分子工程學院，結構可控先進功能材料及其制備教育部重點實驗室，上海 200237）

自從Stoddart 等[1]創造了首個分子梭后，人造分子機器迎來了巨大的發展機遇。由于刺激響應型的分子梭在機械互鎖的納米體系中具有獨特的穿梭運動能力，其在分子機器[2-5]、自修復材料[6-8]和可響應的超分子聚合物[9-11]的構建過程中具有非常廣泛的應用。這些功能和應用大多基于雙穩態的輪烷型分子梭，主要的調控策略包括酸堿、光熱和氧化還原刺激[12-14]。但是，如何在復雜的體系中選擇合適且高效的調控手段一直是亟待解決的難題。

光化學刺激被認為是調控分子機器的最有前景、最具應用價值的模式，因為光控不僅在時間和空間上具有精確性，而且具有簡便、清潔、無污染等優點[15]。光控輪烷型分子機器大多通過在輪烷骨架上引入偶氮苯或者二苯乙烯等光致異構化組件實現光控性能[16]。Harada 等[17]利用α-環糊精和偶氮苯衍生物上的相互作用形成以[2] 輪烷單元為聚合物主鏈的拓撲交聯，制備了一種水性光響應聚合物材料。但是在復雜的人造分子機器中，這類光致異構化基團通常難以完全實現異構化[18]。除了利用光致異構分子外，本課題組利用“光扳機”的策略調控輪烷型分子梭，雖然該方法轉化率高，但是既產生廢物又不是可逆過程[19]。

光致酸產生劑（光酸）是一種在光照下發生反應或解離的化合物，在這種反應或解離中，最終形成的光產物包括溶液或固體中的酸性物質。傳統的光酸化合物可分為兩大類：離子型和非離子型[20]。與傳統的利用自由基、陽離子或分解過程不同的是，許多化學家提出了“光引發-酸生酸”的替代方法，最常見的新型光酸系統是部花青(MEH)和螺吡喃(SP)的互變體系[21]。Liao 等[22]研究了在光照下，一系列部花青化合物的pH 如何從弱酸性（5.5）轉移到強酸性（3.2），因此認為它們可以用作氫的來源，催化費歇爾酯化反應以及改變pH 敏感聚合物的狀態。基于這類分子優異的光控釋酸的性質，Silvi 等[23]通過光控的部花青和螺吡喃光酸系統可逆控制擬輪烷的絡合和解離。因此在酸堿響應型主客體系統中，光誘導質子轉移機制是一種可利用光化學刺激間接可逆實現酸調控的有效策略。

目前為止，有關光酸對輪烷型分子梭調控作用的系統性的研究報道較少。本文設計和構建了利用光致酸產生劑部花青調控[2] 輪烷的梭動過程。部花青和螺吡喃在互變過程中可釋放和吸收質子，以此來控制[2] 輪烷R 分子梭“運動”和“靜止”狀態的多次可逆切換。利用核磁共振氫譜（1H-NMR）、核磁共振碳譜（13C-NMR）和高分辨質譜（HRMS）等手段確定輪烷分子梭結構的正確性，并通過變溫核磁共振氫譜計算分子梭中的聯吡啶嗡環（CBPQT4+）在桿上的穿梭速率。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

1H-NMR 的測定采用Bruker AM 400（400 MHz）和Bruker Ascend-600（600 MHz）核磁共振波譜儀進行表征，以四甲基硅烷（TMS）作為內標。13C-NMR由Bruker AM 400（100 MHz）核磁共振波譜儀進行表征。電噴霧質譜法（ESI-MS）用Waters LCT Premier XE 質譜儀測定。紫外-可見吸收光譜使用Shimadzu UV-1700/UV-3600 紫外光譜儀測試。

所有實驗操作未經特殊說明，均在惰性氣體（N2，Ar）的保護下以史萊克（Schlenk）無水、無氧操作技術的標準進行。實驗過程中所使用的溶劑和試劑均為市售分析純或化學純，除特別注明外，所有溶劑和試劑均未經實驗室進一步提純處理。相關中間體5[24], 7[25]分別根據有關參考文獻方法進行合成。

