杯［4］芳烴衍生物的合成及其晶體結(jié)構(gòu)

胡曉鈞，彭永標(biāo)，吳 昊

（沈陽(yáng)大學(xué) 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110044）

杯［4］芳烴衍生物的合成及其晶體結(jié)構(gòu)

胡曉鈞，彭永標(biāo)，吳 昊

（沈陽(yáng)大學(xué) 區(qū)域污染環(huán)境生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110044）

通過(guò)向杯［4］芳烴下沿引入不同基團(tuán)，合成得到四種杯［4］芳烴衍生物（2，3，4和5），并采用NMR、ESI－MS和EA對(duì)所合成的化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征.同時(shí)培養(yǎng)得到化合物2，3和4的單晶，解析出晶體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在化合物3和4的晶體中同時(shí)存在杯［4］芳烴的兩種主要構(gòu)象：錐型和部分錐型.通過(guò)分析研究，把產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因歸結(jié)為：當(dāng)下沿的保護(hù)基團(tuán)具有適度大的尺寸時(shí)，就能夠阻止苯環(huán)的翻轉(zhuǎn)，并且提供足夠的空間.當(dāng)杯芳烴從溶液中析出時(shí)，第四個(gè)苯環(huán)隨機(jī)地定位，從而使得兩種構(gòu)象并存于同一晶體中.

杯［4］芳烴；構(gòu)象；晶體結(jié)構(gòu)；構(gòu)象異構(gòu)體

杯芳烴［1－2］（圖1）是由對(duì)位取代的苯酚與甲醛反應(yīng)得到的齊聚物，被認(rèn)為是繼冠醚、環(huán)糊精之后的新一代大環(huán)主體分子化合物的代表.杯芳烴具有多樣性的空間結(jié)構(gòu).與環(huán)糊精的剛性結(jié)構(gòu)以及冠醚的平面二維結(jié)構(gòu)不同，杯芳烴分子的杯環(huán)屬柔性骨架，作為連接橋的亞甲基與苯環(huán)間以旋轉(zhuǎn)勢(shì)壘很小的C—C單鍵相連接，分子內(nèi)熱運(yùn)動(dòng)會(huì)使得苯環(huán)單元繞以相鄰的兩個(gè)橋聯(lián)亞甲基形成的軸發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致多種構(gòu)象并存.如杯［4］芳烴在溶液中一般可呈現(xiàn)錐型（cone）、部分錐型（partial cone）、1，2－交替型（1，2－alternative）和1，3－交替型（1，3－alternative）四種構(gòu)象［3］.在熱運(yùn)動(dòng)下不同構(gòu)象之間存在著動(dòng)態(tài)平衡，并受到取代基團(tuán)以及介質(zhì)環(huán)境和溫度的影響.例如，四羥基杯［4］芳烴下沿的四個(gè)酚羥基能形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的分子內(nèi)氫鍵，導(dǎo)致錐型構(gòu)象在多數(shù)有機(jī)溶劑如氯仿、甲苯中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)［4］.當(dāng)下沿的酚羥基被尺寸較小的基團(tuán)所取代時(shí)，分子內(nèi)的環(huán)形氫鍵隨之消失，苯環(huán)可以自由翻轉(zhuǎn)，各種構(gòu)象之間存在動(dòng)態(tài)的轉(zhuǎn)化.而當(dāng)取代基團(tuán)的尺寸大于或等于丙基時(shí)，這種翻轉(zhuǎn)因?yàn)槲蛔璧拇嬖诒幌薅?，?gòu)象與構(gòu)象之間的轉(zhuǎn)化隨之被禁止［5］.在晶體中，由于杯芳烴分子構(gòu)象被固定，不存在構(gòu)象之間的轉(zhuǎn)換，因此往往只表現(xiàn)出幾種構(gòu)象中較為穩(wěn)定的一種構(gòu)象.

