一種新型硫雜杯[4]芳烴冠醚衍生物的合成與配合性能

趙 夏， 楊發(fā)福

(1.銀川能源學(xué)院 石油化工系， 銀川 750105; 2.福建師范大學(xué) 化學(xué)與材料學(xué)院， 福州 350007)

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一種新型硫雜杯[4]芳烴冠醚衍生物的合成與配合性能

趙 夏1*， 楊發(fā)福2

(1.銀川能源學(xué)院 石油化工系， 銀川 750105; 2.福建師范大學(xué) 化學(xué)與材料學(xué)院， 福州 350007)

在普通杯芳烴中引入硫、氮原子可以改善普通杯芳烴的配合性能.在弱酸的催化下，使用硫雜杯[4]芳烴四酰肼衍生物3與芳醛衍生物4反應(yīng)， 高產(chǎn)率地合成了新型的含酰胺和席夫堿單元的硫雜杯[4]芳烴冠醚衍生物5，所合成的新化合物的結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR、元素分析、ESI-MS等證實(shí).同時(shí)探討了新型硫雜杯[4]芳烴衍生物5與系列α-氨基酸的配合性能，結(jié)果表明所合成的硫雜杯芳烴冠醚對氨基酸分子表現(xiàn)出有效的配合能力和選擇性.

硫雜杯[4]芳烴； 合成； 冠醚； 氨基酸

基于杯芳烴衍生物在化學(xué)傳感器、色譜分離、客體識(shí)別、材料科學(xué)和生物化學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用，以杯芳烴為平臺(tái)構(gòu)筑的新型主體分子一直頗受關(guān)注[1-6].目前一個(gè)新的研究方向是用S、N、P等雜原子代替杯芳烴主體骨架中的亞甲基形成性能更為優(yōu)良的雜環(huán)杯芳烴[7-8].在杯芳烴上緣和下緣引入官能團(tuán)后所產(chǎn)生的各類杯芳烴衍生物中，杯芳烴冠醚是最令人矚目的一類.眾所周知，冠醚是研究起步較早的第一代主體分子，冠醚作為催化劑及載體在工業(yè)中的應(yīng)用研究也較為成熟[9].基于此，文中首先在杯芳烴的骨架中引入S原子，合成了硫雜杯[4]芳烴，然后在硫雜杯[4]芳烴下緣引入冠醚官能團(tuán)，得到的硫雜杯芳冠醚不僅僅是冠醚與硫雜杯芳烴的簡單結(jié)合，兩類單元之間還存在相互協(xié)同作用，充分發(fā)揮了二者的優(yōu)勢，使其對客體的識(shí)別能力大大優(yōu)越于普通杯芳烴和冠醚.通過氨基酸萃取實(shí)驗(yàn)探討了硫雜杯[4]衍生物5對于氨基酸的配合性能.由于其橋聯(lián)基團(tuán)是柔性的冠醚鏈，其空腔大小具有一定彈性，同時(shí)在配合過程中，杯芳烴骨架中硫原子參與，使得所合成的硫雜杯芳烴冠醚對氨基酸分子表現(xiàn)出有效的配合能力和選擇性[10].合成路線如圖1所示.

圖1 化合物5的合成路線

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

1.1.1 儀器 Bruker-ARX500(500M Hz)型核磁共振儀(CDCl3作溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo))；Varian紫外光譜儀；Vario EL III 自動(dòng)元素分析儀;Reichert 7905熔點(diǎn)儀(溫度未校正)；DECAX-30000 LCQ Deca XP ESI-MS質(zhì)譜儀(甲醇作溶劑).

1.1.2 主要化學(xué)試劑的制備與純化 吡啶：分析純，加KOH回流8 h，收集115.5oC的餾分；碳酸鈉：500oC高溫活化后使用；水合肼重蒸后使用；所使用的其他試劑均為分析純．