1.2 [2] 輪烷R 的合成路線

[2] 輪烷R 的合成路線及化合物1～7 的化學結構式如圖1 所示。

1.2.1 化合物1 的合成 500 mL 單口茄形燒瓶中加入四甘醇（50 g, 257 mmol）和三乙胺（6.2 g, 61.7 mmol），再加入300 mL 二氯甲烷（CH2Cl2）溶劑進行溶解，將反應容器置于0～5 ℃冰水浴下，用恒壓滴液漏斗緩慢滴加50 mL 對甲苯磺酰氯（TsCl, 9.8 g, 51.4 mmol）的CH2Cl2溶液，滴畢撤去冰浴，將反應液置于室溫下攪拌3 h，薄層層析色譜法跟蹤反應，直到化合物TsCl反應完畢。反應結束后，用飽和食鹽水（3×100 mL）洗滌，然后合并有機相，無水硫酸鈉（Na2SO4）干燥30 min，抽濾，取濾液旋干，得到粗產品無色油狀黏稠液體。粗產品采用硅膠柱層析（硅膠顆粒為200～300 目（48～75 μm），CH2Cl2）的方法進行純化，得到無色油狀液體化合物1 13.4 g，產率75%。1H-NMR(400 MHz, CDCl3， δ） 7.83 (d, J=8.5 Hz, 2H), 7.37 (d,J=8.5 Hz, 2H), 4.19 (t, J=8.5 Hz, 2H), 3.6～3.8 (m, 14H),2.48 (s, 3H)。13C-NMR (100 MHz, CDCl3，δ） 143.6,131.9, 130.3, 128.4, 83.7, 72.9, 71.1, 70.9, 70.7, 69.7,69.1, 62.2, 22.1。 HRMS (ESI) (m/z): [M+Na]+calcd for C15H24SO7Na: 371.113 5, found: 371.114 0。

1.2.2 化合物2 的合成 250 mL 單口茄形燒瓶中加入化合物1（10 g, 28.7 mmol）、1,5-二羥基萘（2.1 g,13.0 mmol）和碳酸鉀（5.4 g, 39.0 mmol），再加入100 mL N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶劑進行溶解，將反應容器加熱至90 ℃，氬氣氛圍下反應24 h。薄層層析色譜法跟蹤反應，直到化合物1,5-二羥基萘反應完畢。反應結束后，反應液冷卻到室溫，然后抽濾除去碳酸鉀，取濾液旋干，加入50 mL CH2Cl2溶解，用飽和食鹽水（3×50 mL）洗滌，然后合并有機相，無水Na2SO4干燥30 min，抽濾，取濾液旋干，得到粗產品。粗產品采用硅膠柱層析（硅膠顆粒為200～300目（48～75 μm），CH2Cl2與CH3OH 體積比30∶1）的方法進行純化，得到化合物2 4.0 g，產率60%。1H-NMR(400 MHz, CDCl3，δ） 7.87 (d, J=8.0 Hz, 2H), 7.35 (t,J=8.0 Hz, 2H), 6.85 (d, J=8.0 Hz, 2H), 4.27～4.33 (m,4H), 3.96～4.02 (m, 4H), 3.78～3.84 (m, 4H), 3.55～3.73(m, 20H)。13C-NMR (100 MHz, CDCl3，δ） 154.4, 126.8,125.1, 114.6, 105.8, 72.5, 71.0, 70.7, 70.3, 69.8, 67.9,61.7。 HRMS (ESI) (m/z): [M+H]+calcd for C26H41O10:513.269 4, found: 513.269 9。

1.2.3 化合物3 的合成 250 mL 單口茄形燒瓶中加入化合物2（4.0 g, 7.8 mmol）和三乙胺（0.78 g, 7.8 mmol），再加入100 mL CH2Cl2溶劑進行溶解，將反應容器置于0～5 ℃冰水浴中，用恒壓滴液漏斗緩慢滴加30 mL TsCl (1.0 g, 5.2 mmol)的二氯甲烷溶液，滴畢撤去冰浴，將反應液置于室溫下攪拌12 h，薄層層析色譜法跟蹤反應，直到化合物TsCl 反應完畢。反應結束后，用飽和食鹽水（3×100 mL）洗滌，然后合并有機相，無水Na2SO4干燥30 min，抽濾，取濾液旋干，得到粗產品無色油狀黏稠液體。粗產品采用硅膠柱層析（硅膠顆粒為200～300 目（48～75 μm），CH2Cl2與CH3OH 體積比100∶1）的方法進行純化，得到化合物3 1.75 g，產 率50%。1H-NMR (400 MHz, CDCl3，δ） 7.75 (d,J=8.4 Hz, 1H), 7.74 (d, J=8.4 Hz, 1H), 7.61 (d, J=8.0 Hz,2H), 7.21 (t, J=8.4 Hz, 2H), 7.12 (d, J=8.0 Hz, 2H), 6.68(d, J=8.4 Hz, 2H), 4.07～4.11 (m, 4H), 3.94～3.97 (m,2H), 3.77～3.81 (m, 4H), 3.58～3.62 (m, 4H), 3.51～3.55(m, 4H), 3.46～3.50 (m, 8H), 3.39～3.41 (m, 4H),3.35～3.37 (m, 2H), 2.2 (s, 3H)。13C-NMR (100 MHz,CDCl3， δ ） 154.2, 144.7, 132.8, 129.8, 127.7, 126.6,125.1, 114.5, 105.6, 72.4, 70.7, 70.5, 70.4, 70.4, 70.4,70.3, 70.1, 69.6, 69.3, 68.4, 67.8, 61.4, 21.4。 HRMS(ESI) (m/z): [M+H]+calcd for C33H47O10S: 667.278 3,found: 667.278 0。