圖1 化合物結(jié)構(gòu)式Fig.1 The molecular structure

近期，在對(duì)杯［4］芳烴的超分子化學(xué)性質(zhì)研究過(guò)程中合成得到一種下沿由兩種不同基團(tuán)保護(hù)的杯［4］芳烴衍生物4，并培養(yǎng)得到其單晶，解析出其晶體結(jié)構(gòu).但令我們感到意外的是，發(fā)現(xiàn)在此種杯芳烴衍生物單晶中出現(xiàn)了兩種杯［4］芳烴的主要構(gòu)象：錐式和部分錐式構(gòu)象.為了探求產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，合成了一系列此類化合物（圖1），并培養(yǎng)出單晶，解析出它們的晶體結(jié)構(gòu).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

母體5，17－二溴－25，27－二甲氧基－26，28－二羥基杯［4］芳烴（1）按照文獻(xiàn)方法合成［6］.對(duì)－叔丁基酚，甲醛，二苯醚等實(shí)驗(yàn)所需化學(xué)試劑和藥品購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司（均為分析純）.實(shí)驗(yàn)用水為去離子水.

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

1H－NMR譜圖采用JEOL JNM－ECA－600核磁共振波譜儀測(cè)定，質(zhì)譜采用Bruker 1100和Finnigan LTQ質(zhì)譜儀測(cè)定，元素分析采用EAI CE－440元素分析儀測(cè)定，晶體數(shù)據(jù)采用Bruker P4晶體衍射儀收集，并采用SHELXTL程序解析出晶體結(jié)構(gòu).

1.3 杯芳烴衍生物的合成

5，17－二溴－25，2726，28－四甲氧基杯［4］芳烴（2）：將0.98 g（1.6 mmol）化合物1、1 g氫化鈉、10 m L二甲基甲酰胺和100 m L四氫呋喃混合攪拌，緩慢加入10 g碘甲烷，加熱回流4 h后，冷卻至室溫.蒸去溶劑，加入氯仿和稀鹽酸，攪拌溶劑，分得下層有機(jī)相，干燥.蒸去大部分氯仿，加入甲醇，析出白色沉淀，過(guò)濾得白色粉末0.88 g，產(chǎn)率86%.1H－NMR （600 MHz，CDCl3）∶6.45～7.40 （m，10H，Ar H），2.92～4.32 （m，20H，Ar CH2Ar and Ar OCH3）.MS（ESI，m／z）：［M＋Na］＋，659.3（65%），661.3（100%），663.3（55%）.

5，17－二溴－25，27–二甲氧基－26，28－二丙氧基杯［4］芳烴（3）：將1.1 g（1.8 mmol）化合物1、1.5 g氫化鈉、5 m L二甲基甲酰胺和100 m L四氫呋喃混合攪拌，緩慢加入7 g碘丙烷，加熱回流24 h后，冷卻至室溫.蒸去溶劑，加入氯仿和稀鹽酸，攪拌溶劑，分得下層有機(jī)相，干燥.蒸去大部分氯仿，加入甲醇，析出白色沉淀，過(guò)濾得白色粉末1 g，產(chǎn) 率 81%.1H－NMR （CDCl3）cone conformation：δ1.07（t，J7.6，6 H），1.83（m，4H），3.15（d，J13.1，4H），3.66 （t，J6.9，4 H），3.89 （s，6H），4.31 （d，J13.1，4H），6.38（s，4H），6.99（t，J7.6，2H），7.14（d，J7.6，4 H）；partial－cone conformation：δ1.14（t，J7.6，6 H），1.88（m，4H），2.96（s，3 H），3.08（d，J13.7，2H），3.54 （m，2H），3.58（d，J13.1，2H），3.65（d，J13.1，2H），3.73（s，3H），3.79 （m，2H），4.01 （d，J13.7，2 H），6.47（br s，2H），6.91（t，1 H），6.92（t，1H），7.07（d，J7.6，2H），7.09（br s，2H），7.25（d，J7.6，2 H）.MS（ESI／MeOH）717.4（M＋Na）.