1.2 實(shí)驗(yàn)部分

1.2.1 硫雜杯[4]芳烴四乙酸乙酯衍生物2的合成 加入50 mL無水丙酮、1.5 g(2 mmol)硫雜杯[4]芳烴、1 mL溴乙酸乙酯、0.8 g碘化鉀、3.0 g碳酸鉀于100 mL的二口瓶中，通入氮?dú)獗Ｗo(hù)，攪拌回流14 h，TLC檢測原料消失.減壓蒸餾至溶劑剩余5 mL左右，加入30 mL氯仿溶解，后加入30 mL10%的HCl，使用分液漏斗分出有機(jī)層，加入20 mL蒸餾水萃取，分離出有機(jī)層.用無水MgSO4干燥，過濾后減壓濃縮至5～6 mL，加入適量無水乙醇析出沉淀.過濾，烘干后得白色粉末1.7 g， 為硫雜杯[4]芳烴四乙酸乙酯衍生物2，產(chǎn)率80%.1H NMR (500 MHz， CDCl3)δ: 1.09 (s， 36H， C(CH3)3)， 1.29 (t， 12H，J=7.0 Hz， C2H5)， 4.23 (q， 8H，J=7.0 Hz， C2H5)， 5.18 (s， 8H， OCH2O)， 7.31 (s， 8H， PhH); MSm/z(%): 1087.6 (MNa+， 100); Anal. calcd for C56H72O12S4∶C 63.14， H 6.71， found C 63.16， H 6.77．

1.2.2 硫雜杯[4]芳烴四乙酰肼衍生物3的合成 加入40 mL甲苯和甲醇的混合物(體積比為1∶1)、1 mL水合肼(含量80%)、1.07 g(1 mmol)硫雜杯[4]芳烴四乙酸乙酯衍生物2于三口瓶中，通入氮?dú)獗Ｗo(hù)，攪拌回流14 h.TCL檢測原料點(diǎn)消失，減壓蒸餾至溶劑剩余5 mL左右，加入少量蒸餾水，析出沉淀.過濾，沉淀用甲醇和水重結(jié)晶得白色晶體，為杯[4]芳烴二酰肼衍生物3，共0.86 g， 產(chǎn)率 86%.m.p.210～212oC， IR(KBr): 3416.14(N-H)， 1679.91 (C=O)， 1432.45(C-N) cm-1;1H NMR (500 MHz， CDCl3)δ: 1.29 (s， 36H， C(CH3)3)， 4.61 (s， 8H， OCH2O)， 3.51 (bs， 8H， NH2)， 7.41 (bs， 4H， NHCO)， 7.45 (s， 8H， PhH); MSm/z(%): 1031.7 (MNa+， 100); Anal. calcd for C48H64N8O8S4∶C 57.11， H 6.32， N 11.08; found C 57.14， H 6.40， N 11.11．

1.2.3 新型含冠醚的硫雜杯[4]衍生物5的合成 在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，將1.95 g(4.8 mmol)的化合物4和2.06 g(2 mmol)的化合物3溶于40 mL氯仿/甲醇(體積比1∶1)的溶液中，再加入5滴冰醋酸，攪拌回流30 h.TLC檢測原料反應(yīng)完畢，減壓蒸出大部分溶劑，加入適量甲醇，在冰箱中放置過夜使沉淀充分析出.過濾出沉淀，使用適量甲醇洗滌三次，干燥，得化合物5，共3.2 g，產(chǎn)率為91%.m.p. 221～223℃;1H NMR (500 MHz， CDCl3)δ: 1.08 (s， 36H， C(CH3)3)， 3.12 (bs， 4H， NH)， 3.89 (m， 16H， OCH2CH2O)， 4.81 (s， 8H， ArOCH2)， 6.23～8.16 (m， 32H， ArH)， 9.64 (s， 4H，-CH=N); MSm/z(%): 1749.9 (M+， 100); Anal. calcd for C96H100N8O16S4∶C 65.84， H 5.57， N 6.21; found C 65.90， H 5.72， N 6.41．

1.2.4 硫雜杯芳烴衍生物5對氨基酸的萃取實(shí)驗(yàn) 用硫雜杯[4]衍生物5和氯仿配制成5×10-4mol/L的氯仿溶液，氨基酸加入蒸餾水配成5×10-4mol/L的水溶液.取上述溶液各4 mL，加入具塞的磨口10 mL試管中，劇烈震蕩3 h，放置24 h后，用注射器取2 mL上層溶液和2 mL茚三酮于試管中混合均勻，在100℃水浴中加熱10 min.冷卻后稀釋定容到10 mL，用紫外分光光度計(jì)測定558 nm左右處的透光率T，根據(jù)Lamber-Beer定律式(1)計(jì)算出溶液中萃取率R.

A=-lgT,

R=(A0-A)/A0,

(1)

式中,A是被硫雜杯[4]衍生物5萃取后氨基酸水溶液的吸光度，A0是未被萃取前氨基酸水溶液的吸光度.

