雙杯[4]芳烴衍生物的合成及對金屬離子的作用研究

湯偉強，周俊生，張曉梅

（安徽理工大學化學工程學院，安徽淮南 232001）

杯芳烴作為第三代超分子主體，其功能化研究不斷深入，雙杯芳烴的研究是目前杯芳烴化學的熱點之一。雙杯芳烴由兩個杯芳烴單元通過化學鍵聯結而成，與單杯芳烴相比，雙杯芳烴結構更復雜，性質也更為豐富多彩。雙杯芳烴研究最為深入的一類是雙杯[4]芳烴，按照橋聯位置的不同，可將雙杯[4]芳烴分成三類:上緣-上緣橋聯雙杯[4]芳烴；下緣-下緣橋聯雙杯[4]芳烴和上緣-下緣橋聯雙杯[4]芳烴。按照橋聯基團個數可分為:單橋聯雙杯[4]芳烴、雙橋聯雙杯[4]芳烴、三橋聯雙杯[4]芳烴及四橋聯雙杯[4]芳烴。雙杯[4]芳烴具有兩個相同或不相同的結合部位，可同時絡合兩個相同或不相同的底物，表現出特殊的協同作用和更強的絡合能力，在分子識別、包結、萃取、熒光探針等方面具有更廣闊的應用。Beer P D等以2，6-二（溴甲基）-4-苯甲酸甲酯為橋聯劑，與修飾后的杯[4]芳烴衍生物反應，研究結果發現，該化合物能夠選擇性地萃取UO。Budka J 等以14%收率合成了一種對Ag和K有很好識別能力的新雙杯[4]芳烴化合物。林梁斌等以“2+2”的反應模式合成了三種大共軛芳香基橋聯的雙杯[4]芳烴化合物。液液兩相萃取實驗表明，此類化合物對染料分子OI 和VB 具有很強的萃取能力。目前報道的雙杯[4]芳烴大部分都是通過兩個杯[4]芳烴單元與兩個雙官能團基團進行“2+2”縮合反應得到，該反應過程中往往伴隨著“1+1”縮合、聚合等副反應，分離較為困難，產率較低。

本文以自制對叔丁基杯[4]芳烴為原料，經多步反應得雙氨基（化合物3，4）及雙甲酰基（化合物5）杯[4]芳烴衍生物，采用“1+1”高度稀釋合成法，通過氨基與甲酰基的縮合反應，獲得兩個新雙杯[4]芳烴偶聯化合物6、7，利用HNMR、CNMR、FT-IR和MS（Maldi-tof）等表征手段證實化合物的結構（見圖1）。初步研究了11 種金屬離子對化合物6、7的紫外光譜影響。

圖1 合成路線Fig.1 Synthetic roadmap

1 實驗部分

1.1 主要試劑與儀器

氯乙酸乙酯；碘化鈉；無水三氯化鋁；水合肼，80%；三氟乙酸；冰醋酸；六次甲基四胺；無水碳酸鉀；濃硝酸；氫氧化鈉；N，N-二甲基甲酰胺；硝酸鈉；硝酸鉀；硝酸鎂；硝酸鋁；硝酸鋅；硝酸銅；硝酸鎳；硝酸鉛；硝酸鉻（III）；硝酸鎘；硝酸鈷（II）；硝酸鑭（III）；以上均為分析純。5，11，17，23-四叔丁基-25，26，27，28-四羥基-杯[4]芳烴（化合物1），自制；去離子水，自制。

DPX 300 超導傅立葉數字化核磁共振譜儀，瑞士BRUKER 公司；MALDI-TOF-MS 型 Autoflex Ⅲ 飛行時間質譜儀，德國BRUKER 公司；UV-2550型雙光束紫外可見分光光度計，日本島津公司；pHs-3C pH meter酸度計，上海宵盛儀器制造有限公司。