5，17－二溴－25，27－二甲氧基－26，28－二丁氧基杯［4］芳烴（4）：將1 g（1.64 mmol）化合物1、1.5 g氫化鈉、5 m L二甲基甲酰胺和100 m L四氫呋喃混合攪拌，緩慢加入12 g溴丁烷，加熱回流24 h后，冷卻至室溫.蒸去溶劑，加入氯仿和稀鹽酸，攪拌溶劑，分得下層有機(jī)相，干燥.蒸去大部分氯仿，加入甲醇，析出白色沉淀，過(guò)濾得白色粉末0.87 g，產(chǎn) 率 74%.1H－NMR （CDCl3） cone conformation：δ1.00（m，6 H），1.61（m，4H），1.85（m，4H），3.15（d，J13.1，4 H），3.70（t，J6.5，4 H），3.88（s，6 H），4.31（d，J13.1，4H），6.37（s，4 H），6.99（t，J7.6，2 H），7.14（d，J7.6，4H）；partial－cone conformation：δ1.00（m，6 H），1.52（m，4 H），1.82（m，4 H），2.95（s，3 H），3.08（d，J13.8，2 H），3.59（d，J13.1，2 H），3.59（m，2 H），3.66（d，J13.1，2H），3.74（s，3 H），3.81（m，2 H），4.01（d，J13.8，2 H），6.47 （br s，2 H），6.91 （t，1 H），6.92（t，1 H），7.07（d，J7.6，2 H），7.09（br s，2 H），7.25 （d，J7.6，2 H）.MS （ESI／MeOH）745.3（M＋Na）.Anal.Calcd.for C38H42Br2O4：C，63.17；H，5.86；Found：C，62.93；H，5.58.

5，17－二溴－25，27－二甲氧基－26，28－二己氧基杯［4］芳烴（5）：將1 g（1.64 mmol）化合物1、1.5 g氫化鈉、5 m L二甲基甲酰胺和100 m L四氫呋喃混合攪拌，緩慢加入6.18 g溴己烷，加熱回流24 h后，冷卻至室溫.蒸去溶劑，加入氯仿和稀鹽酸，攪拌溶劑，分得下層有機(jī)相，干燥.蒸去大部分氯仿，加入甲醇，析出白色沉淀，過(guò)濾得白色粉末0.93 g，產(chǎn) 率 73%.1H－MR （CDCl3）cone conformation：δ0.91（br s，6 H），1.36 （br s，8H），1.49（m，4H），1.82 （m，4H），3.15（d，J13.1，4 H），3.69 （t，J5.9，4H），3.89（s，6 H），4.31（d，J13.2，4H），6.37 （s，4H），6.99（t，J7.2，2H），7.15（d，J7.3，4H）；partial－one conformation：δ0.91（br s，6H），1.36 （br s，8H），1.58 （m，4H），1.86（m，4H），2.95（s，3H），3.08（d，J13.8，2H），3.57 （m，2H），3.59（d，2 H），3.65（d，J13.4，2 H），3.73 （s，3 H），3.80（m，2H），4.01（d，J13.8，2H），6.47（br s，2H），6.90（t，1 H），6.92（t，1 H），7.07（d，J6.8，2H），7.09（br s，2H），7.25（d，2H）.MS（ESI／MeOH）801.4（M＋Na）.

5，17－溴－25，27–二甲氧基－26－甲?；?8－基杯［4］芳烴（6）：將0.9 g（0.9 mol）化合物1溶于25 L吡啶，在冰水浴中攪拌下，緩慢加入5 L苯甲酰氯，反應(yīng)72 h后，停止攪拌.過(guò)濾得到白色沉淀，用蒸餾水和甲醇清洗數(shù)次.將白色粉末用層析柱分離，以石油醚／丙酮為流動(dòng)相，收集前一組分，用氯仿／甲醇重結(jié)晶得白色粉末0.2 g，產(chǎn)率31%.