圖 1 [2] 輪烷R 的合成路線Fig. 1 Synthetic route of [2]rotaxane R

1.2.4 化合物4 的合成 250 mL 單口茄形燒瓶中加入化合物3（1.75g, 2.6 mmol）、2,6-二異丙基苯酚（0.7 g,3.9 mmol）和碳酸鉀（0.72 g, 5.2 mmol），再加入100 mL乙腈溶劑進行溶解，將反應容器加熱至90 ℃回流，氬氣氛圍下反應24 h。薄層層析色譜法跟蹤反應，直到化合物3 反應完畢。反應結束后，反應液冷卻到室溫，然后抽濾除去碳酸鉀，濾液旋干后加入50 mL CH2Cl2溶解，用飽和食鹽水（3×50 mL）洗滌，然后合并有機相，無水Na2SO4干燥30 min，抽濾，取濾液旋干，得到粗產品。粗產品采用硅膠柱層析（硅膠顆粒為200～300 目（48～75 μm），CH2Cl2與CH3OH 體積比120∶1）的方法進行純化，得到化合物4 1.4 g，產率80%。1H-NMR (400 MHz, CDCl3，δ） 7.87 (d, J=7.8 Hz,2H), 7.34 (t, J=7.8 Hz, 2H), 7.09 (s, 3H), 6.84 (d, J=7.8 Hz, 2H), 4.31 (t, J=4.9 Hz, 4H), 3.68～4.02 (m, 26H),3.59 (t, J=4.6 Hz, 2H), 3.39 (m, 2H), 1.22 (d, J=6.9 Hz,12H)。13C-NMR (100 MHz, CDCl3，δ） 154.6, 153.3,142.1, 127.0, 125.4, 124.9, 114.9, 105.9, 74.1, 72.8, 71.3,71.27, 71.2, 71.1, 71.04, 71.0, 70.9, 70.8, 70.6, 70.1,68.2, 68.1, 61.9, 26.5, 24.4。 HRMS (ESI) (m/z):[M+H]+calcd for C38H57O10: 673.394 6, found: 673.394 2。1.2.5 化合物6 的合成 100 mL 單口茄形燒瓶中加入化合物4（1.4 g, 2.1 mmol）、化合物5（325 mg, 1.05 mmol）、偶氮二甲酸二乙酯（DEAD, 402 mg, 2.31 mmol）和三苯基膦（PPh3, 606 mg, 2.31 mmol），再加入45 mL CH2Cl2和9 mL DMF 的混合溶劑進行溶解，將反應容器用鋁箔紙包住避光，氬氣氛圍下常溫反應12 h。薄層層析色譜法跟蹤反應，直到化合物4 反應完畢。反應結束后，旋干反應液中的二氯甲烷后加入50 mL乙酸乙酯溶解，用飽和食鹽水（3×90 mL）洗滌，然后合并有機相，無水Na2SO4干燥30 min，抽濾，取濾液旋干，得到粗產品。粗產品采用硅膠柱層析（硅膠顆粒為200～300 目（48～75 μm），CH2Cl2與CH3OH 體積比100∶1）的方法進行純化，得到化合物6 1.0 g，產率60%。1H-NMR (400 MHz, DMSO-d6，δ） 10.14 (s, 2H),7.69～7.74 (m, 7H), 7.34～7.39 (m, 4H), 7.06～7.10 (m,6H), 6.97 (d, J=8.0 Hz, 4H), 4.22～4.26 (m, 8H),4.09～4.11 (m, 4H), 3.87～3.90 (m, 8H), 3.78～3.80 (m,4H), 3.55～3.72 (m, 32H), 3.49～3.53 (m, 8H), 2.59～2.70(m, 8H), 1.14 (d, J=4.0 Hz, 24H)。13C-NMR (100 MHz,DMSO-d6，δ） 173.7, 173.1, 153.6, 149.6, 148.7, 141.5,139.9, 128.2, 125.2, 123.9, 123.7, 115.6, 111.7, 107.6,74.2, 70.4, 70.1, 66.9, 32.1, 28.9, 27.6, 23.6。 HRMS(ESI) (m/z): [M+Na]+calcd for C89H123N3O24Na:1 640.838 9, found: 1 640.869 3。