1.2 化合物的合成

1.2.1 杯[4]芳烴衍生物的合成

根據文獻[12-14]合成化合物2，3 及化合物4；根據文獻[15]合成化合物5。以上化合物經過熔點或HNMR確證。

1.2.2 四叔丁基雙杯[4]偶聯物化合物6的合成

將 0.11 g（0.15 mmol） 化 合 物 3 和 0.10 g（0.15 mmol）化合物5 置于三口燒瓶中，依次加入50 mL 氯仿和50 mL 無水甲醇，攪拌下加熱回流48 h，TLC 監測反應進程。反應結束后，蒸出大部分溶劑，加入適量甲醇，析出大量白色固體，抽濾，用適量二氯甲烷洗滌，干燥得0.14 g白色固體，收率66.7%。H NMR（400 MHz，CDCl）δ 8.17（s，2H，H-C=N）；7.50（s，2H，CONH，可交換）；7.31～7.42（m，4H，ArOH），6.82～7.13（m，18H，Ar-H）；4.57～4.68（m，8H，O-CH），4.22～4.35（m，12H，ArCHAr+CHCH）；3.40～3.51（m，8H，ArCHAr）；1.30（m，24H，-CH），0.98（m，18H，-CH）。CNMR（126MHz，DMSO- d） δ 169.20，164.58，154.39，151.72，133.47，129.69，128.13，126.32，72.40，61.59，33.79，31.84，31.34，14.03。IR（KBr）:1 680 cm，1 740 cm，1 608 cm。分子式：CHON；caculated：1 408；MS（Maldi-Tof）m/z：1 431[M+Na]；m/z：1 447.4[M+K]。

1.2.3 四氫基雙杯[4]偶聯物化合物7的合成

將0.12 g（0.2 mmol）化合物4和0.14 g（0.2 mmol）化合物5 置于三口燒瓶中，依次加入50 mL 氯仿和50 mL無水甲醇，攪拌下加熱回流48 h，TLC 檢測反應進程。反應結束后，蒸出大部分溶劑，加入適量甲醇，析出大量白色固體，抽濾，用適量二氯甲烷洗滌，干燥得0.18 g白色固體，收率85.7%。H NMR（400 MHz，CDCl）8.22（s，2H，H-C=N）；7.52（2H，CONH，可交換）；6.71～7.13（m，22H，Ar-H）；4.69～4.76（m，8H，OCH）；4.33～4.57（m，12H，ArCHAr+CHCH），3.47～3.56（m，8H，ArCHAr），1.32（t，6H，CH）。CNMR（126 MHz，DMSO-d），δ 169.16，164.52，155.52，152.69，134.05，133.08，129.61，128.61，125.93，125.49，119.99，72.82，61.56，31.09，14.45。IR（KBr）∶1 685 cm，1 740 cm，1 610 cm。分子式∶CHON；caculated：1 186；MS（Maldi-Tof）m/z:1 187[M+H]。

1.3 化合物6，化合物7與部分金屬離子的作用

1.3.1 化合物6和化合物7 的紫外光譜

分別配制0.1 mmol/L 化合物6 和化合物7 的DMF溶液，待用。用去離子水和硝酸分別配制4.0 mmol/L的KNO、Mg（NO）、A（lNO）、Zn（NO）、Cu（NO）、Co（NO）、N（iNO）、Cd（NO）、C（rNO）、Pb（NO）和La（NO）溶液，待用。

將濃度為0.1 mmol/L 化合物6 和化合物7 的DMF溶液用少量HNO和NaOH溶液分別調整成pH 1～12的濃度為0.01 mmol/L 的溶液，25℃下恒溫振蕩5 h，用紫外-可見分光光度計分別測定化合物6和7在不同pH體系中的紫外吸收光譜。

1.3.2 化合物6和化合物7對11種金屬離子的作用

分別將等體積的濃度為4.0 mmol/L 的11 種金屬離子溶液與濃度為0.1 mmol/L 的化合物6 的DMF 溶液混合，而后混合液在25℃下恒溫振蕩5 h，用紫外-可見分光光度計測定溶液的紫外吸收光譜。這些金屬離子對化合物7的作用研究方法同上。

2 結果與討論

2.1 化合物6和化合物7的合成

論文首先設計合成了具有雙活性官能團的杯[4]芳烴衍生物，即含雙氨基的化合物3、4和含雙甲酰基的化合物5。利用甲酰基和氨基可形成穩定席夫堿結構的性質，分別將化合物3、4的雙氨基與化合物5的雙甲酰基以分子間“1+1”環合形式形成具有亞胺結構的雙杯[4]芳烴偶聯物，化合物6、7的收率分別為66.7%和85.7%。由于化合物3、4 和化合物5 都是雙官能團分子，在反應過程中，除按預期進行雙分子“1+1”關環偶聯外，還可形成鏈狀高分子副產物。本文采用高度稀釋法，最終在氯仿/甲醇體系中得到中等以上收率的預期產物。

2.2 化合物6和化合物7的結構表征

用核磁共振（HNMR，CNMR）、紅外吸收光譜（FT-IR）及質譜（Maldi-tof）等手段對化合物6、7進行了結構表征。

化合物 6、7 的H NMR 和C NMR 分別見圖 2（a）（b）和圖3（a）（b）。

圖2 （a）化合物6的1H NMR（CDCl3）；（b）化合物7的′H NMR（CDCl3）Fig.21H NMR（CDCl3）of compound 6（a）and compound（7）