5，17－溴－5，27－甲氧基－6，28－甲酰基杯［4］芳烴（7）：上面反應(yīng)后，柱分離收集第二組分，用氯仿／甲醇重結(jié)晶得白色粉末0.35 g，產(chǎn)率48%.1H－MR（CDCl3）：δ2.83～4.03（m，14 H），6.31～7.22（m，7 H），7.26～4.43 （m，13 H）.MS（ESI／MeOH）841.1（M＋Na）.

1.4 杯芳烴衍生物單晶培養(yǎng)

通過(guò)在氯仿／甲醇混合液中，緩慢揮發(fā)溶劑的方法，分別培養(yǎng)得到化合物2、3、4的單經(jīng)X射線衍射得到以下晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)：七種化合物在CCDC 的 注 冊(cè) 號(hào) 碼 分 別 是：2（274950），3（286075），4（263620）.

2 結(jié)果與討論

首先培養(yǎng)得到化合物4的晶體，并解析其單晶結(jié)構(gòu).X射線衍射的結(jié)果表明，在化合物4的晶體中存在著兩種不同的杯［4］芳烴構(gòu)象異構(gòu)體：錐式和部分錐式，兩種構(gòu)象異構(gòu)體出現(xiàn)的概率之比為1∶1，也就是說(shuō)兩者在晶體中有相同的穩(wěn)定性.如果把兩種構(gòu)象疊加在一起，就得到了圖2所示圖形.

圖2 化合物4兩種晶體構(gòu)象的疊加圖Fig.2 The overlapped molecular structure of the cone and partial－cone conformational isomers of 4 in solid state

從圖2中可以看出，錐式構(gòu)象和部分錐式構(gòu)象中的三個(gè)苯環(huán)（A、B和C）幾乎完全重合，而唯一的區(qū)別就在第四個(gè)苯環(huán)（D和D′）的位置.兩個(gè)相對(duì)的苯環(huán)A和B處于兩個(gè)幾乎相互平行的平面，平面之間的夾角為12.8°.在錐式構(gòu)象中，苯環(huán)C與苯環(huán)D的夾角為65.6°，而在部分錐式構(gòu)象中苯環(huán)C與苯環(huán)D′的夾角為107.9°，苯環(huán)D與D′之間的夾角為137.6°.細(xì)致觀察可以發(fā)現(xiàn)，苯環(huán)D的C（23）與苯環(huán)D′的C（23）正好重合，就好像是苯環(huán)D繞由C（21）、C（23）和C（28）構(gòu)成的虛擬軸旋轉(zhuǎn)137.6°到達(dá)苯環(huán)D′.

歸結(jié)產(chǎn)生兩種主要構(gòu)象同時(shí)出現(xiàn)在同一杯芳烴單晶中這一新現(xiàn)象的原因，我們做如下分析.在圖2中，錐式構(gòu)象中的第四個(gè)苯環(huán)D及其所接甲氧基與部分錐式構(gòu)象中的苯環(huán)D′及其所接甲氧基幾乎處在同樣的空間位置，這就使得錐式構(gòu)象和部分錐式構(gòu)象在分子的尺寸和形狀上幾乎沒(méi)有太大的差異.而且由于杯芳烴下沿的兩個(gè)正丁基的尺寸較大，從而抑制住苯環(huán)A和苯環(huán)B跨越橋聯(lián)亞甲基平均平面的翻轉(zhuǎn)，并使得自身分子與相鄰分子保持一定空間距離，為第四個(gè)苯環(huán)D的自由定位提供了足夠的空間，因而可以按照溶液中的構(gòu)象比例析出.通過(guò)分析化合物4在氯仿中的核磁共振氫譜，得知化合物4在溶液中也存在著兩種構(gòu)象（錐式和部分錐式），兩種構(gòu)象的比例也是1∶1，這也印證了我們的推論.