2 結(jié)果與結(jié)論

在合成衍生物2時(shí)，采用溴乙酸乙酸與硫雜杯[4]芳烴反應(yīng)，主要生成的是四取代產(chǎn)物，使用氯乙酸乙酯反應(yīng)得到的主產(chǎn)物是三取代衍生物，后來又通過改變試驗(yàn)條件來對比產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)無論條件如何改變，采用溴乙酸乙酸反應(yīng)時(shí)，其主產(chǎn)物是四取代產(chǎn)物，而采用氯乙酸乙酯反應(yīng)得到的主產(chǎn)物是三取代產(chǎn)物，這說明溴乙酸乙酯和氯乙酸乙酯的活性不同.化合物5的合成過程中，使用氯仿/甲醇(體積比1∶1)的溶劑主要作用是可以同時(shí)讓化合物3和化合物4較好的溶解，冰醋酸作為催化劑，可以加快反應(yīng)速度，反應(yīng)的產(chǎn)率也較高.

所合成的新化合物均經(jīng)元素分析、1H NMR譜、質(zhì)譜分析證明它們?yōu)閳D1中所示的結(jié)構(gòu).衍生物2，3，5的譜圖中均出現(xiàn)豐度100的分子離子基峰.在化合物2和化合物3的核磁譜圖中叔丁基分裂為1∶1的兩個(gè)單峰，說明其結(jié)構(gòu)為1，3-交替取代且采取錐式構(gòu)象.而化合物5中沒有橋連亞甲基，杯芳烴骨架里的ArH和橋聯(lián)官能團(tuán)中的ArH信號(hào)交疊，吸收峰較多，無法判斷它們的分裂方式，因此難以推測它們采取的具體構(gòu)象.

在杯芳烴中引入橋聯(lián)硫原子以代替原來的橋聯(lián)亞甲基，可以增加新的配位作用位點(diǎn).未經(jīng)修飾的母體硫雜杯芳烴分子的構(gòu)象活動(dòng)多變，在大多數(shù)溶劑中的溶解性很差，絡(luò)合客體的能力也比較弱.對其上緣或下緣進(jìn)行修飾后，其在有機(jī)溶劑中的溶解性大大提高，在水中也具有一定的溶解度，同時(shí)對客體的選擇配合能力也大幅度提高.文中在硫雜杯芳烴的下緣引入含氮雜原子的冠醚官能團(tuán)，多種官能團(tuán)和杯芳烴骨架中的硫原子發(fā)生協(xié)同配合作用，使化合物5對氨基酸產(chǎn)生良好的配合性能.其萃取試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示.從圖2可以看出硫雜杯[4]衍生物5對氨基酸的配合試驗(yàn)中選擇性較強(qiáng).硫雜杯[4]衍生物5對脂肪族氨基酸的萃取率比較高，而對芳香族的氨基酸萃取率較差，尤其是新化合物對蘇氨酸的萃取率高達(dá)67%.推測其原因是蘇氨酸分子內(nèi)具有羥基，而羥基與硫雜杯[4]衍生物5分子中的羥基能形成分子間氫鍵，同時(shí)硫雜杯[4]衍生物5所形成的空腔的大小與蘇氨酸的體積相似，因此硫雜杯[4]衍生物5對蘇氨酸表現(xiàn)出較好的萃取選擇性，蘇氨酸/色氨酸最高選擇性可達(dá)到14.1.

圖2 化合物5對氨基酸的百分萃取率

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Synthesis and characterization of novel thiacalix[4] crowns derivatives

ZHAO Xia1， YANG Fafu2

(1.Department of Petrochemical Engineering， Yinchuan Energy Institute， Yinchuan 750105;2.College of Chemistry and Materials， Fujian Normal University， Fuzhou 350007)

The performance of ordinary calixarene can be improved with introducing of sulfur， nitrogen atom. Treatment of thiacalix[4]arene hydrazides derivative 3 with aryl aldehyde derivatives 4， the novel thiacalix[4]crowns derivatives 5 containing amides and schiff-base units were synthesized in high yields with the weak acid catalyst. The new compounds were characterized by elemental analyses， ESI-MS，1H NMR spectra. At the same time， we studied the coordination properties of novel thiacalix [4]arene derivatives 5 and series of alpha amino acids．The results showed that the thiacalixarene crown have an effective coordination ability and selectivity on amino acids.

thiacalix[4]arene； synthesis； crown ethers； amino acids

2014-10-08.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20402002); 福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E0220002, 2009J019); 銀川能源學(xué)院科學(xué)研究資助項(xiàng)目(2013-KY-Z-05).

1000-1190(2015)01-0083-04

O623

A

*通訊聯(lián)系人. E-mail: zhaoxia19831982@126.com.