圖3 （a）化合物6的13C NMR（DMSO-d6）；（b）化合物7的13C NMR（DMSO-d6）Fig.313C NMR（DMSO-d6）of compound 6（a）and compound 7（b）

因化合物6、7 結構中含有局部對稱性，同時，還因部分質子化學環境相差不大，造成該部分質子的H NMR信號峰相互重疊，不利于共振峰的歸屬。不過，由于化合物6和7的結構中僅相差四個叔丁基，兩分子中許多質子具有相近的化學位移值。在低場，圖2（a）和圖2（b）中化學位移值分別在δ8.17（2H）及δ8.22（2H）的單峰歸屬為結構中的亞胺（H-C=N）質子；圖2（a）和圖2（b）中δ7.50（2H）及δ7.52（2H）的單峰為-CONH 的質子，該質子經DO交換后消失。圖2（a）和圖2（b）中δ 6.82～7.13（18H）及δ6.71～7.13（22H）的多組多重峰歸屬為芳質子（ArH）。在高場區，在圖2（a）和圖2（b）中化學位移處于δ3.40～4.76 都出現了三類的亞甲基質子（OCH、ArCHAr 和CHCH）的信號；尤其是，圖2（a）出現δ1.30 和 δ0.98 兩種甲基質子信號峰，而圖2（b）中只在δ1.32出現CHCH中CH質子的三重峰，說明化合物6 中含有叔丁基和與亞甲基相鄰的甲基，而化合物7 中只含有與亞甲基相鄰的甲基。

類似地，由于化合物6、7 的結構含有局部對稱性，同時，還有部分碳原子的化學環境相差不大，造成分子中部分碳原子的C NMR 信號峰相互重疊，化合物6、7的C NMR 信號峰的數目低于相應化合物中碳原子應出峰的數目。

在圖3（a）和圖3（b）中，δ164.6-169.2的共振峰歸屬為化合物6 和7 中的酯羰基（-C=O）和酰胺羰基（-CONH）碳；圖3（a）中δ126.3～153.3 的六個峰歸屬為化合物6 中的 Csp碳（Ar-C，C=N）的共振峰；圖3（b）中δ 120.0～153.5的九個峰歸屬為化合物7中的 Csp碳（Ar，C=N）的共振峰。此外，圖3（a）和圖3（b）都出現δ 約72及δ 約 61 的ArO-C 和乙氧基（OCHCH）中與氧相鄰碳原子的共振峰。在高場，圖3（a）在δ 約31～33.8出現三個峰，分別歸屬為亞甲基（ArCHAr）和叔丁基中的甲基碳，δ14.03 為乙氧基（OCHCH）中的甲基碳，而圖3（b）在此區域僅出現亞甲基（ArCHAr）和δ14.45 的乙氧基（OCHCH）中的甲基碳，這進一步表明，化合物7與6結構類似，但分子中沒有叔丁基。

對化合物6、7 進行了紅外光譜（FT-IR）表征，結構表明，化合物 6 和 7 分別在 1 741 cm、1 740 cm出現歸屬為酯C=O 的特征吸收峰，分別在1 680 cm、1 685 cm出現歸屬為酰胺羰基C=O 吸收峰，還分別在1 608 cm、1 610 cm出現歸屬為席夫堿中C=N 的特征吸收峰。因此，化合物5中甲酰基與化合物3、4中的酰肼氨基轉化成了亞氨基。

為進一步確證化合物6和7的結構，對它們進行了質譜（Maldi-tof）表征。結果表明，在化合物6的MS圖中出現了m/z 1 431.4[M+Na]和m/z 1 447.4[M+K]的準離子峰；在化合物7的MS（Maldi-tof）中出現m/z 1 187.4的準分子離子峰[M+H]。以上結果表明，化合物6和7為預期結構。

2.3 化合物6、化合物7對金屬離子的識別性能研究

2.3.1 化合物6和化合物7的紫外吸收及其與pH的關系

眾所周知，席夫堿（亞胺）對酸敏感，而多數金屬離子在酸性條件下才可避免形成金屬氫氧化物沉淀。由于化合物6及7結構中存在亞胺，本文研究了化合物6、7在不同pH體系中的紫外吸收光譜（UV 譜），結果見圖4（a）和圖4（b）。

圖4 （a）化合物6和（b）化合物7在不同pH體系中的紫外吸收光譜（C=0.01 mmol·L-1）Fig.4 UV spectra of compound 6（a）and 7（b）at different pH（C=0.01 mmol·L-1）