為了證明對(duì)這一新現(xiàn)象歸因的正確性，將下沿的兩個(gè)正丁基用尺寸稍小的正丙基取代，從而制得化合物3.化合物3在氯仿中的核磁共振氫譜顯示了和化合物4同樣的結(jié)果，即化合物3在溶液同樣存在錐式和部分錐式兩種構(gòu)象（表1），并且二者的比例接近1∶1，說(shuō)明尺寸稍小一些的丙基在溶液中也能阻止苯環(huán)A和苯環(huán)B的翻轉(zhuǎn).利用揮發(fā)溶劑的方法培養(yǎng)出化合物3的晶體，并解出其單晶結(jié)構(gòu).單晶衍射測(cè)試的結(jié)果與我們的預(yù)期相吻合，在化合物3的單晶中也存在著錐式和部分錐式兩種構(gòu)象，但兩者比例接近7∶3.

比較圖3和圖2可以看出，化合物3和化合物4在單晶中的兩種構(gòu)象的形狀非常相似，兩種構(gòu)象的第四個(gè)苯環(huán)及所接甲氧基也同樣處在幾乎相同的空間位置，并且苯環(huán)D與苯環(huán)D′之間的夾角比化合物4中的稍小，為136.6°.唯一較明顯的區(qū)別就是下沿的取代基差異，化合物4中為正丁基，而化合物3中為正丙基.這也進(jìn)一步證實(shí)本研究對(duì)這一新現(xiàn)象歸納原因的正確性.雖然，在溶液中，由于含甲氧基的苯環(huán)可較自由地翻轉(zhuǎn)，使錐式和部分錐式兩種構(gòu)象按近似1∶1的比例存在；而在晶體中由于杯芳烴下沿的兩個(gè)正丙基的有適度大的尺寸，從而抑制住苯環(huán)A和苯環(huán)B跨越橋聯(lián)亞甲基平均平面的翻轉(zhuǎn)，并使得自身分子與相鄰分子保持一定空間距離，但正丙基的尺寸所能提供的空間只能滿足第四個(gè)苯環(huán)以70%概率處在正立位置D，即錐式構(gòu)象，而以30%的概率處在翻轉(zhuǎn)位置D′，即部分錐式構(gòu)象.

圖3 化合物3兩種晶體構(gòu)象的疊加圖Fig.3 The overlapped molecular structure of the cone and partial－cone conformational isomers of 3 in solid state

表1 幾種化合物在溶液中的存在構(gòu)象比例Table 1 Distribution of conformational isomers of the calix［4］arene derivatives in solution %

當(dāng)把下沿的取代基從丙基進(jìn)一步減小到甲基，就得到了化合物2.同樣也培養(yǎng)得到化合物2的晶體，并解出其單晶結(jié)構(gòu).同樣和預(yù)期的結(jié)果相符，在化合物2的單晶中沒(méi)有出現(xiàn)兩種主要構(gòu)象共存的現(xiàn)象，只有一種部分錐式構(gòu)象被觀察到.這也證實(shí)了我們的推測(cè)，由于甲基的尺寸較小，不能阻止苯環(huán)的翻轉(zhuǎn)，也就不可能為第四個(gè)苯環(huán)隨機(jī)性地定位提供有效的空間，為了能最緊密堆積，所以化合物2在從溶液中析出時(shí)只采用了穩(wěn)定的部分錐式構(gòu)象.而化合物2的核磁共振氫譜則表明，化合物2在溶液中同樣存在兩種構(gòu)象（錐式和部分錐式）.圖4顯示了化合物2的晶體構(gòu)象，與3和4不同，為了使分子內(nèi)空間位阻最小，兩個(gè)帶有溴原子的苯環(huán)處于反式位置，苯環(huán)平面之間的夾角為47.9°.而另外兩個(gè)相對(duì)苯環(huán)則處在順式位置，兩個(gè)苯環(huán)平面幾乎平行，呈13.5°夾角.四個(gè)甲氧基為減小空間位阻而伸向空腔外測(cè).