1.2.6 目標化合物[2] 輪烷R 的合成 50 mL 單口茄形燒瓶中加入化合物6（1.0 g, 0.62 mmol）、化合物7（220 mg, 0.31 mmol）、1,4-二(溴甲基)苯（82 mg,0.31 mmol）和碘化鈉（5 mg, 0.031 mmol），再加入15 mL DMF 進行溶解，氬氣氛圍下常溫反應5 d。薄層層析色譜法跟蹤反應，直到化合物7 反應完畢。反應結束后，旋干DMF 后加入50 mL 甲醇溶解，然后再加入10 mL 飽和六氟磷酸銨水溶液進行離子交換，常溫攪拌過夜。反應結束后用CH2Cl2（3×60 mL）萃取，合并有機相，無水Na2SO4干燥30 min，抽濾，取濾液旋干，得到粗產品。粗產品采用硅膠柱層析（硅膠顆粒為200～300 目（48～75 μm），CH2Cl2與CH3OH 體 積 比10∶1）的方法進行純化，得到紫色的目標化合物[2] 輪烷R 254 mg，產率30%。1H-NMR (400 MHz,CD3CN，δ） 10.01 (d, J=16.0 Hz, 2H), 8.81 (m, 2H),7.91～8.03 (m, 9H), 7.59～7.62 (m, 2H), 7.18～7.34 (m,9H), 7.02～7.12 (m, 6H), 6.82 (t, J=8.0 Hz, 2H),6.71～6.74 (m, 2H), 6.24～6.27 (m, 2H), 6.03 (s, 4H),5.94～5.99 (m, 2H), 5.89 (s, 4H), 5.76 (s, 8H), 4.30～4.31(m, 4H), 4.20～4.24 (m, 8H), 4.12～4.14 (m, 2H),4.03～4.09 (m, 8H), 3.95～3.99 (m, 6H), 3.90～3.92 (m,2H), 3.77～3.81 (m, 6H), 3.65～3.72 (m, 16H), 3.54～3.58(m, 10H), 3.45～3.47 (m, 2H), 3.30～3.37 (m, 4H),2.73～2.76 (m, 4H), 2.58～2.65 (m, 4H), 2.42 (d, J=8.0 Hz, 2H), 1.11～1.17 (m, 24H)。13C-NMR (100 MHz,DMSO-d6，δ） 173.7, 173.1, 153.6, 150.7, 149.6, 148.7,144.6, 141.5, 139.9, 131.4, 128.9, 128.2, 126.5, 125.2,123.9, 123.7, 115.6, 111.7, 107.6, 74.2, 70.4, 70.1, 66.9,59.6, 32.1, 28.9, 27.6, 23.6。 HRMS (ESI) (m/z): [M-3PF6]3+calcd for C125H155PF6N7O24: 761.359 4, found:761.359 0。

2 結果與討論

2.1 [2] 輪烷R 的核磁共振氫譜表征

采用核磁共振氫譜對目標化合物[2] 輪烷R 的分子結構進行了分析確認，如圖2 所示。化學位移10.01 處的雙峰為酰胺鍵氮原子上的質子峰，8.81 處的雙峰是CBPQT4+大環吡啶上鄰近氮原子的質子峰，7.59～7.62 處 的 多 重 峰、6.82 處 的 三 重 峰 和6.71～6.74 處的多重峰是未被CBPQT4+大環絡合的萘環上的質子峰，6.24～6.27 處的多重峰、5.94～5.99 處的多重峰和2.42 處的雙峰是被CBPQT4+大環絡合的萘環上的質子峰，1.11～1.17 處的多重峰是封堵基團上甲基上的質子峰。由于CBPQT4+大環與萘環的靜電作用，被CBPQT4+大環絡合的萘環上質子峰的化學位移移向高場，3、4、5 位質子峰的化學位移遠大于6、7、8 位質子峰的化學位移。夸張的是，8 位質子峰受到屏蔽作用的影響，化學位移竟然從芳香區移到了2.42。由于CBPQT4+大環絡合在一個萘環上，穿梭運動很慢，封堵基團a 上的質子峰由雙峰裂分為四組峰。