圖4（a）表明，化合物6的UV譜在pH為1～12范圍內基本不受影響；圖4（b）則表明，化合物7的UV譜在pH為1～10范圍內也基本不受溶液pH影響，但過高的pH，如pH＞10，其UV譜的峰形和峰位（λ）出現明顯變化，λ出現明顯紅移，分析原因，可能是由于化合物7 的游離酚羥基形成酚氧負離子，存在烯酮共振雜化體造成的（見圖5）。

圖5 pH＞10溶液中的化合物7分子Fig.5 A compound 7 molecule in solution with pH＞10

2.3.2 化合物6、化合物7對11種金屬離子的識別

在化合物6 和7 的DMF 溶液中加入所研究的11 種金屬離子并在25℃下恒溫振蕩5 h 后，它們的UV 譜見圖6（a）和圖6（b）。

圖6 部分金屬離子對化合物6（a）和7（b）紫外吸收光譜的影響Fig.6 Effects of metal ions on UV spectra of compounds 6 and 7

圖6（a）表明，與11 種金屬離子作用后，化合物6 的UV曲線的峰形和峰位無明顯變化，但吸收強度都明顯降低。與化合物6 在λ處的吸收強度相比，化合物6 與Cd、Pb和Mg作用后，吸收強度下降約50%。由圖6（b）可知，與各金屬離子作用后，化合物7的UV譜峰形無明顯變化，吸收強度都明顯降低。與化合物6不同的是，化合物7與K、Mg、Zn、Cd、Cu、Ni、Pb、Co和La等金屬離子作用后，其λ紅移了15～20 nm。以上結果表明，化合物6和7與所研究的金屬離子之間具有較強的相互作用，推測化合物6和7結構中存在多個空腔及多個可與正離子結合的位點如含氧的羥基、羰基，含氮的亞胺、酰肼氨基等。不同離子半徑及帶有不同電荷的金屬離子都能“找到”適合自己的結合位點，這樣，化合物6和7就喪失了對特定金屬離子的識別選擇性，卻提高了它們與眾多金屬離子作用的廣譜性。因此，化合物6和化合物7可作為金屬離子萃取劑，用于富集低濃度的金屬離子。

2.3.3 化合物7對Cd的作用

以上研究表明，化合物7 與某些金屬離子作用后，其UV 譜的吸收強度降低且λ發生紅移。為了解λ紅移的情況，本文以Cd為例，研究化合物7（0.05 mmol/L）與濃度分別為0.002～2.0 mmol/L 的Cd作用后，UV譜的變化，結果見圖7（a）。圖7（a）表明，當Cd濃度為0.002 mmol/L 和 0.02 mmol/L 時，其 UV 譜與化合物 7 母體的吸收曲線重合；當 Cd濃度為0.2 mmol/L 時，λ處吸收強度明顯降低，而當Cd濃度為2.0 mmol/l 時，λ發生紅移且吸收強度也略低于前者。分析認為，在濃度低于0.02 mmol/L 的Cd中，化合物7與Cd基本無相互作用，或作用力弱；當Cd濃度提高到0.2 mmol/L 及以上，化合物7與Cd的相互作用充分顯示出來。

為進一步了解濃度在0.02～0.2 mmol/L范圍內Cd對化合物7的UV譜影響，研究了化合物7（0.05 mmol/L）與濃度在0.02～0.2 mmol/L范圍內的Cd作用后，UV譜的變化，結果見圖7（b）。圖7（b）顯示，在所研究的Cd濃度區間內，UV譜與化合物7母體的吸收曲線峰形及峰位相同，僅λ的吸收強度隨Cd濃度升高而逐步降低。由此推測，在濃度0.02～0.2 mmol/L范圍內，化合物7與Cd的作用位點相同；當Cd的濃度繼續升高到0.2 mmol/L以上，化合物7中因結合Cd致使吸收強度降低的位點基本飽和，Cd則結合到另一可造成UV譜中λ紅移的位點上。化合物7與Cd的作用位點的相關信息，還有待于進一步研究。

圖7 不同濃度Cd2+對化合物7紫外光譜的影響Fig.7 Effect of concentrations of Cd2+on UV spectra of compounds 7

3 結論

（1）本文設計合成的雙氨基及雙甲酰基杯[4]芳烴衍生物經分子間縮合，獲得兩個新的雙杯[4]芳烴衍生物化合物6和化合物7。

（2）體系pH 為 1～12 時不影響化合物6 的紫外吸收光譜，但化合物7 的紫外吸收光譜在pH＞10 時出現明顯變化。

（3）在化合物6、7 中存在多個可與11 種金屬離子作用的活性位點，對這些金屬離子都具有相互作用，但沒有識別選擇性，可作為金屬離子萃取劑，用于富集低濃度的多種金屬離子。