圖4 化合物2的晶體構(gòu)象圖Fig.4 The molecular structure of 2 in solid state

為了再一次證明我們的推論和歸因的正確性，將下沿的取代基由正丁基改換為較大的正己基，就得到化合物5.培養(yǎng)出化合物5的晶體外形很規(guī)整，但遺憾的是雖然做了X射線衍射測(cè)試，可能是由于正己基長(zhǎng)鏈的柔性引起的不確定性太大，沒(méi)能解出其單晶結(jié)構(gòu).但是化合物.5在溶液中的核磁共振氫譜告訴我們，同樣存在著錐式和部分錐式兩種構(gòu)象，而且兩者比例也是接近1∶1.并且在化合物3、4和5三者的核磁共振氫譜上，苯環(huán)氫、橋聯(lián)亞甲基氫和甲氧基氫的化學(xué)位移值及積分值都非常接近，而高場(chǎng)部分的峰形的不同是由于不同長(zhǎng)度烷基取代基而引起的差異（圖5）.化合物5下沿接的取代基為長(zhǎng)度更長(zhǎng)的正己基，也能夠?yàn)榈谒膫€(gè)苯環(huán)的隨機(jī)性定位提供足夠的空間，因此有理由相信在化合物5的晶體中同樣存在著錐式和部分錐式兩種構(gòu)象.

圖5 化合物3、4和5的核磁共振氫譜Fig.5 The 1 H－NMR spectra of 3，4 and 5 in CDCl3

3 結(jié) 論

通過(guò)更換不同取代基團(tuán)，合成了4種新的杯［4］芳烴衍生物，并培養(yǎng)出其中3種新化合物的晶體，解出其單晶結(jié)構(gòu).其中發(fā)現(xiàn)一種新的現(xiàn)象：兩種不同的杯［4］芳烴主要構(gòu)象并存于晶體中.通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，我們把產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因歸結(jié)為：當(dāng)下沿的保護(hù)基團(tuán)具有適度大的尺寸時(shí)，就能夠阻止苯環(huán)的翻轉(zhuǎn)，并且提供足夠的空間，在杯芳烴從溶液中析出時(shí)，讓第四個(gè)苯環(huán)隨機(jī)地定位，從而使得兩種構(gòu)象并存于同一晶體中.

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［4］ Gutsche C D，Levine J A.Calixarenes.6.Synthesis of a functionalizable calix［4］arene in a conformationally rigid cone conformation［J］.Journal of the American Chemistry Society，1982，104（9）：2652－2653.

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Syntheses and Crystal Structures of Calix［4］Arenas Derivatives

HUXiaojun，PENGYongbiao，WUHao
（Key Laboratory of Regional Environment and Eco－Remediation （Ministry of Education），Shenyang University，Shenyang 110044，China）

A novel phenomenon about calix［4］arenes was observed that there were two discrete conformational isomers observed in single crystals of tetra－O－alkylated calix［4］arenes.Four calix［4］arene derivatives（2，3，4 and 5）were synthesized with 1 as the precursor，and their single crystals were prepared to disclose reasons for this novel phenomenon.It was found that the introduced alkyl groups inhibited the oxygen－through－the－annulus rotation of phenyl rings，and there was enough space for the forth phenyl ring to randomly position in cone conformation or upside down in partial－cone conformation，leading to the coexistence of two discrete conformational isomers in single crystals of calix［4］arenes.

calix［4］arene；conformation；crystal structure；conformational isomer

O 62

A

1008－9225（2012）02－0035－05

2011－12－18

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2011BAJ06B02）.

胡曉鈞（1977－），男，浙江淳安人，沈陽(yáng)大學(xué)教授，博士后研究人員.

王 穎】