2.2 部花青與螺吡喃互變過程

部花青和螺吡喃的轉換過程的紫外-可見吸收光譜如圖3 所示。初始狀態下，部花青溶解于乙腈（298 K, 1.0×10?5mol/L），于420 nm 處有一個特征吸收峰，在419 nm 的光照（3×1 min）下，420 nm 處的吸收峰劇烈降低，在300 nm 處產生了一個新的吸收峰。對比螺吡喃的吸收峰可知，300 nm 處的吸收峰是螺吡喃的特征吸收峰，由此可知，在419 nm 的光照下，部花青轉換為螺吡喃。然后將此溶液放置在暗處避光10 min，發現300 nm 處的吸收峰消失，420 nm處的特征吸收峰重新出現，由此可知，在暗處放置10 min后，螺吡喃轉換為部花青。

圖 3 MEH 與SP 互變過程（a）的紫外-可見吸收光譜（b）Fig. 3 UV-Vis absorption spectra (b) of the conversion between MEH and SP(a)

2.3 [2] 輪烷R 的動力學研究

采用一系列變溫核磁共振氫譜(CD3CN, 600 MHz,3.1 mmol/L)研究[2] 輪烷 R 的動力學性能，如圖4 所示。隨著溫度的升高，核磁共振氫譜中封堵基團上甲基氫的位移信號峰越來越窄，并且從298 K 時的四組峰逐步變為338 K 時的雙峰，根據核磁共振氫譜的線形分析理論（LSA），說明分子由不對稱逐步轉為對稱結構，即CBPQT4+大環在298 K“靜止”在分子一端的萘環上，此時穿梭速率為4.24 s?1；溫度升高后，CBPQT4+大環逐步在分子兩端的兩個萘環之間運動，大環穿梭的速率越來越快，在338 K 時，CBPQT4+大環在桿狀組分上處于“運動”狀態，此時穿梭速率為242.01 s?1。

進一步研究了光酸調控[2] 輪烷R 的穿梭速率。因為在常溫（298 K）下，CBPQT4+大環“靜止”在分子一端的萘環上，不是運動狀態，所以選擇在338 K下進行核磁共振氫譜對比。如圖5（a）所示，初始狀態（338 K）下，CBPQT4+大環在分子兩端的兩個萘環之間運動，核磁共振氫譜中封堵基團上甲基氫是雙峰，加入光酸部花青后，用419 nm 光照30 min，甲基氫由雙峰變為四組峰（見圖5（b）），它不是完全裂分的四重峰，更像是完全裂分的四重峰和原雙峰的疊加，說明部花青轉換為螺吡喃并釋放氫質子（見圖3（a）），氫質子被[2] 輪烷R 上的吡啶捕獲形成空間位阻，一部分分子梭中CBPQT4+大環“靜止”在分子一端的萘環上，另一部分分子梭仍然保持初態，分子梭中CBPQT4+大環在分子兩端的兩個萘環之間運動。將溶液放置在暗處12 h 后，a 質子峰由四組峰變為雙峰，螺吡喃SP 奪取氫質子轉換為部花青，[2] 輪烷R 分子中間的空間位阻消失，CBPQT4+大環在分子兩端的兩個萘環之間運動，完全處于“運動”狀態。這種循環可以重復很多次。

圖 5 (a)光酸調控“靜止”與“運動”狀態過程的示意圖；(b)光酸調控“靜止”與“運動”狀態過程的核磁氫譜對比Fig. 5 (a) Schematic representation of photoacid controlled STOP-GO process; (b) 1H-NMR spectra of photoacid controlled STOP-GO process

3 結束語

采用模板法成功合成了具有光酸響應的[2] 輪烷分子梭R。在初始狀態（338 K）下，CBPQT4+大環在分子兩端的兩個萘環之間運動，分子梭處于“運動”狀態；加入光酸（部花青）后，用419 nm 光照，部花青轉換為螺吡喃并釋放氫質子，氫質子被[2] 輪烷R 上的吡啶捕獲形成空間位阻，分子梭中CBPQT4+大環“靜止”在桿狀分子一端的萘環上。將體系放置在暗處后，螺吡喃奪取氫質子轉換為部花青，[2] 輪烷R 分子中間的空間位阻消失，CBPQT4+大環在分子兩端的兩個萘環之間運動，分子梭恢復“運動”狀態。因此，光誘導質子轉移是一種高效、綠色的可實現輪烷調控的策略，為設計和應用光響應分子機器提供了新的思路。